王坡矿井下排水自动化控制系统设计与应用

杨晓东

（山西平遥峰岩煤焦集团明子煤业有限公司）

在矿井建设和生产过程中，江河湖泊、池塘、沟渠中的积水，雨水，雪水等地表水顺着裂缝灌至井下，形成水灾。岩层和煤层中的渗水、采空区的水随着开采活动不断涌出，一旦与地表水汇集，将严重威胁矿井安全。通常一个水泵房安装3～5台排水泵，因类型和用途不同，配备的电机功率从数千瓦到数百千万瓦不等，是煤炭生产系统中真正的电老虎。排水系统消耗的电能占整个矿井生产耗电的20% 左右［1-5］。

我国人均水资源占有量为世界平均值的1/4，特别是在煤炭的主产区——陕蒙地区恰恰是缺水最严重的地方，人民生活用水十分困难［6］。如果将矿井水利用起来，将能缓解矿区水资源紧缺的现状。由于部分矿井水为酸性，若不经处理直接排放，会对矿区周围土壤环境造成破坏［7-8］。我国90%以上的煤矿为井工矿，存在着“水、火、瓦斯、煤尘、顶板”五大灾害，瓦斯爆炸和透水是造成后果最严重的矿难事故［9］。虽然从2011 开始我国煤矿水害事故持续减少，但造成的死亡人数占比较高。为减少水害事故，矿井排水显得十分重要，近些年来我国部分矿井开始采用自动化控制，然而其自动化的水平较低，效果不太理想［10-13］。矿井多水平排水系统中各泵房依靠自身排水进行控制，传统的继电器控制系统不能实现自动化控制，效率低下，为此亟需设计一套排水控制系统。

1 工程概况

王坡井田位于晋城市泽州县，井田东起万里中村一带，西至庵头攫坡，南起陈庄马头山，北至蝗坪车山南侧。经计算，矿井正常涌水量为1 250 m3/d（52 m3/h），最大涌水量为3 000 m3/d（125 m3/h），设计考虑防尘洒水及一定备用系数，设计正常涌水量为100 m3/h，最大涌水量按150 m3/h。目前，中央排水泵房安装3台山东博泵科技股份有限公司MD280-65×7 型多级离心泵，扬程455 m，流量280 m3/h，功率630 kW（6 000 V）。水泵出口闸阀为DN200（6.4 MPa）。设计在三采区水仓内增设应急排水设备，沿塔里进风立井敷设，潜水泵配套电动机为850 kW，6 kV。由于煤矿抽水时间不固定，并且泵房安装时间较早，各排水设备未及时更新，造成排水设备维修费用高、排水效率低。主要表现在离心泵底阀易损坏、水泵效率低、水泵密封不严、维修成本高等，在实际使用过程中存在诸多问题都有待解决。

2 排水自动化控制系统设计

2.1 技术方案

依托王坡煤矿的排水系统现状，对多水平排水系统进行设计。本系统共涉及2个主排水泵房，分别为中央排水泵房和三采区排水泵房。中央排水泵房安装3 台水泵，为山东博泵科技股份有限公司MD280-65×7 型多级离心泵。三采区水泵房安装3台水泵，为新乡泵厂责任有限公司MD155-67×3 多级离心泵。采用隔爆型低压真空磁力启动器控制。水泵出口闸阀为DN200（6.4 MPa）。

矿井排水系统的自动化控制核心之一是解决水泵的抽真空问题，使排水泵泵体形成负压，将水仓的水吸入泵体，再启动水泵。目前常用的方式是射流抽真空方式，射流抽真空方式为每台排水泵配置射流装置，通过射流装置排除泵体内的空气。本设计采用射流泵。排水监控系统根据水泵房排水系统现状及要求设计，实现排水系统的集中监控，完成对水泵及其附属信息的综合监测和自动控制，并通过上位软件实现人机交互。除抽真空改造外，还需将每台泵的排水阀改为电动闸阀，配合排水泵启停，并为各水仓安装液位传感器、管道流量传感器等，采集系统运行状态数据。

2.2 系统组成

排水监控系统由地面集控中心、井下监控主机和水泵房设备三部分组成。柜内安装西门子本安型触摸屏，可就地进行PLC 柜全/半自动操作。系统拓扑结构见图1。

通过控制PLC 柜内继电器的通断来控制水泵的启动，经过处理后通过以太网模块上传到井下环网。在选择手动控制模式时，主要依靠就地控制柜来控制水泵的启停。柜面上有按钮、指示灯，可以显示关键控制部件的状态信息，系统异常、故障时可进行声光报警。为增强系统可靠性，为每台就地控制柜配备了UPS。通信中断时，就地控制柜可独立工作。

2.3 主要设备及传感器

如图2所示，触摸屏上主要显示水泵的实时运行状态，水泵开停状态，负压，水泵压力、流量，电机温度，配电柜电流、电压，水仓水位等信息，并具备就地半自动开停水泵的功能。

具体到水泵控制系统，力控的组态配置界面提供形象的水泵三维立体图像，通过简单组态可以生成非常形象直观的水泵系统运行画面。同时，数据集成方面，WinCC 软件支持多种工控设备驱动，尤其是对本系统采用的西门子S7-300系列PLC 的支持。网络通信系统主要由PLC 通信模块，环网交换机，光纤收发器等组成。其主要功能是将井下的传感器数据、视频信息等上传到地面，并提供数据上传外接接口，可以与其他综合自动化系统实现数据无缝集成交换。

王坡煤矿井下排水系统中包含中央水泵房和三采区泵房2 个水平的水泵控制系统，2 个泵房内分别装有独立的中央集控柜和就地控制柜，对2个水平间的通信采用了双冗余设计。多水平最优控制算法加载在上位机内，上位机进行算法求解后将控制命令下发到各水泵就地控制箱，此外上位机主要用作系统状态监视。

3 系统功能

3.1 信号采集

系统对采集到的数据进行处理，参与水泵系统的启停控制，并将信息反馈给操作调度人员，给生产调度提供参考。

3.2 设备控制

系统具有手动控制、远程控制、半自动控制、全自动控制4种模式，可以控制排水泵、电动闸阀、电动球阀、真空泵等设备联动。

手动控制：操作员通过就地操作柜上的按钮完成每台设备的启停。当系统运行出现水泵超温、开关故障、压力下降、水位超低等故障时，系统将报警提示操作员根据情况停止水泵。

远程控制：地面监控主机通过井下环网与井下PLC控制站通讯，实现井上下实时数据的交换。

半自动控制：通过本安触摸屏和地面监控主机可以对单台泵组进行一键启停控制。启动时，先保证待开排水泵及对应阀门和真空泵或者射流装置、电动球阀等状态就位，然后按下待开泵组的一键启动按纽，PLC控制程序接收到启动指令，先抽真空，完成启动流程。停止泵组时，按下待关泵组的一键停止按纽，系统将先关掉阀门，再停止水泵，恢复初始状态。

全自动控制：在预先设定液位、压力等相关参数，并选择“自动”档后，PLC 控制系统将自动选定排水管路、抽真空管路和待开水泵数量，按照所设定的运行程序，自动启停泵组，实现无人值守。射流泵需根据现场情况进行选型，除抽真空改造外，还需将每台泵的排水阀改为电动闸阀，配合排水泵启停。并安装水仓液位传感器、设备温度传感器等，采集排水系统运行状态；此外地面监控设备必须有备用设备，方便紧急情况下进行切换。

信号采集：系统对采集到的数据进行处理，参与水泵系统的启停控制，并将信息反馈给操作调度人员，给生产调度提供参考。

存储查询：PLC控制器通过以太网将水泵运行工况传到地面监控系统，对流量、水位、压力、真空度、电机温度等重要参量进行定期存储，定期的时间可以通过监控系统数据库来设定。在监控系统开发报表界面，可查询存储到历史数据库的数据，数据调出来即可打印。亦可查询历史曲线趋势，方便技术员分析系统运行状况。

组网：与本安触摸屏通过MPI 电缆通讯，实现就地显示控制。监控系统具备OPC 数据通讯接口，可与其他系统进行数据交换。

3.3 组态显示

系统配备就地触摸屏和远程工控机双上位机，具有动态显示、报警功能、存储查询等功能。组态画面见图3。

如图4所示，井下配备的触摸屏与地面监控站均可实时显示主排水系统运行的模拟图、运行参数图表、故障信息等，以便当班人员分析，及时发现问题，排除故障隐患。PLC 控制器过高速环网与监控主机实时交换数据。

3.4 系统主要特点

系统主要特点包括以下几个方面：实现单水平自动排水和基于动态约束条件的多水平协调优化排水控制，可有效避免大采深矿井多水平排水系统的溢仓现象。实现水泵的均匀耐磨设计，提高运行的安全可靠性。将“避峰就谷”和负载均衡技术嵌入到最优控制算法中，可实现安全生产的目的。采取有效的抗干扰措施，同时在软件上增强系统的抗干扰性，防止因干扰引起的误动作而影响生产。系统数据可通过井下环网上传到地面监控中心。

4 应用效果及效益

相比手动闸阀，使用自动控制的电动闸阀在开关泵过程中泵负载更加线性平稳，取消底阀，采用真空泵和射流喷射泵注引水后，一方面停泵水锤现象得以缓解，避免因水锤力损坏底阀、逆止阀现象。另一方面避免了因底阀损坏造成的漏水故障。矿井排水实现自动控制后，大大降低工人劳动强度，大大缩短水泵空转做无用功时间。拆除底阀后将增大水泵排水量，提升效率10%以上。

5 结 论

“智慧矿山”理念提出后，煤矿排水逐步从自动化到智能化的转变。根据王坡煤矿实际排水需求，设计了一套排水监控系统，将“避峰就谷”和负载均衡技术嵌入到最优控制算法中，在保证安全的前提下，可实现排水成本的最小化。在安全高效完成排水任务的基础上，把系统的用电量尽可能地降到最低。根据信息互通、集中控制的原则，排水控制系统实现地面监测井下环境参数、远程集中控制水泵房机电设备、数据视频联合报警等功能。此技术可被广泛推广应用到矿井主排水系统中，为矿井排水安全提供可靠保障，为企业创造更多的经济效益。