西曲煤矿南翼下组煤疏排水系统综合改造

成瑞强

（西山煤电西曲矿，山西 古交 020300）

煤矿多采用人工操作继电器对煤矿井下排水系统进行疏排水控制，人工操作继电器存在实时性差、效率低、人工成本高等一系列不足之处。水泵无法根据实际情况有效运转，严重影响排水系统的排水效率，制约煤矿整体经济效益的提高。随着科学技术的不断进步，涌现出一批高效自动化排水系统，PLC自动控制系统是其中的代表之作。该系统以PLC控制技术为核心，利用工业以太网与上位机系统连接，实时将数据传送到地面生产调度中心，为有效管理井下疏排水工作做出巨大贡献。

1 设计原则

南翼下组煤疏排水系统利用PLC控制技术和工业以太网通讯技术，对水窝排水进行自动化控制，同时达到对水窝的温度、压力、液位及流量等相关参数的运行状态实时显示及远程控制，达到相关数据的实时监测及报警功能。根据液位通过智能开关实现水泵的自动起停控制，并可以通过流量开关控制水泵停止，避免空转造成的设备损坏。系统通过上位机监控系统以影像、数据、文字等方式，简单有效地反映系统工作状态、水窝的温度、压力、液位及流量等参数并通过PLC系统中的通讯模块接入以太网，与监控主机实现数据交换，并对井下水情周期性或实时性作出比对分析记录，以便对水情数据进行综合分析。设备布置如下图1所示。

2 系统组成

该系统通过浮球液位器感应液位高度，并通过液位传感器将当前液位信号转换为标准的电信号，通过A/D转换模块输入信号至PLC控制系统，PLC控制系统通过PID调节器将实际测量液面信号与预设液面信号进行比较和逻辑运算，继而上位机向PLC发出控制信号，实现对水泵的启停和切换控制。同时上位机组态软件可以根据水位上升速率和排水量等检测矿井涌水量，实现水情预警功能。如下图2所示。

图1 煤矿水泵房自动化排水控制系统设备布置

图2 系统组成简图

2.1 PLC控制系统

PLC控制系统用CJI (西门子)作为其中央处理器，通过模块上的PLC主处理模块、以太网单元、拓展I/O模块、模拟信号输出单元、模拟信号输入单元等构成。PLC控制系统的数据采集主要分为两类：模拟量数据和数字量数据，通过PLC进行读取，保证了数据的准确性及响应时间。另外系统设有RS485通信模块，可以和智能供电设备建立连接，达到数据读取及远程控制功能。

2.2 上位机系统

上位机监控系统通过以太网与PLC控制系统进行数据通讯。具有操作控制功能，用来完成温度、压力、液位及流量等相关参数监测和控制，采集并输出各种模拟量和数字量信息，形成各种运行数据报表、疏排水运行趋势曲线、追忆趋势曲线、人员操作记录、历史数据信息及报警保护信息等。为进一步的数据分析优化，提供现场资料支持。

2.3 工业以太网

以太网在设计时，由于其采用载波侦听多路复用冲突检测（CSMA/CD机制），在复杂的工业环境中应用，其可靠性大大降低，从而导致以太网不能使用。工业以太网交换机采用存储转换交换方式，在提高以太网通信速度的同时，减少了通讯过程中不同产品的接口数量及各种通讯协议的转换，提高通用性，降低系统组态的复杂程度，且通道数据响应小于20ms，实时性得到很大提高。通过内置智能报警设计监控网络运行状况，使得在恶劣危险的工业环境中以太网能够可靠稳定的运行。

3 多元化疏排水控制方式

3.1 井下自动控制

控制室控制所有设备，并显示各水泵工作状况和各种故障。综合控制箱与PLC可编程控制箱结合可实现液位自动监控，根据水井的液位及其他因素，合理开停水泵。在正常液位时，各台水泵能自动轮换工作，避免传统模式中工作泵使用频率高造成水泵磨损快，寿命短，而备用泵、检修泵由于长期的闲置造成锈蚀无法使用。出现突出涌水时，系统能够自动投入必要数量的水泵进行疏排水工作。当运行水泵出现故障时，做到及时报警，并自动开启备用水泵。不论起动几台水泵，仅当液位逐渐下降至停机液位后，系统所有运行的水泵同时停止。

PLC控制系统以移峰填谷、均匀磨损、效率优先为原则。根据水泵等设备运行和保养情况、水仓内液位的高度、供电部门所规定的平段、谷段、峰段时的供电价格及井下用电负荷的高、低峰等因素，建立与之相对应的数学模型，然后再依据水泵的设计排水量和煤矿的具体涌水量综合计算出所需的水泵的台数，最后根据建立的实际化数学模型，对疏排水系统的运行进行准确合理的控制。

3.2 远程操控

操作人员可在控制室以及中央泵房调度中心的终端监控触摸板上远程选择控制水泵机组的起停，其余动作仍由PLC自动执行，即PLC完成单台水泵起停、阀门启闭等动作。设备操作人员可在井下PLC控制柜上实现对水泵工作状态、启停情况的监控。操作人员只需在上述触摸板上按下停止键或是启动键，便可通过触摸板直接将操作命令传达到中央处理模块，即CPU。PLC根据上述控制逻辑，可瞬时对水泵进行启动、停止工作。

3.3 井下手动检修模式

井下每台泵组配置一台就地按钮盒，选择此模式的泵组，完全脱离PLC的自动控制，系统不受监测信号控制，需要手动操作水泵电机，相互动作互不闭锁。

3.4 井下操作台一键启动

人工确定开泵台数并选择泵组的启动，电机及其阀门的起停由PLC自动执行，即PLC完成单台水泵起停、阀门启闭等动作。

4 提高煤矿排水系统综合自动化

4.1 智能化

操作模式遵照“井下优先”的原则可以进行自由切换。特殊条件时也可以进行自动切换，例如：当井上与井下通讯光缆中断后，系统自动转为“井下自动”运行模式，将控制权自动交给井下PLC进行控制；当设备运行在远端操作模式或井下PLC自动控制模式的情况下，若PLC发生故障，则系统自动切换为现场手动运行模式。

系统在判断监测终端或中间环节出现异常时，能迅速做出判断并处理。并通过设计“井下优先”、“均匀磨损”、“移峰填谷”、“效率优先”等算法，可实现系统的自动判断并选择。

4.2 高可靠性

依照“安全第一、效率优先”的原则，运行模式的自动切换、机组自动切换及起停、冗余设计、设计系统的故障报警等功能，最大限度地保障系统整体运行。在系统达到最大涌水量或发生透水等紧急情况时，系统做出判断且声光报警，投入所有可运行泵组进行排水，保证井下排水要求。

实时监测每台泵组的运行电流、电压、压力、流量等数据，与设定阈值进行比较，及早发现系统中存在的安全隐患。

5 经济效益

该系统的投入使用，以“自动化减人”的方式，减少出勤人数由3人缩减为1人，后期只需1人进行定期检修及隐患排查。以矿人均应发工资7650元/月计算，每年可节约人力开支183600元；该系统属于一次性设备投入，因其合理的算法，大大延长水泵的使用寿命，较该系统投入前，每年可减少潜水泵BQS-100/100等设备投入52860元。

6 结语

下组煤疏排水系统通过直观地监视和记录工作现场的疏排水情况，及时发现事故苗子，防患于未然，也能为事后分析事故提供第一手图像资料。该疏排水自动控制系统投入使用后，在提升矿井生产效益层面发挥了巨大作用。