煤矿井下自动排水装置设计

煤矿井下自动排水装置设计
摘要：随着煤矿事业的快速发展，煤矿开采水平不断提高，面对复杂的井下环
境做好防排水工作至关重要。

新时期自动化技术在煤矿井下排水中的应用价值得
到重要体现，其主要以自动排水装置为依托实现了井下排水作业的自动化管理。

文章以此为基础对煤矿井下自动排水装置设计展开探讨。

关键词：井下排水；排水装置；装置设计；自动排水
引言
随着我国煤矿开采力度不断加大，井下巷道涌水、积水问题愈发严重。

目前
井下巷道排水仍存在积水点广泛、距离远并且靠人工操作水泵的方式进行启停，
而传统PLC控制监测系统过于庞大且价格高并在数据处理与控制操作不方便，难
以应对煤矿积水广泛的特点，这一状况难以应对煤矿的自动化和现代化的高速发
展需求。

1煤矿井下自动排水装置概述
煤矿井下主排水系统装置是每个矿井不可缺少的单元,现水泵开停仍采用人工
完成,不能实现根据水位或其它参数远程监控开停水泵,更无实时数据的监测与管理。

为保证安全排水,实现节省人员与节电,主排水系统有必要实行集中控制,即自
动化改造实现无人值守。

在地面加装监测监控中心,建设远程控制水泵操作流程图。

当矿井监测监控系统监测到水仓蓄水在高水位时,需要启动水泵抽水时,地面操作
人员及时启动水泵。

当水仓蓄水在低水位时,一是调度值班人员及时停止水泵,二
是水仓吸水井中安设浮球下浮,断开启动器控制回路停止水泵。

在地面监控中心就
可知道水仓蓄水情况,随时可启动水泵抽水,无需派人工专门抽水。

此套控制装置
和监测监控系统投入安装复杂但便于人员操作和维护,对于安全管理和人员运行更
加稳定可靠。

在煤矿机运岗位人员不断减员的情况下,利用监测监控系统控制水泵,具有节约人工,安装容易,操作简单,应用效果良好,值得推广。

2现有排水控制系统的研究状况及存在问题
随着国家研发能力的逐渐增强，为进一步解决矿井中排水问题，国家相关学
者及研究机构也加大了对矿井排水系统的相关设计及优化升级设计，主要包括：
排水泵的更换、排水系统控制的改进、排水巷道的合理布局、其他排水设备的改
造等，并将当下更加先进的控制技术应用到排水系统中，如：神经网络技术、模
糊算法等，通过这次硬件的优化与软件算法的改进，达到矿井排水系统的最优控
制的目的。

但矿井排水控制系统在实际应用中仍存在理论与实际无法有效匹配的
应用问题，以木瓜煤矿中的排水系统存在问题为例进行分析，主要体现在如下几
个方面:第一，排水系统中的设备无法最大效率、最大功率地运转，部分设备处于
静置或闲置状态，未实现设备的充分利用；第二，排水系统中的排水设备，如排
水泵、阀等，大部分仍采用手动方式进行控制，暂未实现设备的远程及自动化控制，即使部分设备实现了自动化控制，但在使用中仍存在系统运行不稳定、信号
响应速度慢、信息易误报等问题；第三，现有的排水控制系统对信号的采集种类
相对较少，显示界面的功能也相当单一，控制中心的运行速度相对缓慢，部分信
号仍需采用现场收集仪表信息，再输入至上机位控制软件中进行信息分析处理，
造成了整个排水控制系统的自动化、远程化控制功能未得到有效实现。

3煤矿井下自动排水装置设计分析
3.1合理设计井下排水控制系统结构
煤矿井下排水系统基于计算机技术、智能控制技术、无线电通讯技术等技术
设计而成,排水系统设计为三级,具体包括井下、地面以及远程监控系统三部分组成。

井下监控系统主要由三部分组成:控制站、传感器和无线电台,井下监控系统负责水位监控,将监测信息传输给控制器,控制将采集信息通过无线电台传输到地面,此外控制系统也监控泵组电机电流等信息,避免电机超载运行。

地面监控系统由交换机、无线收发模块和监控中心组成,负责数据处理和对井下排水系统控制。

远程监控中心主要数据处理和储存功能、并建立数据库,生成信息报表等。

3.2PLC控制器的匹配设计
PLC控制器是整个排水系统的控制核心，故结合排水系统的工作特点，选用了欧姆龙公司生产的CJ1系列PLC控制器，其结构包括模拟量输入/输出模块、数字量输入/输出模块、开关量输入/输出模块、通讯模块、CPU模块。

其中，模拟量输入模块采用了24V电源设计，可直接通过CPU中的电压进行供电，且在其模块上设置了多个输入点，主要用于接收排水系统中的液位信号、温度信号、水泵信号、流量信号、负压信号等，并以电流形式进行信号输入；而开关量输入模块选用了IA201模块，其输入电压为AC100～120V，电流为12mA，并设置了32个点数，主要用于接收真空泵的开关信号、液位开关信号、闸阀开关信号、球阀到位信号等，同时，其内部的滤波电路，可对外部干扰信号进行有效隔离。

整个PLC控制器具有较高的控制性能，能较好地满足井下排水系统的有效控制，保证井下作业环境的安全。

3.3主控硬件结构设计
通过采用微机控制与计算机技术对井下排水系统数据的实时监测与采集，并将其数据传输至中央控制单元，整个井下控制器主要由数字输入模块、模拟量输入模块、主控单元、通信单元、按键模块、显示模块以及输出单元构成。

主控制器在分析排水过程的数据参数进行自动监测、多台水泵的自动控制与切换、报警等功能；模拟量输入模块与数字量输入模块与各类型传感器相配合，不断采集水仓、电压电流、水泵运行状态等变化情况，将其传输给主控单元进行处理，信息采集的准确性为整个系统可靠运行的关键；本系统通过设计显示电路与通信子系统完成地面监测中心和井下操作人员实时对水位、水压、排水流量、电机状态等参数的显示管理，同时通过井下以太网技术使得这些信息可以通过交换机连接井下与井上地面监测中心，实现井上和井下的命令上传下达的可靠性与及时性，保证系统稳定运行。

3.4自动排水系统软件结构设计
软件结构设计采用模块化,主要由一个主控制程序及若干个子控制程序构成。

主控制程序根据运行环境选择调用子控制程序。

具体的控制运行模式有:第一，检修模式。

该模式主要用于对控制系统及相关排水设备等进行检修,主要功能包括控制设备启停,检修人员可以就地实现对水泵房水泵控制。

当需要对某一台水泵进行检修时,主控制程序根据输入指令调用相关子程序,维修人员就可以通过控制箱进行相关操作,控制有关指令输出。

第二，全自动控制模式。

主控制程序在每一个循环执行周期都会调用全自动控制子程序,根据监测到的水位信息控制水泵运行。

在控制模块中内置智能逻辑运算,根据水仓水位以及水泵运行状态,智能决定水泵运行,降低能耗以及设备磨损。

在全自动控制模式下可以对水位变化率进行识别,当发现水仓水位发生较大变化时,能够提前控制水泵运行,做到主动预防。

控制系统对水泵累计运行时间以及运行状态进行记录,合理选择主水泵以及备用水泵,提升水泵的使用时限,降低设备磨耗。

第三，半自动控制。

该种控制方式是水泵自动排水系统的基本控制方式,在该种模式下,井下作业人员可以单独对某台水泵的运行
进行控制,同时该水泵也可以根据传感器监测到的水仓水位信息自动运行,从而确
保井下水仓水位标高。

3.5适应性改进管理系统
尽管排水系统自动化程度越来越高,逐渐走向自动化、信息化和远程控制,更
需要先进的管理模式进行管理,才能发挥自动设备的作用。

将传统的管理模式改成
扁平管理模式,将每个人发现的问题直接向上级汇报,防止出现信息逐层传递中产
生的人为误差。

建立专业的技术团队,由于自动化和信息化排水系统的应用,传统
体力为主的作业模式改为以检测维护为主的劳作方式,但是这些工作任务需要专业
知识作为基础,因此必须引进专业技术队伍,并对在岗操作者进行在职教育,提升其
专业素质技能,以适应新系统的应用和发展。

3.6控制系统各类传感器的设计
虽整个排水控制系统是排水系统的分系统，但其系统结构也相对复杂，需设
计多种传感器来完成井下不同参数的信号采集与检测。

故结构排水控制系统的功
能特点，配备了流量检测器、压力传感器、温度传感器、液位传感器等，以分别
实现对排水系统中不同信号参数的检测。

其中，流量检测采用了西门子的
MAG3100型，主要用于检测排水管道中的水流量情况，该元件可检测0.3～
20m/s范围内的流速，具有较强的抗干扰性及稳定性。

温度传感器选用了ZN17-BKGWD型，主要用于检测井下水泵电机的工作温度，以保证设备的安全运行；
该设备中配备了pt100的铂热电阻，具有较高的防爆性能。

而液位传感器则采用
了SITRANS型超声波液位计，其检测频率为50～60Hz，可完成对井下水位的检测。

另外，压力传感器则采用了GYD60型号，主要用于检测出水管道处的压力大小，
其工作电压为24VDC，可准确地检测进水管和排水管处的压力变化。

由此，完成
了排水控制系统中关键检测设备的匹配选型。

3.7远程控制设计
第一，向井下控制器发出控制命令,以实现井下水泵的远程控制达到远程智能
控制和就地手动控制效果,便于运行参数的修改或设定。

第二，通过光缆可将各排
水装置运行信息传输至地面控制中心主机进行数据分析,实现水仓的自动化排水监
测及报警。

并进行水泵温度、排水管流量等参数.监视水泵工作状态,直观、形象、实时地反映系统工作状态并能进行控制。

结语
在煤矿生产中,排水系统自动化控制对提升矿井现代化、信息化以及数字化控
制具有重要促进意义,在保障矿井生产安全的同时也提升了矿井工作效率。

井下水
泵房自动化排水系统对设计与利用,不仅实现了井下水泵房的无人值守自动化排水,而且减少了井下巡查人员及操控人员数量,确保了整个排水系统平稳正常运行,提
高了矿井生产安全系数以及矿井经济效益。

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