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矿井排水系统设备及控制改造的研究

邵鹏
摘要：井下排水系统是矿山五大系统之一。井下排水系统运行的好坏直接关系到矿山安全生产和经济效益，因此，一套完善、操作方便、经济、实用的控制系统对其进行监测和控制是保障井下排水安全、可靠运行的最佳途径，也是提高矿山管理和自动化水平的有效手段。
关键词：矿井排水，控制系统，改造，PLC
矿山的井下排水系统是矿山生产中的一大重要系统，其安全性及可靠性将直接影响生产的安全和效率。随着安全生产要求的不断提高，对井下排水系统的自动化控制也提出了越来越高的要求。在矿山的建设和生产过程中，各种来源的水不断涌入矿井，这些涌入矿井的水被称为矿水。为了保证井下工作人员的人身安全、设备安全、生产活动的正常进行，必须把矿水及时排送至地面，这是矿井排水设备的主要任务。
某矿是1970年设计1971年投产的的一个老矿井，坚井开采。井口海拔标高115 m ，分五个水平层采矿。井下涌水量较大，全矿24小时正常排水量为140m3/h，雨季24小时最大排水量为280m3/h，主水泵站设在-100m水平。水仓设计一主两副，副水仓设计二座的作用是可以轮换沉淀和清理井下涌水中的泥沙、杂物，保持主水仓的水质。主水仓的有效容积500m3，副水仓有效容积200m3 /座。排水泵选用统一的DA1型离心式水泵三台，扬程246m，流量162m3/h•台。二路排水管道直通地面，一用一备，排水管道直径为150MM。水泵进水采用真空水箱人工注水，取消底阀的方式运行。通过各两条排水管道排至地面。
排水系统目前采用的控制方式是传统的继电器控制方式，设置专人专岗进行就地简单操作，较为落后。水泵开停及选择切换等，依靠两名以上的操作人员凭经验合作完成。作业繁重、生产效率低，水泵的开、停和大量的实时数据不能由地面调度人员及时监测和调控。
一、 自动排水系统的构建
1. 自动排水系统控制原理
排水系统的控制原理是根据排水的工艺来确定的，改造后的排水系统进水端采用无底阀、真空注水桶自动注水排气，水泵出口处配置JD745隔膜式多功能水泵控制阀；主水仓水位信号的采集采用二台液位传感器实时监测；水泵出口处配置压力传感器检测排水压力；电机和水泵运行状态的检测采用电流、温度传感器采集运行状态信号；水泵的排水管道上安装电磁流量计检测管道中的排水流量。PLC控制系统根据水仓液位信号和电网“峰”、“谷”时间段来决定是否启动、停止水泵以及开、停台数；同时控制注水电磁阀的启、闭，并根据电机和水泵的运行状态调控水泵是否退出运行。因此，井下排水系统采用的是直接启动水泵的启动方式。
水泵的启动过程：启动电动阀向泵腔注水—>60秒后电动阀自动关闭—>水泵启动—>出水后多功能控制闸阀根据两端压差自动缓慢打开—>水泵启动完毕。停泵过程：水泵停止—>水泵缓慢停止的过程中多功能控制闸阀根据压差自动关闭。
被控对象：管道上的电动阀和自动注水的电动阀。
2. 控制方案
（1）启动的控制过程
①选择要启动的水泵和管路。
②启动水泵
（2）停泵控制过程
①选择要停的水泵和管路。
②关闭水泵。
（3）应急水泵启动
一旦集控系统失效，水泵就地控制启动，即在组合开关柜体上操作启动和关闭水泵。
（4）水位监控及“避峰就谷”的实现
为满足井下排水的特殊要求及达到“避峰就谷”的目的，在设计程序时，根据当地涌水量的情况，将水仓水位自下向上分为四条水位线，水位2以下为安全水位；水位2到3之间为低警戒水位；水位3到4之间为中等警戒水位；水位4以上为高警戒水位，水位一旦达到水位4，就必须发出报警。水仓水位的变化由两台安装在相同高度的超声波液位传感器进行实时检测并将信号送入控制系统。
要节约电能，就必须要考虑到“避峰就谷”的因素，但是由于井下特殊的工作环境，安全性应该放在最重要的位置。因此，在判断是否应该启动水泵的过程中，应该先考虑到水仓水位的变化，其次才应考虑时间的因素。
① 当水位到达水位2时，若处于平段或谷段，立即启动水泵，若处于峰段，则暂缓启动；
② 当水位上升至水位3时，则不论处于何种计费时段，都必须启动水泵；
③ 若一台水泵运行时水位任然继续上升，则必须启动第二台水泵；
④ 若排水过程中某台泵组因状态异常退出运行，自动开启另外一台水泵；
⑤ 若排水过程中某台泵组因状态异常退出运行，自动开启另外一台水泵；
⑥ 当遇到紧急情况，如矿井大量涌水(水位上升速度过快)，无论电网如何，开启两台工作水泵，同时开启一台备用泵，三台水泵同时排水；
不管几台泵在运行，只有在水位下降到水位1时才能停泵。
（5）轮换工作的实现
因为在本方案的管路设计中，只有一台水泵和两条管路相连，另外两台泵都分别对应一条管路。所以当启动某一台水泵时，只能选择和它相连的另一个条管路。
若某一台水泵在运行中发生故障，则该水泵将自动停止并退出轮换工作，同时，按程序轮换启动其它水泵。
二、 系统方案设计
1. 设备概况
水泵房设备如下：
主排水泵：（现有的）3台DA1型离心式水泵,其中1台为备用泵，电机功率155KW/台。
排水管路：（现有的）直径150管道2路。
2. 系统配置
系统以PLC控制器为核心，模块化设计，现场快速安装，操作维护简单，技术先进，性能可靠，实现水泵房的地面远程监控。矿井综合自动化系统与工业以太网实现数据的接入。
集中控制柜内装有控制器和图形显示操作终端，各就地箱含有远程I/O，远程I/O控制。监测各个水泵管路所属的各个电动阀门和电磁阀阀门的到位状态，每个就地箱备有急停按钮与相关按钮等，负责手动开关阀门；集控柜监测系统各个传感器，检测真空度，电机温度，水仓水位，管道压力，水泵压力等，系统信息的显示和操作在集控柜上的显示终端进行；集控柜通过远程I/O实现对各就地箱的控制；集控柜含有网络接口，可将水泵监控子系统纳入整个矿井监控系统。
系统按执行流程分为检测部分，执行部分，控制部分及显示部分。
检测部分即外围传感器，包括超声水位计、流量传感器、闸门位置行程开关、闸门过转矩行程开关、管路静压传感器、电机温度传感器等，所检测的参数主要有：水仓水位、水泵进水管真空度、水泵出水口压力、水泵轴温、电机温度、电流，排水管流量及设备工作状态等。
执行部分即低压开关柜，主要由隔离开关、接触器、电动机综合保护器组成，是电动阀、电动机的执行和保护部件。
控制部分及显示部分即集中控制柜，主要由可编程控制器、图形显示器、信号变送器、中间继电器组成，主要完成模拟显示水泵的运行工况，对信号的变换、放大，并由CPU运算、判断发出各种控制信号。
3. 系统功能
水泵监控子系统采用超声波水位检测仪实时检测水仓水位，超声波水位检测仪输出信号至控制器，控制器经运算判别，自动启、停水泵。在水仓水位正常时，各台泵根据运行时间数自动轮换工作；在水仓出现危险水位时，自动投入相应台数的水泵运行，并自动控制相应管路上的阀门。系统以水仓水位为主，结合分时计费和“避峰填谷”原则，确定开停水泵时间，从而达到节能、节耗目的。
系统的硬件和软件设计都着眼于高可靠性、高可用性和高扩展性，为实现中央泵房数字化、智能化管理提供可靠的平台，确保矿井水泵房工作的可靠性和连续性。
水泵房自动化监控系统能够和任何通讯设备实现互联互通，整个水泵房自动化监控系统具有强大的兼容性与可扩展能力。
为适应以后发展的需要，系统设计着眼于全矿井的监测监控系统，因此，水泵监控子系统留有多种通讯接口，如以太网络接口，可以把井下水泵房的信息经以太网传输至矿井监控系统主干网络，和全矿井监控系统联网后，管理人员在地面即可掌控井下水泵房监控设备的所有检测数据及工作状态。
4. 控制方式
井下排水系统控制方式分为集中控制和就地控制。集中控制又分为远程控制、自动控制、手动控制和检修。
（1）远程控制是通过上位机对井下排水系统进行集中控制。
（2）自动控制：由超声液位传感器连续检测水仓水位，根据水仓和吸水井的水位及其他因素，合理调度自动开停水泵及其阀门，在正常水位时，各台水泵能自动轮换工作，在危险水位时，自动投入必要数量的水泵运行。此方式下可实现无人值守。
（3）手动控制：操作工人根据水仓显示水位，人工手动开停水泵及确定开泵台数，电机及其阀门的开、停由PLC自动执行，即PLC完成单台水泵抽真空、启泵、开电动阀等自动控制，并完成运行停止。
（4）检修：可操作任一水泵电机，电动闸阀，电磁阀的开关。相互动作互不闭锁。
在上位系统和集控系统都出现故障情况下，则井下排水可通过就地按钮箱手动控制井下排水。具体操作如下：首先可以明确的是水泵可以通过低压开关柜上的按钮进行控制，就地操作要将开关柜的“远/近”控制转换开关转到“就地”，再通过本体上的按钮进行操作。
5. 系统主要特点
该系统能自动控制主排水泵设备的合理运行和参数检测，实时地反映系统工作状态以及水仓水位、电动机定子温度和轴承温度，并能将数据传送到地面生产调度中心。该系统具有运行可靠、操作方便、自动化程度高等特点。
（1）该电控系统采用欧姆龙CP1H作为控制系统的核心设备，提高了系统的可靠性。
（2）该电控系统能实现水泵房运行时无人值守。
（3）该系统能自动控制水泵机组的启动和停止。系统根据采集的水仓水位，在水位高、低限及增长速度过快时报警。
（4）该系统实时采集水泵的流量、出水压力、电动机的轴承温度和定子温度。
（5）在集控室显示屏上实时显示水泵与附属设备的运行状况，显示水仓水位、出水口压力、电动机温度及电流等参数，超限报警，故障画面自动弹出，故障点自动闪烁。
为满足矿井的安全生产，矿井需要建立综合自动化、安全监测、人员定位以及地测信息等子系统作为前端的数据采集、监测和控制系统，以完成对矿井环境、设备和人有效检测与控制。其主要任务是最大限度的利用现代计算机及网络通讯技术加强企业的信息管理，通过对企业拥有的人力、物力、财力、设备、技术等资源的管理，建立正确的数据，加工处理并编制成各种信息资料及时提供给管理人员，以便进行正确的决策，不断提高企业的管理水平和经济效益。
参考文献
[1] 舒斯洁, 吴义顺, 李寿昌. 矿山机械[M], 徐州: 中国矿业大学出版社, 2009.
[2] 王振平. 矿井通风、排水及压风[M], 徐州: 中国矿业大学出版社, 2008.
[3] 陈雄. 矿井灾害防治技术[M], 重庆: 重庆大学出版社, 2009.

-全文完-