煤矿井下排水自动化研究与应用

煤矿井下排水自动化研究与应用

文章介绍了一种矿井排水节能自动化的研究方案，在此方案下井下离心泵可以根据水位的高低和水位增长速度并联系当时的电价高低进行自动启停。远程控制系统可监测和采集相关参数，轮换使用水泵和管路，达到延长设备使用寿命，节约能源，降低劳动强度的目的。

标签：自动控制；矿井排水；远程控制

煤是最重要的能源之一，也是冶金、化学工业的重要原料。中国是全世界最大的煤消耗国，每年消耗量占全球消耗量35%。煤的开采是一项最艰苦的工作，开采方式有矿井开采和露天开采，中国可露天开采的储量仅占总储量的7.5%，矿井开采是中国主要采煤方式。长期以来，矿井采煤一直受矿井涌水的威胁，人工控制水泵排水效率低，可靠性差，容易造成频繁启停水泵，使水泵磨损加重，另外煤矿用电有低价时间段和高价时间段之分，但是一般矿井在排水时往往不分时间段，水位到高水位时，水泵开启，水位降到低水位时，水泵停止，这样造成了煤矿要负担高额的用电费用。所以，要采取一种节能型的自动排水控制系统来控制水泵的运行。

1 排水系统的功能

1.1 水泵实现自动控制

井下排水泵房通常都需要工人日夜值守观察水位变化来决定水泵的开启和停止。本系统最基本的功能就是实现水泵的自动排水控制，即自动控制水泵的启停，达到井下泵房无人值守的目标。

1.2 监测和采集相关工作参数

本系统应能监测和采集水泵工作时的排水管路流量、水泵压力、真空度、电机电压和电流、电机温度、轴温，同时还必须能监测水仓水位的变化。

1.3 报警功能

系统具备多种报警功能。应能对监测的数据（电压过低、电流过大、流量不足、轴温过高等）超限时进行声光报警，以报告给工作人员及时解决问题。

1.4 保护功能

系统会采集每个水泵的运行时间，同时会根据每个水泵的运行时间对水泵实行轮换工作制，以防止有的水泵一直在用而有的水泵一直不用这种情况发生，尽量做到每台水泵的运行时间大致相等。还有排水管路也应如此，因为一般的矿井都会铺设两条以上的管路，管路也应轮换使用。

2 排水系统的组成

系统主要由操作员站、历史站、最大电力监测分站以及水泵自动控制分站等组成，见图1。

操作员站主要完成最大电力分站向水泵控制分站参数的传递，同时也是人机交互的核心，完成数据的图形、报表展示，担负着系统运行监测和维护、报警以及命令执行等任务。经过授权的操作员可以实时监测整个排水系统的运行状况，以及各种数据的统计和分析，并可以向水泵控制分站发送命令，以半自动的方式直接控制水泵的运行。

历史站主要完成历史数据的保存、维护、查询以及WEB的发布。历史站能够展现任意时段的各个水泵、电机、水位、最大电力等历史参数，生成各种历史报表和生产统计报表。

最大电力分站主要完成全矿最大电力采集工作。最大电力也称最大需量，是供电部门核收电费的重要依据，一般每5分钟计算一次5分钟的平均负荷，一个月内最大值作为收费依据之一，本分站通过采集地面变电所主变的负荷，计算每5分钟的最大电力，步长为一分钟，作为水泵启动参数之一。

3 系统主要工作内容

3.1 水仓水位的自动监测

水泵的开停是由监测到的水仓水位信息和水位上升速度决定的。水位传感器的可靠性和精确性直接影响着整个控制系统的可靠性。将水位分为超低水位、低水位、高水位、超高水位四个水位分界线。当监测到水位线到达低水位时，若此时处于低计费时段则开启一台水泵进行排水，直到排到超低水位水泵停止。若处于高计费阶段，则可以暂时不启动水泵，等水位涨至高水位时则开启一台水泵进行排水，若水位继续上升的话，则要开启第二台水泵进行排水，如果水位还是不能下降那就要开启全部水泵进行排水，确保矿井的安全。

3.2 水泵自动启动

离心式水泵只有在完全注满水的情况下才能正常启动，即水泵启动前必须进行抽真空，这就需要在启动前将吸水管和泵腔内注满水以把其中的空气排出去，否则会进行空转，没有办法把水仓里的水吸上来，形成“干烧”，此种情况会严重缩短水泵的使用寿命。一般使用射流泵或真空泵来进行抽真空工作，它们的抽真空方式不同，但都可以达到所需的要求，使泵正常启动。射流泵结构简单、维护方便、占地少等优点，所以本系统采用射流泵进行抽真空工作。为了减小水泵启动功率，一定要关闭出水闸阀后启动，水泵停止时，为了避免水锤的发生，应先关闭出水闸阀，以减缓管道中的水下降的速度。

3.3 自我保护功能

整个排水设备自动控制系统担负着井下不受水灾的重要使命，因此要具有很高的安全性和可靠性。

3.3.1 供电保护。井下离心泵电机容量大，耗电量高，属于一级供电负荷。一级供电负荷应由双电源供电，并且两个电源间无联系。

3.3.2 超温保护。电机功率比较大，在运行时会产生很大的热量，如果工作一段时间致使电机轴温过高并持续很长时间的话，容易损毁电机，所以当监测到温度超过预设温度时应停止该电机，启动其他电机。

3.3.3 流量、压力保护。在水泵开启后或运行中，如果流量或压力达不到正常值，则通过流量、压力保护控制使本台水泵停止，然后开启下一台水泵继续排水。

3.3.4 漏水保护。每台泵都装有真空度压力表，如在规定的注水时间内系统仍为收到真空度达到规定值的信号，则要停止开启本台水泵，改为开启下台水泵，同时发出故障报警。

3.4 监测和采集系统参数

系统会时刻监测排水时各工作参数并采集记录形成历史数据供工作人员调用。同时也为水泵“轮换工作制”提供数据依据。系统根据水泵的开启时间自动按一定顺序轮换开启水泵，当某台或者其所属阀门等故障或检修时，该泵推出轮换，其余水泵扔按轮换工作制运行。4 系统控制方式

通过监测部分监测控制参数（水仓液位、流量等）和各泵的状态参数，送至控制器中（PLC），并完成全部的控制。系统实现下面三种控制方式：

4.1 就地控制也可称为手动控制。主要是为对各工作部件进行维护时使用，完全由人工来控制开启各闸阀，电机等。此时，为了保证维护工人安全同时也为了防止他人对设备进行误操作，远程控制上位机只能对整个系统进行监测。

4.2 半自动控制半自动控制可以由操作人员决定开哪一台泵和开几台泵，但只需通过远程操作的开关按钮来实现，水泵的启动相关工作还是由PLC来控制。

4.3 全自动控制投入全自动运行的离心泵通过PLC远程操作，水泵将按水仓水位等参数自动启停。全自动控制根据省电原则采取“避峰就谷”的控制方式，按照煤矿电价高低将一天分为谷段和峰段，尽量避免峰段抽水。还可以引入特殊时期、水位结合控制方式，以保证水仓内水位在谷段结束前降到最低，为峰段蓄水做准备。如果检测到水位升高过快的话要进行提前控制（提前开启多台水泵）避免发生事故，同时发出报警。