长春兴矿矿井主排水泵房自动控制改造设计.pdf

第4 6 卷第7 期2023年7 月机电与自动化长春兴矿矿井主排水泵房自动控制改造设计煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.46 No.7Jul.2023李扬（山西焦煤集团有限责任公司，山西太原0 3 0 0 0 0）摘要：矿井主排水系统是煤矿重要的生产基础系统之一。为了保证排水系统的可靠性，以长春兴矿为研究对象，采用了PLC控制技术对该矿主排水泵房进行了自动化改造。分析研究了主排水系统改造设计，以及水泵房自动化改造。在改造后，系统能实现节能化、无人化运行，提高了长春兴矿排水系统运行的可靠性。关键词：煤矿排水；水泵房；自动控制改造中图分类号：TD74文献标识码：B文章编号：2 0 9 5-59 7 9（2 0 2 3）0 7-0 0 9 1-0 4Automatic control transformation design of main drainagepump room in Changchunxing Coal MineLi Yang(Shanxi Coking Coal Group Co.,Ltd.,Taiyuan 030000,China)Abstract:Mine main drainage system is one of the important basic production systems in coal mine.In order to ensure thereliability of the drainage system,taking Changchunxing Mine as the research object,the PLC control technology was usedto automate the main drainage pump room of the mine.The transformation design of the main drainage system and therealization of the automation transformation of the water pump room are analyzed and studied.After the transformation,thesystem can realize energy-saving and unmanned operation,and improve the reliability of the drainage system ofChangchunxing Mine.Key words:coal mine drainage;water pump room;automatic control transformation1 概况长春兴矿主排水系统是保证该矿安全高效生产的重要基础。长春兴矿主排水泵房现有3 台MD280-436矿用耐磨多级离心泵，功率3 55kW；主排水管路2 趟，采用DN250型275mm12mm无缝钢管；其他排水管路3 趟，采用DN200型225mm10mm无缝钢管；DN200型矿用隔爆电液闸阀9 台，DN100型矿用隔爆电液闸阀4 台。为保证排水系统可靠运行，提升长春兴矿的排水效果，促进煤矿安全生产形势稳定发展，创建安全、高效、现代化矿井，需要对排水泵房进行自动控制改造。2主排水系统设计方案2.11总体设计井下主水泵排水系统采用3 台泵工作，自控系统采用PLC控制技术和工业以太网通讯技术，具有4 8 5通讯接口，对井下水泵房3 台泵进行无人值守自动控制；利用触摸屏对运行状态实时显示及远程控制，达到数据的实时监测及报警功能；利用工业以太网将数据传送到地面生产调度中心，从而提高响应时间。系统通过检测水仓水位和相关参数，控制水泵轮流工作与适时启动备用泵，合理调度各水泵运行。系统通过触摸屏上位机监控系统以图形、图责任编辑：张彤D0I:10.19286/ki.cci.2023.07.024作者简介：李扬（198 7 一），男，山西宁武人，工程师。引用格式：李扬.长春兴矿矿井主排水泵房自动控制改造设计 J1.煤炭与化工，2 0 2 3，4 6（7）：91-94.912023年第7 期像、数据、文字等方式，直观、形象、实时地反映系统工作状态。将电机电压、电流以及水仓水位、电机温度、轴承温度、排水管压力、每台泵出水管压力、负压等参数，通过PLC系统中的通讯模块接入以太网及上位机，与监控主机实现数据交换。此次设计的系统具有运行可靠、操作方便、自动化程度高等特点，节省水泵的运行费用及人员成本，同时可以与长春兴矿矿井自动化平台实现对接，将有关信息分析处理后在WEB网页上实现共享，实现实时报警监视、数据采集、处理、显示及打印功能，具有安全确认机制以及历史数据记录功能。2.2系统特点（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，实现系统的自动判断并选择。（2）高可靠性。依照“安全第一、效率优先”的原则，设计运行模式自动切换、机组自动切换及起停、余设计、设计系统的故障报警等功能，保障系统整体稳定运行。在系统达到最大涌水量或发生透水等紧急情况时，系统做出判断并声光报警，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。（3）均匀磨损原则。系统自动记录各台泵组的累计运行时间，并进行排序，下次启动时优先启动无故障、运行时间短的水泵，实现水泵的均匀磨损。避免传统模式中工作泵使用频率高造成磨损快、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的情况。（4）移峰填谷原则。当电网执行峰平谷阶梯电价时，系统将设定水位进行修正，保证系统在平、谷段低电价时排水，在峰段高电价时蓄水。设计原理如图1所示，先设定4 个水位限值H1、H2、H 3、H 4，当水位达到设定水位时，首先对电网的负荷进行监测。若处于用电谷段或平段时，可92煤炭与化工以立即启动；若处于用电峰段，则对水位进行修正，在保证H1超限水位不变的前提下，把H2、H3向上提升。当水位继续上升至H1超限水位时，则不论电网负荷如何，立即启动水泵。若水位继续上升，则表明1台水泵的排水量已不足以排除矿井出水，以矿井的最大排水能力来排除矿井涌水。不论投入几台水泵，水位必须下降到停机水位H4方可停泵。H1三泵启动水位H2+hH2双系启动水位H3+AhH3单泵启动水位H4停机水位低电价阶段图1移峰填谷运行方案Fig.1 Peak shifting and valley filling operation scheme（5）效率优先原则。当执行多台泵组多趟排水管联合运行时，通过水泵特性曲线与管路特性曲线的比较，选择最佳匹配水泵与排水管数量，保证水泵在最佳效率点运行。根据长春兴矿主排水泵房现有3 台水泵、2 趟主排水管路的情况，多水泵运行方案如图2 所示。H单趟排水管管损曲线H2H1HOm2m10Fig.2 Multi-pump operation scheme3系统架构根据长春兴矿主排水泵房的基本情况，此次设计主要设备配置如下：主排水控制系统主机1台；本安操作台（触摸屏）1台；本安型I0分站1台；防爆电液闸阀14 台；配置投人式液位计2 台；气、水两用喷射泵3 套；压力传感器3 套；负压传感器3套；流量传感器2 台。此次设计采用的ZPS系列井下主排水控制系统是一个综合性的监控系统，实现了信息共享和局部环节的自动化控制。系统分为三级网络结构，采用PLC控制处理器为核心，结合多种传感器及控制器件来完成排水系统的控制功能，如图3 所示。控制软件采用先进的、广泛应用于工业控制系第4 6 卷H1三泵启动水位H1三泵启动水位H2+AhH2双系启动水位H3+hH3单泵启动水位H4停机水位高电价阶段两趟排水管管损曲线两台泵并联运三台泵并联运行性能曲线行性能曲线Q图2 多水泵运行方案H4停机水位李扬：长春兴矿矿井主排水泵房自动控制改造设计统的成熟软件，采用总线式结构，将主控制器、分站、显示装置及传感器、设备等统一在一起，局部传感器及其连线的故障不会影响，系统的整体运行，保证了系统的可靠性。地面监控中心18本安操作台触摸屏3#28本安型LO分站温度流量电动电动液位压力传感器传感器闸阀配永阀传感器传感器图3 系统的架构Fig.3 System architecture数据自动采集与检测系统是自动排水系统的主要组成部分，内部由PLC主处理模块、I/O扩展模块、模拟量模块、通讯组件等构成。数据采集主要分为两类，即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。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。系统与井上监控站利用工业以太网通讯架构，控制器采用原装进口PLC及先进的过程控制软件，采用内置以太网通讯接口，可以保证将各类数据准确及时的读取和处理。模拟量检测的数据主要有电机工作电压、电机工作电流、水仓水位、出水管流量、水泵轴温、电机温度、每台泵出口压力和水泵真空压力、阀门开度与行程。数字量检测的数据主要有水泵开停状态、闸阀的工作状态与启闭位置、电磁阀工作状态以及各类故障状态。水泵轴温、电机温度、管网压力、流量计等传感器与变送器，主要用于监测水泵、电机的运行状况，超限报警，以避免水泵和电机损坏。PLC的数字量输入模块将各种开关量信号采集到PLC中作为逻辑处理的条件和依据，控制排水泵的启停。PLC自动化控制系统根据水仓水位的高低、合理调度水泵，自动准确发出启、停水泵的命令，控制3 台水泵运行。为了保证井下安全生产，系统可靠运行，水位信号是水泵自动化非常重要的参数，因此系统设置了液位传感器，传感器设于水仓的排水配水仓内，PLC将接收到的模拟量水位信号分成2023年第7 期若干个水位段，计算出单位时间内不同水位段水位，根据水泵使用台数和水位变化的情况可判断矿井涌水情况，确定水泵开停台数。4工艺过程控制分析水泵的工艺过程控制包括射流泵总成、真空吸-水、闸阀控制、水位自动检测控制、水泵自动轮以太网光纤换、故障保护与报警。HODBUS通讯隔爆兼本安型PLC控制柜4.1射流泵总成水泵只有在其叶轮完全淹没于水中的情况下，泵体内部才能造成必要的真空度实现正常排水，因此，启动前的注水是水泵工作的重要操作。排水泵的真空度通过引自井底管网的高压水管，经过射流管网，达到排水泵注水过程，并由真空表监测真空度。随着自动控制工艺的发展，射流泵被广泛的用于井下自动化排水系统中，由消防水或管网高压水为射流泵提供流体，以实现抽吸井水。射流泵不设运动的工作元件，结构简单，工作可靠，无泄漏，也不需要专门人员看管，因此很适合在水下和危险的特殊场合使用。由于其射流泵总成本身不具有传感器，无法检测，在设计时，安装有负压传感器，并由自动控制设备进行采集，作为控制水泵启停的重要参数依据。4.2闸阀控制此次设计的系统各闸阀均为电液动阀门，泵房内设置组合开关对各阀门供电、控制。阀门采用手动自动两种方式控制，在自动状态下，通过PLC对阀门进行集中控制和监视；在手动控制方式下，可在就地箱上对各阀门进行操作。水泵在启动时，闸阀处于关闭状态，待达到90%以上扬程时打开闸阀正常排水，当水泵停止时，为了防止水锤，先关闭闸阀，待闸阀反馈关闭信号后，停止水泵运行。水泵排水管网设有压力传感器及流量传感器，当水泵运行时PLC监测排水管内压力及流量值，发现异常后及时停止水泵，防止水泵的空转。当以太网或PLC编程箱发生故障时，水泵综合控制箱能独立控制单台水泵运行。水泵排水闸阀后安装矿用止回阀，流量计安装于主排水管路中，便于安装及保证测量精度。4.3水位自动监控无人值守自动控制时，水泵运行前进行水位检测、供电参数检测、水泵循环使用记录及管网压力检测等工作，全部符合要求时才会对水泵进行运行控制，降低误动作现象发生频率。将水位传感器传932023年第7 期回的数据进行处理后，利用软件编制逻辑程序判定水位的准确数值，从而对水位进行自动监控。根据矿井生产要求定制低限、超低限、高限和超高限值，决定是否启动水泵排水。此次设计根据长春兴矿主排水泵房的情况，具体措施如下：在程序中监视水仓水位的变化，当达到低限水位，并且处于电网底负荷时间段，则开启1台水泵排水，当处于电网高负荷时间段，水位处于底限时可以暂缓开泵，当水泵达到高限时，陆续启动其他水泵排水；当1台泵运行一定时间内水位升高达到高限时，启动下一台水泵，当水位继续升高到达高高限时，启动第三台水泵；水位降到超低限值时，陆续停止运行中的水泵，以节省费用；程序中设置逻辑结构，建立水泵启动的时间间隔，防止2 台水泵同时启动和同时停车，造成对电网影响和水锤效应；采用水位的变化率和正在工作的水泵台数来判断矿井涌水是在正常涌水、最大涌水还是突水，从而确定水泵的工作台数，不论投入几台泵，水位必须下降到低水位方可停泵。上述水位均由液位传感器将模拟信号送入PLC，由PLC通过软件标定。液位开关作为水仓的高水位、低水位的极限报警开关。4.4水泵自动轮换在正常水位时，为了防止因备用泵及其电气设备或备用管路长期不用，而使电机和电气设备受潮或其他故障未及时发现，此次系统程序设计了3 台泵自动轮换工作控制，控制程序将水泵启停次数及运行时间和管路使用次数等参数自动记录并累计，系统根据这些运行参数按一定顺序自动启停水泵和相应管路，使各水泵及其管路的使用率分布均匀。当某台泵或所属阀门故障时，系统自动发出声光报警，并在显示屏上动态闪烁显示，记录事故，同时将故障泵或管路自动退出轮换工作，其余各泵和管路继续按一定顺序自动轮换工作，达到有故障早发现、早处理，不影响矿井安全生产的目的。5上位机监控功能的实现上位机系统由触摸屏组成。触摸屏安装在TH24本安操作柜上。触摸屏监控系统通过串口通讯方式与PLC控制系统进行数据通讯。监控系统具有维护和开发功能，工程技术人员根据生产工艺的运行要求和系统设备的运行情况，对系统的软件进行组态、调整，以满足系统运行要求。监控系统具有实时显示监测功能。监测排水系煤炭与化工统所有设备情况，并显示流程图，以及实时设备运行参数、状态及故障信息，将各种运行数据和运行指示形成标准的统计曲线和报表，方便监视和管理系统运行情况。系统具有操作控制功能，用来完成常规监测和控制，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、运行趋势曲线、追忆趋势曲线、操作记录、历史数据信息及报警保护信息等。人员通过操作员站输人运行数据、修改控制参数和发送指令控制系统的运行，如图4 所示。中出口用阳泵房在线检测2号源州号州1号图4 水泵在线监测系统Fig.4 Pump on-line monitoring system6结语本文结合长春兴矿的实际情况，对该矿主排水水泵房进行了自动化改造设计。在改造后，排水系统已稳定运行1a以上，基本实现了自动化运行，降低了水泵房整体能耗；系统具有在线实时监视功能，可以降低安全事故的发生概率，提高了长春兴矿排水系统运行的可靠性。参考文献：1 张帅.矿井水泵房运行智能控制系统研究 J.机械工程与自动化，2 0 2 2（6)：19 9-2 0 0.2陈海亮.煤矿中央水泵房自动化排水控制系统的研究 J.机械管理开发，2 0 2 1，3 6（8）：2 56-2 57，2 6 0.3王臻荣.煤矿井下排水泵房自动控制系统的设计及应用 J能源技术与管理，2 0 2 0，4 5（4）：18 3-18 5.4王晏.煤矿井下主排水泵房的自动化控制研究 J.中国石油和化工标准与质量，2 0 19，3 9（2 3）：18 6-18 7.5杨春涛.屯兰矿井下中央水泵房无人值守改造实践 J.江西煤炭科技，2 0 19（3）：194-196.6李林娟，曹昱.智能化井下水泵房PLC自动控制系统 J.机械工程与自动化，2 0 19（4）：199-2 0 1.7郭全顺.塔山矿中央水泵房自动排水控制系统优化 J.机械工程与自动化，2 0 19（1）：17 6-17 7，18 6.第4 6 卷新主酒面导家利检修面面出水压力58水施水位米冰压力8.0294