斜沟矿排水系统自动化方案改造与功能验证_武小波.pdf

1742023 年第 5 期收稿日期 2022-11-04作者简介 武小波（1991），男，山西神池人，2016 年毕业于中国矿业大学，本科，助理工程师，研究方向：矿山机电。斜沟矿排水系统自动化方案改造与功能验证武小波 赵美丽（1.山西焦煤西山煤电斜沟矿，山西 吕梁 035300；2.山西科达自控股份有限公司，山西 太原 030006）摘 要 为解决斜沟矿井下排水系统监控平台数据采集不及时、控制水平差等问题，从硬件选型和软件设计两方面对排水系统进行自动化改造，实现对排水系统水泵的实时监测。通过对系统功能验证及试运行，结果表明：设计的自动化改造方案符合预期，满足井下自动化排水作业要求，每年设备投资可节约至少 5 万元，达到自动化改造目的。关键词 排水系统；监控平台；自动化改造中图分类号 TD744 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.056Automation Scheme Transformation and Functional Verification of Drainage System in Xiegou MineWu Xiaobo Zhao Meili(1.Shanxi Coking Coal Xishan Coal Electricity Xiegou Mine,Shanxi Lliang 035300;2.Shanxi Keda Automatic Control Co.,Ltd.,Shanxi Taiyuan 030006)Abstract:In order to solve the problems such as untimely data collection and poor control level of the monitoring platform of the underground drainage system in Xiegou Mine,the drainage system is automatically transformed from the hardware and software design to realize the real-time monitoring of the water pump by the system.Through the functional verification and trial operation of the system,the results show that the automation transformation scheme meets the transformation expectations,meets the requirements of underground automation drainage operations,and saves at least 50,000 yuan in equipment investment annually,achieving the purpose of automation transformation.Key words:drainage system;monitoring platform;automation武小波等：斜沟矿排水系统自动化方案改造与功能验证武小波等：斜沟矿排水系统自动化方案改造与功能验证斜沟矿工业场地内各井口附近的洪水位标高往年最高可达主井 1340 mm、副井 1342 mm、回风斜井 1425 mm，现在场地内半坡处新建主井标高 1 345.4 mm、副井标高 1 345.3 mm、回风斜井标高 1 429.1 mm，保证各井口的标高均在附近洪水位标高之上。该采区正常涌水量是 195 m3/h，最大涌水量298 m3/h。在矿井煤层开采过程中出现顶板冒落甚至断裂，打通了各含水层之间的通道，使地表水和冲积层水同时涌入矿井，造成矿井内涌水量增大1。1 排水系统现状目前斜沟矿三盘区4号煤采区的排水系统配置：三台矿用型离心排水泵，型号 MD280-658，额定流量 280 m3/h，总扬程 520 m；搭配一台矿用防爆电机，型号 YB2-4504-4，额定电压 10 kV，最大功率 700 kW；泵房出两趟长 5500 m、垂高 370 m 的D2739 排水管路。铺设排水路线为：4 号煤辅运大巷辅运大巷与回风大巷联巷 4 号煤回风上山 2 号煤回风大巷回风斜井筒西南区副斜井场地污水处理厂。当涌水量正常时，启动一台排水泵和一趟排水管路，系统排水能力约为 280 m3/h；当涌水量最大时，启动两台排水泵和两趟排水管路，系统排水能力最大达到560 m3/h，远超出额定流量。原排水系统不仅设备老化、自动化水平低，而且耗电量巨大，不利于整个供电系统的正常运作。2 排水系统自动化改造方案设计在原排水系统的基础上，对斜沟矿的排水系统进行自动化改造。改造目的主要是为了提升排水系1752023 年第 5 期武小波等：斜沟矿排水系统自动化方案改造与功能验证武小波等：斜沟矿排水系统自动化方案改造与功能验证统的自动控制功能，因此方案设计中包含地面监控中心、远程操作平台。要实现监控以及远程操作，系统的硬件和软件部分都要进行设计变更。选择以倍福控制器及相应的扩展模块作为排水系统的核心控制器，CX8050 CPU 模块来完成逻辑设计2。排水系统自动化改造方案如图 1。图 1 排水系统自动化改造方案地面监控中心能实时监测并反馈井下排水系统的运行状态及故障情况，比如排水系统在正常工作时，监控中心除了监测一些关键参数以外，还可通过图、表、画面的方式将采集到的参数信息进行处理并展现；当系统发生故障时，监控中心可对相应的故障点做出提示并给出具体的解决措施以供参考。井下排水系统监控主站可以看作是一个数据处理节点，主要负责采集排水系统相关数据并以 TCP/IP 模式发送给地面监控中心3-4。排水系统远程操作平台通过指挥中心来控制，有两种模式可供选择，即手动模式设置和自动模式设置。水泵系统总共有3 个，包括排水系统中所有水泵的安装位置以及连接方式。管路铺设方案包括各趟排水管路铺设的方式、方法及位置。2.1 水泵选型结合目前斜沟矿三盘区的水泵库存，根据矿区正常涌水量和最大涌水量可以计算出水泵房最小排水能力。现选用三台矿用卧式离心排水泵，规格型号为 MD280-435，泵的额定流量为 280 m3/h，总扬程为215 m；搭配一台10 kV、315 kW的防爆电机，规格型号为 YB2-4005-4，电机额定转速为 1480 r/min；泵房内布置两趟排水管路，无缝钢管型号为D2737。当涌水量正常时，启动一台排水泵和一趟排水管路，其余排水泵一台备用，一台检修，另一趟排水管路也是备用；当涌水量最大时，启动两台排水泵和两趟排水管路，留一台排水泵做备用或检修即可。2.2 管路设计结合三盘区现状分析，2 号和 4 号采煤区水泵房之间的排水管路长 7400 m，在最大涌水量和地质条件等参数都允许的情况下，对 42煤三盘区排水系统实施改造。4 号煤采区原排水系统出口位置为副斜井污水处理厂，改造后的位置设计在 2 号煤中央水泵房，排水路线设计为由 4 号煤主运大巷 2 号煤南主运大巷 2 号煤中部回风大巷 2 号煤水泵房排水口。具体方案为：整个排水系统有两趟排水管路，均为 7.0 mm 的涂塑无缝钢管，同时配备两台离心泵以及两台防爆电机。当涌水量正常时，让一台排水泵和一趟排水管路工作，另一条排水管路是独立的，作为备用；当涌水量最大时，让两台排水泵和两趟排水管路同时工作。2.3 液位传感器选型液位传感器采用SZ-EA-S2超声波液位传感器，该型号安全可靠、精度高、寿命长、稳定性好且安装维护方便。液位传感器采集到的液位数据可以经485 通信传输至显示表或 DCS 系统，具有较高的实时性和可靠性5。2.4 压力传感器选型采用 GPD60（A）型压力传感器，安装位置设计在排水系统出口处，外形结构为圆柱形，材质是不锈钢，体积小便于安装。压力传感器中的敏感元件采用的是溅射薄膜，与电子线路集成，输出正常电流信号为 420 mA，可直接用矿用电缆信号引出，且远距离传输时功率耗能低、迟滞误差小、可重复使用。该压力传感器的精度高、稳定性好、抗振动以及抗冲击性强、耐腐蚀性强，还采用了抗干扰设计，有多种压力接口和量程，适合井下恶劣的工况。2.5 真空度传感器选型真空度传感器选用 GPD6（A）型，材质是不锈钢，体积小且便于安装，用来采集差压压力信号。真空度传感器的敏感元件为高性能硅压阻式差压芯体，与电子线路集成，输出正常电流信号。水泵启动后，出水口的压力在达到设定值后才会打开水泵口闸阀，否则就会发生水锤事故。2.6 流量传感器选型流量传感器选用 LWGY 型，是一种精密流量测量仪表，其结构图如图 2，电压在 524 VDC 之间，测量精度较高且有多种输出方式，防爆等级可选 Exib I 或 Ex d IIBT4。该类传感器最大的优点是具有数据记忆功能，在设备突然断电时，采集得到的数据会自动存储于存储设备中，即使发生故障突然断电，数据也不会丢失。1762023 年第 5 期 图 2 LWGY 流量传感器结构2.7 软件设计斜沟矿三盘区 4 号煤采区相关改造中监控部分软件设计如图 3 所示。监测类数据模块主要包括各类传感器、指示灯、故障类、报警器类、运行参数、模拟量等数据，主要是通过监控平台对排水系统监测到的各个数据进行实时显示，同时包含排水系统的排水管路、水泵运行和射流泵运行情况等数据。控制类别的数据模块分为控制模式、一键停止、泵启停控制、射流泵控制、电动阀控制、急停等程序。图 3 监控系统软件总体设计框图通过 CAN 总线将 PLC 主站控制器与监控平台连接进行数据交换，采用 CAN2.0 A 总线协议，通信波特率为 250 kbps，采用标准帧格式，监控平台的节点号 16#78。通过远程监控平台实现对排水系统的自动控制，比如一键启停或急停，还可以单独控制 1#、2#、3#水泵的启停；远程控制射流泵启动和停止以及电动阀启动和停止。3 功能验证以斜沟矿三盘区 4 号煤采区为试验对象，对监控系统的自动化功能进行验证并试运行。结果表明，该系统在各种工作模式下都能清楚地显示界面信息，就地操作按钮开关可以正常开闭，阀门没有出现泄漏，各类传感器的灵敏度较高。在系统试运行期间，各个模块显示正常，没有出现故障。监控系统可以实时监测到 1#、2#、3#水泵的运行状态，并采集到 3 台水泵电机的电压和电流、水仓水位、出口压力、水泵温度、闸阀开度等参数信息；各类传感器的数据动态都能通过画面实时展现出来；对人为设置的故障能及时做出准确判断并发出报警信号；监控系统还支持对历史数据进行查询的功能。整个监控系统在试运行过程中状态稳定，各部分功能的可靠性和灵敏度都较高，没有出现卡顿漏电事故，实现了自动化操作，解决了井下排水不及时的问题。通过对系统的试运行和功能验证，表明此系统能满足生产要求，可投入运行。该系统的投入使用，缓解了煤矿的人力物力以及财力，之前需要 3 个人来完成的操作，现在只需1 人定期检修并排查隐患；基于合理的算法，大大延长了水泵的使用寿命，减少了后期频繁更换水泵的问题；按这种投资算法，引入自动化设备每年可节省投资至少 5 万元。4 结论1）井下排水系统中监控部分的核心控制器为可编程控制器 PLC，通过 CAN 总线方式与监控平台实现数据交互，选择的监测类和控制类数据模块可实时监测采集各类数据并进行显示，传感器的灵敏度较高、安全耐用，适合井下生产的恶劣工况。2）通过对斜沟矿三盘区 4 号煤井下排水系统的改造，对排水系统监控功能进行检验测试，然后投入试运行。运行证明，排水系统自动化改造方案切实可行，运行效果符合改造需求，满足井下自动化排水作业，每年设备投资可节约至少 5 万元，达到自动化改造目的。【参考文献】1 赵枝业.母杜柴登煤矿排水系统改造方案研究 J.山东煤炭科技，2022，40（03）：147-150.2 薛峰.青岗坪煤矿 42105 综放工作面排水系统设计与改造 J.能源技术与管理，2020，45（05）：99-100.3 郄宝卫.煤矿井下供排水系统的优化及改造 J.内蒙古煤炭经济，2020（10）：142-143.4 成瑞强.西曲煤矿南翼下组煤疏排水系统综合改造 J.山东煤炭科技，2018（07）：193-195.5 周洪如，乔元明，谢飞.基于 PLC 的煤矿排水系统改造研究 J.煤矿机械，2015，36（07）：271-273.