矿井自动排水系统综述

植海深 卢德明 张应红 徐晋勇 侯原亮

（1.广西右江矿务局，广西 田东 531501；2.桂林电子科技大学机电工程学院，广西 桂林541004）

矿井自动排水系统综述

植海深1卢德明2张应红2徐晋勇2侯原亮2

（1.广西右江矿务局，广西 田东 531501；2.桂林电子科技大学机电工程学院，广西 桂林541004）

叙述矿井自动排水系统的组成和工作方式，介绍了矿井自动排水系统的分类和某些系统硬件的安装及作用，讲述大多数矿井自动排水系统具备的特点，最后分析系统中PCL的可靠性及其解决办法。

PLC；自动排水系统；可靠性

井下排水系统是煤矿生产中四大系统之一，它承担着排出井下积水的重要任务，是矿井安全生产的保障。目前煤矿井下主排水系统仍多采用继电器控制，水泵的开停及选择切换均由人工完成，然而随着现代科学技术的进步，尤其是微电子技术和控制理论的发展及其在各行各业中的渗透，使现有的工业设备的安全可靠性、经济性都得到很大的提高。传统的矿井排水系统已经不适应现代煤矿企业的管理和操作，而需要一种新的自动化排水系统来保障煤炭开采工作的安全高效性。井下自动排水系统就是为了实现排水系统的安全性、可靠性及经济性而设计开发的一种自动化系统。井下自动排水系统在传统排水系统的基础上，应用现代工业控制技术和检测装置，实现排水系统的自动化。并且延伸其功能，使井下水泵房在实现无人化运行的同时，能够根据井下具体情况和要求，选择最佳运行方案，为井上监控系统提供有用的数据资料。

1 系统硬件组成

1.1 系统组成分类

井下自动排水系统可以分为控制、检测、执行三大部分。

（1）控制部分：控制所用的电气设备需要满足矿下使用电气设备的一般要求。由于系统控制流程复杂，井下现场环境恶劣，需要选择可靠性较好的控制器，因此选用高性能可编程序控制器（PLC）较为适宜。其它控制部分包括电动闸阀等设备的矿用一般型控制柜、控制箱。

（2）检测部分由2部分组成：模拟量检测部分，其主要由水位传感器（有投入式和超声波式两种）、流量传感器、压力传感器、真空压力表、温度传感器、电流变送器、功率变送器等组成；开关量检测部分，包括水泵电机、电抗器、电动闸阀、真空泵电机等设备的运行状态检测。

（3）执行部分由水泵电机、电动闸阀、电磁阀、真空泵电机等被控对象组成[1]。这个部分通过管道连接起来就形成图1中的水泵管路系统示意图[1]。

1.2 系统一些硬件的安装和作用

井下排水系统一般采用离心式水泵，一些小型煤矿或浅水井的排水系统也采用潜水泵。离心式水泵排水系统主要由离心式水泵、驱动电动机、起动设备、仪表、管路及管路附件等组成。

（1）滤水器和底阀

滤水器安装在吸水管的下端，插入吸水井下面，不得低于0.5米，其作用是防止井底沉积的煤泥和杂物吸入泵内，导致水泵被堵塞或被磨损。在滤水器内装有舌型底阀，其作用是使灌入水泵和吸水管中的引水，以及停泵后的存水不会漏掉。现在的排水系统中，为了提高排水效率，减小水泵腐蚀，一般不用底阀，而用射流泵或真空泵为水泵和吸水管注水。

（2）闸阀

调节闸阀安装在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止阀的下方。其作用主要有：

① 调节水泵的流量和扬程；

② 起动时将它完全关闭，以降低起动电流。

调节闸阀的优点是流动阻力和关闭压力较小，安装时无方向性，能够方便地来调节水泵的流量和扬程等。其缺点是密封面容易擦伤，检修较为困难，高度尺寸较大，在安装位置受到限制时，安装不便，结构较复杂，价格较高。放水闸阀安装在调节闸阀上方的排水管路的放水管上，其作用为检修排水管路时放水用。

（3）逆止阀

逆止阀安装在调节闸阀的上方，其作用是当水泵突然停止运转(如突然停电)时，或者在未关闭调节闸阀的情况下停泵时，能自动关闭，切断水流，使泵体不致受到水力冲击而遭到损坏。

（4）压力表

压力表安装在水泵的排水接管上，为检测排水管中压力大小用。真空表安装在水泵的吸水接管上，为检侧吸水管的真空度（负压）用。

（5）离心式水泵

离心式水泵在起动前必须将吸水管和泵腔内注满水才能进入运行状态，否则水泵转动时将无法吸水，形成“干烧” ，严重影响水泵的使用寿命。在无底阀的排水系统中，水泵每次起动都要灌水，这一工作由抽真空设备完成，一般使用射流泵或真空泵。它们的工作原理不同，但都能在系统中使水泵工作腔达到一定的真空度，保证系统正常工作。

图1 水泵工作管路示意图

2 系统软件组成

2.1 工作方式选择

在自动排水系统主控制程序中有自动、半自动、手动三种工作方式可以选择[4]。控制系统对排水设备进行控制前，可以利用PLC进行各种检查，首先先对可编程控制器进行检查，其中包括对程序的检查及接线的检查，如果PLC有故障就转为手动控制;然后对排水设备进行检查，如果有故障也转为手动控制，并对故障进行诊断排除。如果各个设备均无故障，可以由工作人员操作控制柜上的按钮来选择任意一种工作方式。在自动或半自动方式下，PLC按要求完成自己的控制功能。而手动方式在所有控制方式中有优先权。工作方式控制的流程图如图2所示[3]。

2.2 水泵开启数量

通过确定开泵数量的程序以及水泵轮换工作模块，就可以确定开哪几台水泵。满足开泵条件的水泵进人自动开启程序。根据“避峰就谷”的原则：当水位上升到上限水位时，如处于用电“谷段”或“平段”，计算距“峰段”开始的时间t，进而算出排水量Q和需开水泵的台数n。如处于用电“峰段”，计算该“峰段”结束前的涌水量Q，并与水仓允许最大容水量Vm ax比较，若Q≤Vmax ，进人“谷段”或“平段”后再开动水泵；若Q＞Vmax ，则应开动水泵，以免发生水仓溢水。为节省用电，“峰段”结束前只要保持水位不超过Vmax所对应的水位即可[3]。

2.3 自动转换工作

（1）水泵轮换工作

利用两个数据寄存器，分别存放每台泵的运行时间和运行次数。根据最优化原则，每次自动启动运行时间最短的无故障水泵。当两台水泵的运行时间相近且最少时，则启动运行次数较少的水泵。寄存器能够自动累加水泵的排水时间和排水次数。

图2 工作方式选择流程图

（2）管路转换工作

当启动某台水泵时，在和它相连的N条排水管路中，选用工作时间最短的一条管路，如果两条管路工作时间相近，则选工作次数最少的管路。

2.4 上位机监控部分

系统可以采用亚控组态王6.53实现人机对话界面。在组态软件的监视画面上，以动画显示报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等，工作人员可以方便地了解系统的工作情况。

3 系统特点

一般情况下自动排水系统都能在当运行的水泵、阀门或管路发生故障时，系统能够自动发出声光报警，记录事故发生时间及位置，将故障泵或管路自动撤出工作，其余各个泵和管路按一定顺序自动轮换工作。在考虑企业成本的情况下，系统实现“避峰就谷”，能够节约企业开支。所谓的“避峰就谷”就是在用电“谷段”和“平段”时间之间合理开启水泵，将水仓水位降至设定的低位，以便水仓能够腾出尽可能大的容积，减少在“峰段”开动水泵的时间，以节约用电。

自动排水系统一般都具有手动、半自动和全自动三种工作方式。故障检修和手动试车时使用手动方式，通过就地控制箱来实现对水泵的操作;半自动工作方式时，由操作人员选择哪几台水泵投人工作，由PLC自动完成已选水泵的启停;全自动方式时，由PLC接收各传感器检测到的信号，通过相关程序自动完成各水泵的运行，不需人工参与。

此外，自动排水系统都可在上位机上用组态软件（例如：组态王6.53）动态监控水泵及其附属设备的运行状况，实时显示水位、流量、压力、温度、电流、电压等参数，提供各种运行及故障信息，超限报警，还可以打印各类运行报表、历史数据、事故记录、统计报表等[3]。

4 系统可靠性

4.1 PLC控制系统的主要干扰源

（1）空间电磁辐射干扰。空间电磁场主要是在电力网络、电器设备通断电瞬间或无线电、高频加热设备工作时产生。

（2）PLC外部接线引入的干扰。PLC外部接线引入的干扰通常是由十工作人员在工作中选择、安装设备不合理或现场布线不规范造成的，这种干扰在工业控制现场普遍存在，其干扰源主要来自以下三个方面：①供电电源干扰，②信号采集线路引入的干扰，③接地线引入的干扰。

（3）PLC控制系统的内部干扰。这种干扰通常是由于PLC内部电路及元件相互之间产生电磁辐射引起的，它主要与可编程控制器生产厂家设计的设备内部电磁兼容性有关。

4.2 PLC控制系统的抗干扰措施

提高PLC控制系统的抗干扰能力，需要从两方面着手。一方面需要生产厂家制造出抗干扰能力较高的产品，另一方面需要工程设计者根据控制现场的实际情况设计出合理的抗干扰方案，以提高系统的电磁兼容性和运行可靠性。具体的抗干扰措施应从以下几方面进行设计：

（1）抗供电电源的干扰。（2）合理布线。（3）抗电弧干扰措施。（4）接地抗干扰措施。（5）软件设计方面的抗干扰措施[5]。

5 结束语

自动排水系统需要从硬件和软件两大方面进行设计，其组成原理大致上都是一样的。硬件的好坏能够影响系统运行的准确性、稳定性和耐久性（零件寿命长短），而软件则能影响系统整体工作流程的顺利与否，好的软件系统甚至能大幅度减少硬件的使用次数，这样就变向地使硬件的耐久性增加。可见无论是硬件还是软件都是组成排水系统的必备条件。只有合理设计硬件和软件才能更好的让系统稳定运行。而系统的可靠性也很重要，设计的系统需要具备一定的抗干扰能力，这样必要的抗干扰措施必须具备。

[1] 陈子春,刘向昕.井下中央泵房水泵自动化控制系统的研究与应用[J].工矿自动化,2007(2).

[2] 赵鑫,煤矿自动排水系统的应用[J].科技情报开发与经济,2011(25).

[3] 程高新,李敬兆.基于 PLC 的矿井自动排水系统设计[J]. 煤矿机电,2009(3).

[4] 李泽松.井下水泵房自动排水系统研究[D].太原:太原理工大学,2005.

[5] 李杰.煤矿井下排水系统运行可靠性研究与控制系统研制[D].太原:太原理工大学,2010.

Mine Automatic Drainage System Review

This paper describes the composition and the work of mine automatic drainage system, and introduces classification of the mine automatic drainage system, some system hardware installation and the role of automatic drainage system; the majority of mine have the characteristics, finally analysis PLC reliability of the mine automatic drainage system and its solutions.

PLC; automatic drainage system; reliability

TD63

A

1008-1151(2012)06-0120-03

2012-04-18

广西制造系统与先进制造技术重点实验室建设项目(09-007-05_006) 、(09-007-05_013)

卢德明（1986－），男，广西岑溪人，桂林电子科技大学机电工程学院硕士研究生，研究方向为井下中央泵房自动排水系统。