煤矿排水泵控制系统设计

王伟鹏

（阳煤集团供应处， 山西 阳泉 045000）

1 自动化煤矿排水系统的功能需求

排水系统的设计是为了保证煤矿采矿和辅助运输的安全。煤矿排水系统的可靠运行对煤矿生产安全起着至关重要的作用。在煤矿排水系统中，因为控制的变量具有非线性特征，时滞和不确定性，所以，多年来煤矿排水系统一直无法建立有效的指示变量运动规律和特征的数学模型，缺失传统控制的分析基础[1]。由于，信息技术、自动化控制技术、温度传感器技术在早年间并不发达，所以需要以人为操作经验为基础，而不是控制系统的数学模型。排水系统操作已经使用了多年手动操作的方式，包括确定启动和停止泵引擎的时间。由于自动化技术应用的局限性，在手动操作过程中，时常发生严重事故，导致矿井巷道淹没、停产、破损。随着传感器技术的快速发展和自动化相关应用技术在煤矿井下排水系统的实现，为实现远程规律排水系统控制提供技术参考和自动控制保障[2]。

1）具有多种控制模式。按照监管要求，常用的排水系统控制模式有如下几个，包括远程/本地、自动/手动和集中控制/维护。控制系统具有以下优先权，例如手动控制可自动切断遥控器和自动控制，遥控器可以自动切断自动控制，并且地下自动控制系统可以自动转移到当遥控器突然失控时手动控制。每个泵将始终处于集中状态自动运行模式下的控制模式，除非处于维护模式的特殊情况下。

2）具有设备保养模式。当设备需要维护时，设置为维护模式，确保足够的设备正常运行。

3）对泵的选择灵活方便。

4）对泵运行时间自动控制。按照峰谷电价原则、水位要求，确定泵何时应该启动和停止。每台泵的正常运行时间将被自动记录下来，当水位满足系统要求启动水泵时，泵运行最短的时间将自动启动，并在运行中反复优化泵的运行时间，以此达到泵的节能降耗目的[3]。

5）远程遥控。泵的运行参数和现场的运行情况设备需要传送到地面控制中心。控制中心可以收集和分析这些参数，必要时需要并可以发送指令到地下水泵排水系统进行远程控制。

2 煤矿排水泵站的自动化网络系统设计

自动排水系统由地面监测站和地下控制站组成，如图1所示。

图1 煤矿排水泵站的自动化网络系统设计图

系统主要组成包括以下六个主要的部件组成：

1）地面控制站。地面监控站可以监视系统运行状态如温度，排水装置的压力和流量，并控制泵启动、停止，设置系统参数，下载运行阶段化程序，监控/控制数据，并保存或管理监测数据。

2）地下工作站。地下工作站是整个控制系统的核心，其包括西门子PLC、数字模块、模拟模块、通信模块和触摸屏幕，用于控制水泵、电动阀门、潜水器的启停泵和其他电动装置。该站包括控制柜、传感器和执行器。

3）控制柜。主要由PLC、触摸屏、中间继电器、信号组成发射器，光纤以太网交换机、开关电源、按钮、指示灯等组件。这些设备用于信号采集、转换、处理、输出、显示、保护、故障报警和通讯。

4）传感器。主要包括液位计、流量计、负压变送器、压力传感器变送器、温度传感器、电机电压电流互感器，阀位开关和过扭矩开关。

5）执行机构。主要包括排水电动阀门、电动球阀、配电设备、本地控制箱等。配电柜主要由断路器、接触器、热继电器等组成，是电动阀门的配电回路，真空泵和电动阀门[4]。

6）本地控制箱。主要由开关盒、按钮、灯等部件，用于转换设备的运行方式和实现本地设备的启停。

3 煤矿排水系统中泵控制系统的创新设计

3.1 泵的启停过程

1）自动检测水位。在泵引擎启动或停止之前，水位必须是在非自动模式或手动模式下首先检测。

2）调水。只有当泵的叶轮完全充满水时，才可以将泵体形成必要的真空，实现正常的排水。

3）电动门操作。为了降低泵机的启动功率，减少泵的功率发动机停机时水柱对泵的冲击，出水阀必须在泵引擎启动或停止之前处于关闭状态。

4）失败保护。在泵的运行过程中，电流或者电流温度大于或小于正常值时，泵机必须快速停机。

3.2 本系统流程设计的主要创新点

1）避免高峰和填谷。该系统的设计运行在低功耗和尽可能避免在电力高峰期运行，但如果突然遇到发生洪水等紧急情况时，可以及时启动排水程序。

2）利用水位设计优化泵运行时间。最佳排水：以低功耗启动泵进行排水，此时并储存水位恢复正常的时间。当水位达到或低于H1时，泵停止。正常时间排水：当水位上升到H3时，水泵按照选择运行时间原则将立即开始。水泵停止运行在高峰期达到H2，在其他时间达到H1即可。高峰排水：当水位上升到H4时，在高峰期强制开始排水期间，当水位达到H2时泵停止。

3）多泵排水。当水涨得太快或水位达到H5时，有几个水泵将依次启动。当水位达到时，运行时间较长的水泵将停止运行H3等水位高峰期或水位达到H2时，待水位达到H1停止。水位控制图如图2所示[5]。

图2 系统水泵运行——水位控制图

4 结语

本文介绍的煤矿排水系统，融入了自动化软硬件技术、传感器技术、自动控制技术、PLC技术，可自动控制和远程遥控。目前，这种自动排水系统已在国内外的某些矿山中投入使用，运行效果表明该系统稳定、可靠、方便，可以有效降低维护成本和功耗，不仅满足了地下排水控制的需要，同时也提高了煤矿排水系统的自动化管理水平。