煤矿井下水泵房自动化控制系统设计与应用研究杜秀明

煤矿井下水泵房自动化控制系统设计与应用研究杜秀明

杜秀明

（鄂尔多斯市神东工程设计有限公司陕西榆林719315）

摘要：由于矿井生产集约化水平的提升，生产设备工作的可靠与稳定性能必须随之得到提升，同时也需要精准、实时、及时查探设备工作情况的监控。本文将煤炭行业井下水泵控制系统作为参考，基于现场总线、数据库与现代计算机网络的技术，再针对煤炭业的特征来研发以组态监控软件和PLC为基础的矿井水泵自动化控制系统。

关键词：井下水泵房；自动化控制；系统设计；

Abstract：Duetothemineproductionintensificationlevel，reliableandstableworkingperformanceofproductionequipmentmustbeupgradedatthesametimealsoneedaccurate，real-timemonitoring，timelychecktheworkingconditionoftheequipment.Basedonfieldbus，databaseandmoderncomputernetworktechnology，andaccordingtothecharacteristicsofcoalindustry，TodevelopaminepumpautomationcontrolsystembasedonconfigurationmonitoringsoftwareandPLC.

Keywords：welllaunchingpumproom；automationcontrol；systemdesign；

1工程概况

大柳塔煤矿大柳塔井位于陕西省榆林市神木县境内，地处神北矿区的北端，现为神东矿区的中心区大柳塔镇，西以乌兰木伦河为界，与活鸡兔井隔河相望。东以悖牛川，切概沟为界，与石岩塔、赵家梁乡镇煤矿相邻。南以浅3、298号孔连线为界，接大海则井田。北以哈拉沟、35、47、226号孔为界，邻前石畔井田。东西长10.5～13.9km、南北宽9.1～10.5km，总面积126.8km2。

2煤矿井下水泵自动化控制系统原理和组成

2.1煤矿井下水泵自动化控制系统原理

井下水泵的控制系统具有手动控制功能还远远不够，还应该能够完成全自动控制、自动监测等功能，系统内最为重要的部件就是可编程逻辑控制器（PLC），可编程逻辑控制器需要对所有传感器的数据进行收集[1]，如水位、压力、真空度、温度、电压、电流等，通过对收集到的传感器数据进行分析然后根据分析结果下达水泵自动运停的命令，24h不间断自动监测水泵的实时状态。可编程逻辑控制器还会受到自动化控制系统显示控制台发出的与开关量有关的指令，对继电器开停对水泵和有关设施开机、停机等进行控制。依靠以太网把详细状态信息传输到监控中心，这样一来监控中心的处理器就能够实时监测与调控井下设施。

2.2系统组成

2.2.1离心泵主要具有四个特点，第一个是它的结构简单，第二个是相比于其它水泵它的体积小重量也不大，第三个特点是它的日常维护简便，第四个是由于使用简单没有上手难度。除了上述四个特点以外离心泵还有扬水高度较高，能够在各种不同的情况下方便使用等特点[2]。

离心泵的组成非常简单，四个部分构成了主体，分别是泵壳、叶轮、轴承、支架。离心泵依靠离心力完成排水工作，详细工作情况：首先在离心泵运作前必须排出泵腔内的空气，开始工作后通过叶轮的高速旋转产生离心力将水运送至叶轮边缘再流入泵壳。水流随着泵壳内流道的增大而减速，动能降低，一小部分动能通过能量转变为静压能。然后通过水压流入排水管，最后水就输送到了目的地。水会一直被吸入泵腔的原因是水进行离心运动使得局部变成真空，通过大气压力来把水送进泵腔[3]。叶轮在电动机驱动下一直以快速旋转进而保持离心力，这样一来就能将流体持续不断的输送到目的地。

图1主排水泵自动控制系统网络结构图

2.2.2系统采集的监控信号

（1）开关量输入信号。这一信号主要是对水泵的开关进行控制，如果出现任何故障状态可以实现远程监控。而且每一个阀门的开关状态都可以通过相关的指令来完成，相关的检修指令是相对比较重要的构成部分，还可以实现控制指令，检修指令，对液位的报警情况进行控制[4]。（2）开关量输出信号。输出信号主要是对水泵电机的启动和停止来进行控制，不仅可以对电动闸阀的开关进行控制，还可以对真空信号进行监控。可见，输出信号也是不可缺少的信号类型之一。（3）模拟量输入信号。从这一类型的信号可以看出，水仓水位、水泵抽水真空度负压等。另外，对于电机的轴承、温度以及排水的流量等都可以进行监控。

2.2.3系统的基本特点

从这一系统来看，其基本的特点主要表现为以下几个方面的内容：第一，要选择性能较高的可编程逻辑控制器来进行控制，然后借助以太网的通讯模块来对数据进行高效地处理。这种方式的实时性比较突出，而且数据处理工作也比较快。第二，可以检测到水仓中其他工况的设置情况，还可以促进水泵管路的分布更加均匀。减少故障的出现频率。第三，在整个系统中具有各种不同的可靠性措施，可以采取的维护量比较少，达到无人值守的目的。第四，可扩展性比较强，可以随时根据系统运行的需要在增加节点数量[5]。

3煤矿井下水泵房自动控制系统的功能

3.1通讯功能

自动化控制系统是利用以太网的通讯模块以及光纤网和以太网交换机网络设备进行，便于获得煤矿井下中央水泵房的运行参数，包括状态数据和故障信息等内容。管理人员仅仅需要登录相应的浏览器便可以进入用户界面查看水泵房的实时运行数据，根据设备的具体情况制定出详细的计划，为实现无人值守且安全运行的控制奠定了基础。

3.2液位控制

液位传感器是液位控制的关键，主要的作用是对水池液位达到实时检测。当液位处于高等级时，一般都是以自动轮换规则作为启动水泵的依据。如果液位一直往高处走，应当增加水泵的启动数量。如果液位一直持续低液位的时候，必须立即将所有的泵停止。在水仓水位保护装置中设置两套合适的液位计作为备用，可以方便监视水仓壁上的刻度，一般是通过摄像机进行监视。

3.3峰谷电价时段控制

自动化控制系统的电网负荷部门以及供电部门都有具体的规定，规定一般是针对平段、谷段以及峰段时段的电价。通常如果水位不高时，应当按照避峰添谷的原则操作水泵的启停时间，保证提高电网信息的利用效率，同时可以实现高质量的矿井电网运行。

3.4真空泵抽真空控制

水泵的叶轮如果被水完全淹没时，泵体内部便处于真空状态，达到要求的真空度，使排水功能发挥正常。泵体内有空气的存在，就会不上水，严重时还会发生汽蚀。因此自动化控制系统必须要采用真空泵、真空表、控制器等器件使水泵内部只有真空，没有空气。

3.5自动轮换工作的实现

由于煤矿井下中央水泵房经过了长时间的使用会发生磨损，但是一些长期不用的水泵也会发生磨损和使用故障。因此为了保证煤矿井下水泵房自动化控制系统的运作效率，应当采用轮换使用泵的方法保证系统的性能。自动化控制系统的另一个优点就是可以自行记录每一次的运行数据，为管理人员安排泵的使用表提供准确的数据。

3.6运行参数和趋势图的实时监测

自动化控制系统能够达到实时检测水仓液位排水流量以及不同的水泵运行状态。监测时需要通过在现场以及地面这两个地方以及其他地方的局域网进行连接，以方便计算机上面显示出需要的数据。总之需要利用好计算机和局域网，建立起一个有机联系的整体。

3.7故障报警以及历史记录的建立

设备出现故障时通过发语音或者闪烁指示灯的方式向管理人员报警。这样管理人员可以及时作出排查故障的措施。此外控制室内部的显示设备上面的数据都可以为判断故障的发生原因提供有利的条件。

3.8闸阀和电机的联锁控制

启动功率是泵的自动化控制一个很关键的内容。在实践中要减少泵的启动功率，这就需要在水闸阀关闭之后进行泵的启动。如果要停止水泵，则可能要发生水锤效应，因此为了减少水锤效应发生对系统的影响，同样需要关闭水闸阀，尽量降低流速，然后慢慢停泵。

4矿井中央泵房设计

4.1设备的选型和相关设计

我们都知道对于矿井中央泵房的设计来说，相关排水设备的选择是极为重要的一个方面，只有恰当的选择相关的设备才能够在较大程度上保障排水效果。在整个排水系统构建中，因为排水泵往往是多台的，因此，在这些水泵和排水管路的连接中就应该保障每一台排水泵都能和所有的排水管路相连接，进而提升其排水效果，而如果是单台水泵仅仅连接一条排水管路的话，就很容易出现因为管路的损坏而导致水泵无法发挥作用这一问题的呈现，并且这种水泵和排水管路的设计模式还能够在较大程度上提升其后期检修过程的效率和水平，避免因为检修而导致排水系统无法发挥正常的作用。

4.2煤矿井下水泵房自动控制系统的视频监控系统设计

4.2.1防爆摄像机和视频服务器的选择

在煤矿井下水泵房自动化控制系统中使用光端机、CCD组件以及定焦镜头等元件组成的摄像仪，以满足煤矿井下环境的需求。此外视频服务器方面应当选择网络视频服务器，并且最好选择适合的图像压缩技术。这样才会令产生的数字图像发布在计算机网络中，通过相应的系统立即转换成直接的网络视频系统。

4.2.2以太网交换机以及视频监控软件的设计

煤矿井下水泵房自动化控制系统中的以太网交换机可以选择EDS-728。在设计配置端口时，一定要按照相关的标准进行。由于市面上的端口产品比较繁杂，因此在选择端口的时候需要相关技术人员予以把控，以防出现差错。

选择使用softDVRProIP网络视频监控软件，可以实现各种系统之间的无缝整合，提高监视效率，能够及时对发生的故障进行报警和提示。此外这种软件可以在任何浏览器上面访问，可利用性非常高。

4.3自动排水系统设计

煤矿井下水泵房自动排水系统可由多种系统进行控制，当前应用最广的是PLC技术为基础，结合计算机控制技术，以煤矿井下水位参数为数据基础实现对排水系统的智能控制。控制系统包括数据收集系统、设备监控系统、自动保护系统、数据处理系统等部分。从功能上来看主要包括控制部分、监控部分、自动报警等，功能模块由众多设备结合软件组成，某煤矿井下水泵房自动排水系统采用西门子PLC中的S7-300系列。PLC控制前需检查其是否存在故障，若可正常工作则再对设备进行排查，若有故障则需进行故障排除。系统可良好运行后选择操作模式，共有自动、半自动、手动三种模式，在保证系统稳定性基础上选择自动控制模式。正常情况下可选择自动控制，仅需值班人员即可，其他操作部分均可自动完成，且完成效果远好于传统排水系统，真正实现“减员增效”。

在建立水泵房自动排水系统时可保证实现以下内容：（1）系统可自动控制排水过程，并可应对一些自发状况；（2）控制中心设置于地面，通过地面控制中心可对煤矿井下水泵房排水过程进行实时监控，并可调阅各项参数，实现远程控制；（3）可通过地面控制中心对井下工作部分进行实时控制，实现井下无人的远程控制，同时提高了矿井排水安全性。当PLC自动控制系统出现故障时可通过手动操作避免出现安全事故，同时保证煤矿井下水泵房排水过程稳定性；（4）为进一步保证系统运行可靠性，在PLC自动控制和地面远程控制基础上，还应保留现场手动控制功能，同时设定PLC自动控制系统核心部件被损坏情况下的备选方案，保证排水系统运行不中断。

5矿井中央泵房水泵自动化系统设计的要点

首先，必须要重点关注其控制器PLC，切实保障其控制能力能够满足实际需求，而这一目的的实现在很大程度上和相应的编程存在着密切的联系，只有保障编程的准确性才能够提升其控制和操作的效率和水平。

其次，构建水泵自动化系统设计中的网络监控平台，这种网络监控平台的构建对于整个水泵自动化系统的设计来说具备着极强的价值和意义，也是实现其自动化控制的一个重要途径，在具体的网络监控平台构建中，应该重点针对其现场总线及其分系统的构建进行合理高效的设计，保障其监控效果，进而为水泵自动化系统的准确运行提供必要的基础保障。

再次，在具体的水泵自动化控制系统的设计中，还应该充分运用模糊控制理论进行相应的指导和规划，在具体的系统构建中，协调和指导所有功能模块，进而提升其相应的模块处理水平，在此过程中，还可以运用相应的共享数据平台来实现模块间的有效协调，保障自动化控制系统的准确工作。

最后，在具体的设计过程中还应该充分关注节能降耗这一目的，比如可以采取高位排水、躲峰填谷或者是采用冗余热备结构来提升整个水泵自动化系统的节能降耗效果，实现整个水泵自动化控制系统的设计优化。

6矿井中央泵房水泵自动化系统设计的注意事项

6.1加强监控的实时在线特点

对于煤矿井下的泵房水泵自动化系统来说，为了更好地履行煤矿井下泵房水泵的功能，其监控也应该得到相应的优化，尤其是应该针对无人值守监管下的水泵进行全面有效实时的监控，当然，在当前的煤矿井下水泵监控过程中，已经逐步实现了在线实时监控模式，该模式的应用确实能够在较大程度上提升水泵自动化系统运行的准确性，对于其中出现的一些故障能做到及时发现，快速排查，高效治理，最终促使其能够更好地运转。

6.2提升设计中控制的灵活性

对于煤矿井下中央泵房水泵自动化系统的控制来说，灵活性在当前是极为重要的一个要求，只有切实提高其灵活性才能够在较大程度上保障其控制的效果，也才能够更好地促进矿井下中央泵房水泵自动化系统工作的有效性，尤其是在针对相应故障的检修过程中，更能够在较高程度上保障其处理的效率，和以往的手动处理方式相比，提升灵活性之后的水泵自动化系统确实具备着一定的优势。

6.3切实提升水泵的使用寿命

对于整个的煤矿井下中央泵房自动化系统的控制来说，水泵在其中发挥着极为重要的作用和价值，因此，对于具体的水泵自动化设计也应该重点突出水泵的相关关注力度，尤其是要切实提升水泵的使用寿命，在具体的自动化设计中，充分关注对于水泵的保护，尤其是对于具体的排水过程来说，要恰当地选择合理的排水方案和排水技术，进而在较大程度上保障其排水的有效性，尽可能地减少对于水泵的损害，尤其是对于一些强排操作来说，更应该进行密切的关注，尽可能地减少对于水泵的频繁启动或者停止操作，进而达到延长水泵使用寿命的目的。

参考文献：

[1]李剑峰.传感器在煤矿井下排水泵自动控制的应用[J].变频器世界，2016，（11）：98-103+107.

[2]段栓喜.煤矿井下水泵房安装工艺研究[J].科技创新与应用，2016，（31）：146-147.

[3]袁子辰.浅析煤矿井下排水系统节能技术[J].民营科技，2016，（06）：268+272.

[4]刘学成，贾福刚.煤矿井下排水系统的改进与应用[J].电工技术，2016，（04）：68-69.

[5]蔡文征.水泵自动上水装置的研究[J].黑龙江科技信息，2016，（09）：49.