矿井网络化供排水自动控制系统

马 飞

（轩岗煤电公司刘家梁矿环保部， 山西 轩岗 034114）

地下排水系统[1]承担着地下水排除任务。目前大部分排水系统仍是使用手动操作模式。随着微电子技术和控制理论应用于各行各业，当前工业系统的安全性、可靠性和效率有了很大的改进。随着现代煤炭管理与经营企业的发展，传统方式的排水系统已不能适应发展需求，这促使自动排水系统来保证煤矿开采的安全和效率。自动排水系统是现代工业控制技术的应用，实现了矿井排水的自动检测。当泵在无人操作的情况下，系统可根据具体情况制订最佳运营方案，并实现地面监测和控制。

1 双逻辑控制模式

根据井水位确定泵站的状态是判断操作的最简单的控制模式[2]。由微机控制系统实现，根据水位设置和逻辑操作后果，双逻辑控制系统将获取泵的运行状态。

如图1 所示，泵房位于a 层和b 层之间，泵随着水位的变化自动打开和停止，当水位高于a 点时，排水泵启动；当水位低于b 点时，泵停止工作。因此，应设置水位开关在逻辑控制系统的相应级别。当水位高于规定值时，水通电合闸，水位逻辑值a、b 均为1；当水位低于规定值时，开关通电切断，水位逻辑值a、b均为0。从工作过程来看，它是一个逻辑系统可以通过控制器的输入来记忆变量或输出设备。变量为水位开关Ka 和Kb；而另一个代表水泵当前状态的变量是Pt-1。根据排列组合可组成8 种情况。根据给定的要

图1 水泵站的双逻辑控制

求，每个组合结果应符合表1 中的关系演算。

表1 变量的逻辑运算

表1 中的序号5 和6，这两种不符合实际情况的逻辑组合属于故障，将不予考虑。因此建立逻辑运算，并遵循以下步骤[3]：

基于双逻辑控制原理，设计了双逻辑电路控制自动排水系统，如图2 所示。

图2 双控电路原理

2 监测系统的组成和功能

在实际工作中，根据各种运行参数的控制方法[4]（如进水量、泵状况等）水泵会改变工作状态，排水系统中的现场环境和事故等情况随时会变化，这将使排水系统需要更多的监测功能。PLC 作为控制器，超声波液位传感器监控水位电平，相应的控制电路和控制电路阀门和接触器作为执行件，用于监控泵站控制系统，如下页图3 所示。

图3 监控系统的结构

监控系统可以在自动、半自动和手动三种模式下工作[5]。自动模式表示超声波液位传感器持续工作检测水位的变化，以及根据水位自动开启或关闭泵和阀门。正常情况下，每个泵都可以自动启动在双逻辑控制和“轮班制”。半自动模式意味着手动操作打开或停止水泵，阀门处于打开状态时，是否打开或关闭，由PLC 自动确定。手动模式意味着维护人员可以进行操作泵电机、自动阀或电磁阀的任何开关，消除相互闭锁关系，图4 显示了水泵房内的排水管。

图4 泵壳内的管道

1）自动注水（真空）。仅当泵叶轮完全浸入水中时，泵内真空达到一定程度实现排水。如果真空不足且空气静止存在于泵中，将导致无法抽水和工作机“无水循环加热”等。该系统采用喷射泵抽气，真空计抽气监测真空度和流量，作为真空度和流量的备用监测。它还控制喷射泵的启动和停止通过导管开关（控制阀的静压 10、20、30、40 和 50）。

2）可控阀的操纵为降低启动功率，以下操作程序水泵要求在运行时关闭出口阀启动离心泵。停止泵时，在为了避免水锤事故，首先要关闭阀门逐渐降低到流速直到停止运行抽水机。

3）水位自动监测水位，驱动或停止泵，采集开关量（水位开关）和模拟量。水位达到2 时，启动泵处于电力低计费期；当水位上升到最高点3 时，启动泵处于电力高计费期。如果水位上升到4 时，表明一台水泵不足以排除矿井涌水，启动第二台水泵，配两台水泵在最大排水能力下排水。无论运行多少台泵，水位必须在它们停止排水之前，应低于1。通过超声波液位计以模拟量的形式到PLC 信号，校准由PLC 通过软件进行，分时账单也将由PLC 通过软件进行校准。

4）主控制柜显示屏可以指示水位、水流、泵压力和压力电机、电磁阀和自动阀的工作状态。所有参数和工作状态将传输至地面计算机由PLC 控制。经过分析，得出结论以曲线和报告的形式显示在屏幕上，使管理者在地面上可以做出判断并发送命令。

5）故障的维护。一是流量保护，当泵开始工作或在正常情况下，如果水流不能达到正常值，停止当前泵并启动另一个泵；二是电机故障，PLC 监控电机的故障泵电机，如欠压、过流、短路。通过压力、流量等参数的测量结果反馈给PLC，以便能够分析阀门故障。

6）电动机的自动控制。它是自动排水系统的关键点，由PLC、中间继电器和接触器组成。如果电机长期未使用或存在一些潜在故障，在紧急情况下可能无法投入运行，应采用“轮班工作制”。当一台泵或其附属泵阀门无法工作或正在维修，应更换该泵，其余泵继续循环排水。

3 结论

1）监测系统采用在线监测方式，以达到监测水泵房内的设备运行，以及自诊断功能，在泵房内可实现无人操作。然后它将交换数据通过网络和矿井监控系统进行信息传递。

2）该系统可以实现多种工作模式，正常情况下，它会根据水位自动操作电机；在故障或维护时，系统可在半自动或手动模式下运行操作，即可以“截断”正在进行的操作。

3）可在工作中自动切换，以避免同一台泵工作时间过长，而其他泵处于闲置状态，泵的工作寿命可以大大延长。

4）为了提高电网的质量，矿井监控系统根据电网负荷的峰值以及负荷转移情况确定泵的启动或停止。