浅谈常村煤矿 N3临时水仓自动化的实现

浅谈常村煤矿 N3临时水仓自动化的实现
马新占
【摘要】针对常村煤矿N3临时水仓现在排水系统所面临的局限性，提供了一种基于PLC实现自动化的设计方案，能够实时监测临时水仓水位、各管路流量等参数，根据参数确定各台水泵的启停顺序，具有自动和手动切换等功能，避免了人工操作的不安全性和不可靠性，提高了排水系统的自动化水平和排水效率。

【期刊名称】《煤》
【年(卷),期】2013(000)009
【总页数】3页(P43-44,47)
【关键词】井下水仓;PLC监控;排水系统
【作者】马新占
【作者单位】潞安环能股份公司常村煤矿,山西长治,046102
【正文语种】中文
【中图分类】TD636
N3临时水仓是常村煤矿N3采区排水系统的重要组成部分，N3临时水仓位于N3采区的西面，因N3水仓不能满足采区排水要求而设计建设，主要承担着N3采区西面的排水任务，毗邻N3－1、N3－2、N3－3等3个主要工作面，这三个工作面所有巷道的积水均经过排水管路流入N3临时水仓，再由N3水仓排至520大巷水渠最终流至中央水仓，一旦临时水仓发生故障，将导致上述三个工作面被淹，甚至给整个N3采区的生产带来安全隐患。

1.1 N3临时水仓的现状
N3临时水仓分为1号仓和2号仓，每个水仓均安设有2台水泵，一用一备。

在来水量较小的情况下所有来水均排至2号仓，在来水量较大或者2号水仓淤泥堆积
需要清仓的情况下才启用1号水仓。

N3临时水仓没有设立排水系统的监控系统，完全靠水仓值班人员巡查和经验来决定投入水泵的数量，随着监控系统发展以及煤矿生产科技含量的提升，现有人工管理的方法暴露出一些问题，急需引入现代化设备对其进行优化。

1.2 现有排水系统的不足
1)效率低下且可靠性差。

水仓中每台水泵的启用必须由人工进行控制。

水仓水位、进水管流量、排水管流量等参数均凭借经验进行判断，严重时人工操作失误可能会损坏机电设备，造成安全隐患。

2)劳动强度大，工作时间长。

N3水仓主排水管路的阀门往往需要两个人进行操作，而且必须24 h在临时水仓值班，不间断地对机电设备、2个水仓完好情况、来水
量等情况进行巡检。

3)不能进行实时检测，缺乏预警系统。

排水系统各关键部位靠人工巡查进行排除，巡查一个周期需40min左右，如果在40min中发生异常情况，只有在下次巡查到本设备时才能发现问题，致使故障不能及时反馈处理，从而影响排水。

2.1 监测监控系统的选择
目前，排水系统自动化的实现主要有两种监控系统，一种是基于单片机形成的监测监控系统，一种是基于可编程控制器(PLC)形成的监测监控系统。

特别是PLC的高速发展及其体现出的各种工业优势，越来越受到使用者的青睐。

下面对两种监测监控系统作简要的分析比较［1］。

2.1.1 基于单片机技术的监控系统
优点:制作成本低廉，价格相对便宜。

缺点:①无法实现现场编程，需事先设定好程序，需要对系统进行调试时必须将其
带上井进行程序安装调试;②单片机运行速度慢，数据处理能力有限，在I/O点数
较多时产生错误率较高，且无法扩展;③与全矿井综合自动化联网受到一定限制，
必须有特定的接口方式和协议，实现信息传输困难。

2.1.2 基于可编程控制器(PLC)的监控系统
此种方式目前应用比较广泛，基本上采用PLC +防爆外壳组成核心控制装置。

优点:①现场可编程，可以根据不同的控制对象灵活编程;②产品货源丰富，可以选
择各种不同的PLC产品;③逻辑控制能力强，可满足不同的控制对象;④组网方便，选择不同的通讯模块可组成各种网络结构。

缺点:①PLC不具备本安性能，需加装隔爆外壳，因而结构比较笨重、操作和显示
部分简单;②PLC不具备本安性能，在采集水位、压力等模拟量信号时，需解决与
传感器间的安全隔离问题。

虽然PLC不具有隔爆的特征，成本较高，但基于井下排水对于矿井生产的重要影响，该设计方案采用基于可编程控制器(PLC)的监控系统来实现排水系统的自动化。

通过对其安装防爆箱、在喇叭嘴上安装堵片、密封圈等简单措施后就可以使以
PLC为核心的控制系统达到防爆要求。

2.2 系统自动化要求
1)实现两种启动方式:手动和自动，保证井下排水系统的安全可靠，自动系统出现
异常时，可以手动实现水泵的启停。

2)依据来水大小判断是否启用1号水仓，水量特别大时同时启用两个水仓中的4
台水泵。

3)正常排水过程中实现2台水泵的定时切换，从而提高水泵利用率，降低成本，
实现节能增效。

2.3 具体设计方案
N3临时水仓的1号和2号水仓安装2台卧泵，水泵出水口分别由D152mm水管接至主排水管路，在两个水仓各安装超声波液位计1台，水仓的进水管路和排水
管路均安装电动球阀，流量计，电机轴安装温度计监测电机温度，所有数据均统一通过模块传送至西门子PLC(S－200)，N3采区正常来水情况下所有来水均排至2号水仓，正常情况下1台水泵即能满足排水要求。

N3临时水仓示意见图1，N3
临时水仓控制系统示意见图2。

图中:B11、B12分别为1号水仓的主、备水泵;m11、Q11和M12、Q12分别对
应排水管路上的阀门和流量计。

B21、B22分别为2号水仓的主、备水泵;M21、Q21和M22、Q22分别对应主、备排水管路上的阀门和流量计。

1)来水正常情况下1号水仓进水阀M10处于关闭状态，2号水仓进水阀门M20
处于常开状态，即2号水仓承担排水任务。

2)PLC实时对2号水仓液位测量仪信号W 02进行检测，并实时与低水位设定值
D进行比较，来判断是否启用水泵。

如果水位上升至低水位，即W02＞D时，PLC立即发出信号打开阀门M21并同时启动水泵B21进行排水。

3)2 号水仓主水泵B21排水过程中，如果来水量小于排水量，水仓水位会逐渐降低。

为了避免，水位降低时就立刻停止水泵，水位升高时水泵又重新启动。

设置只有水位降至静止水位即W02＜J时，才停止主水泵B21，同时关闭阀门M21，从而避免了水泵的频繁启动，延长水泵使用寿命。

4)单水泵排水过程中电机的定时切换:如果水位长时间介于H与D之间，则说明主水泵B21处于长期工作状态，为了避免单水泵运行时间过长而影响水泵使用寿命，PLC会对主水泵B21工作时间进行计时，如果工作时间大于设定值，则会进行水
泵切换，即由主水泵M21排水切换至备用水泵B22排水，PLC也会对备用水泵
B22运行时间进行计时，如果超过设定值，同样会切换到主水泵B21排水。

保证
了设备的轮替工作，可以延长设备的使用寿命。

5)备用水泵B22的启停条件:2号水仓主水泵B21排水过程中，如果来水量大于排水量，则水仓水位会继续升高，若水位继续升至高水位，即W02＞H时，立即开
启2号水仓备用水泵B22及排水球阀M22进行排水，如果来水量小于排水量则
水位会逐渐降低，同样为了避免备用水泵B22的频繁启动，只有当水位降至D时才关闭备用水泵B22，把排水任务交至B21。

6)在2台水泵B21和B22同时工作过程中，PLC会不间断地读取三个流量计(Q20、Q21、Q22)的读数，如果进水量大于排水量即Q20＞Q21+Q22时，PLC会判定是采区突然来水增大，PLC会发出信号立即打开1号水仓进水阀M10，采区污水同时排入两个水仓，开始启用1号水仓进行排水。

7)1 号水仓各台水泵的启动原理与2号水仓各台水泵的启动原理相同，若水位上升至报警水位时，立即启动语音报警信号，N3采区西面作业人员必须立即撤人。

8)如果1号水仓长时间不被启用，则PLC会对1号水仓的2台水泵静止时间进行
累计，如果超过设定值，则分别在不同时间开启2台水泵空转一定时间，以防止
水泵处于长时间静置状态，而锈蚀设备。

9)检修水泵时，作业人员必须把相应水泵打到检修状态即该水泵进入检修状态，防止水泵自动启动和他人误启动。

10)水仓一般要在雨季前进行清仓，在清仓过程中，必须把相应水仓的水泵均调至
检修状态，防止水泵自动启动。

【相关文献】
［1］谭一川.煤矿工业水泵自动化监控系统研究与应用［D］.重庆:重庆大学，2009:26.。