煤矿井下排水控制系统的设计研究

王金成

(山西宏厦第一建设有限责任公司，山西 阳泉 045000)

1 现有排水控制系统的研究状况及存在问题

随着国家研发能力的逐渐增强，为进一步解决矿井中排水问题，国家相关学者及研究机构也加大了对矿井排水系统的相关设计及优化升级设计，主要包括：排水泵的更换、排水系统控制的改进、排水巷道的合理布局、其他排水设备的改造等，并将当下更加先进的控制技术应用到排水系统中，如：神经网络技术、模糊算法等，通过这次硬件的优化与软件算法的改进，达到矿井排水系统的最优控制的目的。但矿井排水控制系统在实际应用中仍存在理论与实际无法有效匹配的应用问题，以木瓜煤矿中的排水系统存在问题为例进行分析，主要体现在如下几个方面：

1)排水系统中的设备无法最大效率、最大功率地运转，部分设备处于静置或闲置状态，未实现设备的充分利用；

2)排水系统中的排水设备，如排水泵、阀等，大部分仍采用手动方式进行控制，暂未实现设备的远程及自动化控制，即使部分设备实现了自动化控制，但在使用中仍存在系统运行不稳定、信号响应速度慢、信息易误报等问题；

3)现有的排水控制系统对信号的采集种类相对较少，显示界面的功能也相当单一，控制中心的运行速度相对缓慢，部分信号仍需采用现场收集仪表信息，再输入至上机位控制软件中进行信息分析处理，造成了整个排水控制系统的自动化、远程化控制功能未得到有效实现。

2 排水系统结构的组成分析

结合某矿排水系统的结构组成特点，首先对其结构组成进行分析。该排水系统主要包括吸水井、排水泵、止回阀、闸阀、排水管路等硬件设备，而此些设备则主要通过排水控制系统来进行运行控制。其中，止回阀安装在排水管道上，可防止排出的水出现倒流现象，而排水泵、闸阀则采用了电动和手动方式进行控制；同时，在该系统中还包括了2个电动阀行程开关、2个转矩开关等，可实现对排水过程中相关行程及转矩的控制；在吸水井处设置的超声波液位仪，可对井下水平情况进行检测。另外，也设计了各类传感器、检测设备等。由此，通过各种设备的相互连接及相关信号的通讯传输，形成了整套矿井排水系统。

3 排水控制系统总体方案的设计

井下排水控制系统是整个排水系统中的重要组成部分，也是影响整套排水系统是否正常运行的关键系统，其系统性能的好坏直接关系到井下水量的排出效果及井下作业安全。因此，以现有矿井中排水控制系统为设计基础，对其进行了改进设计。新型排水控制系统采用了PLC控制器进行控制，配备了远程控制模块、各类液位仪、触摸屏、行程开关、温度传感器、压力传感器等，通过PLC控制器中的数字量输入模块，可将水泵电机的开关信号、液位开关信号、真空泵球阀到位信号等进行汇总输入，通过PLC中的模拟量输入模块，可将井下温度传感器、出口压力传感器、液位传感器等设备采集的相关信号进行收集，通过在PLC控制器中的汇总、分析、处理后，将相关控制命令信号通过数字量输出模块输送至声光报警设备、水泵控制开关、水泵电机控制开关等设备上，实现对井下水量的检测及实时控制，其中，整套系统采用了RS485通讯方式进行信号传输，大大保证了整套系统中信号的传输速度及信号质量。由此，通过检测水泵及电机相关参数，实现系统的报警及自动保护功能，根据水泵的吸水情况，实现水泵启停及运行台数的自动控制。改进后的矿井排水控制系统结构框架图如图1所示。

图1 矿井排水控制系统结构框架图

4 排水控制系统主要分系统的设计

4.1 PLC控制器的匹配设计

PLC控制器是整个排水系统的控制核心，故结合排水系统的工作特点，选用了欧姆龙公司生产的CJ1系列PLC控制器，其结构包括模拟量输入/输出模块、数字量输入/输出模块、开关量输入/输出模块、通讯模块、CPU模块。其中，模拟量输入模块采用了24V电源设计，可直接通过CPU中的电压进行供电，且在其模块上设置了多个输入点，主要用于接收排水系统中的液位信号、温度信号、水泵信号、流量信号、负压信号等，并以电流形式进行信号输入；而开关量输入模块选用了IA201模块，其输入电压为AC100～120V，电流为12mA，并设置了32个点数，主要用于接收真空泵的开关信号、液位开关信号、闸阀开关信号、球阀到位信号等，其内部的滤波电路，可对外部干扰信号进行有效隔离。整个PLC控制器具有较高的控制性能，能较好地满足井下排水系统的有效控制，保证井下作业环境的安全。

4.2 控制系统各类传感器的匹配设计

虽整个排水控制系统是排水系统的分系统，但其系统结构也相对复杂，需设计多种传感器来完成井下不同参数的信号采集与检测。故结构排水控制系统的功能特点，配备了流量检测器、压力传感器、温度传感器、液位传感器等，以分别实现对排水系统中不同信号参数的检测。其中，流量检测采用了西门子的MAG3100型，主要用于检测排水管道中的水流量情况，该元件可检测0.3～20m/s范围内的流速，具有较强的抗干扰性及稳定性。温度传感器选用了ZN17-BKGWD型，主要用于检测井下水泵电机的工作温度，以保证设备的安全运行；该设备中配备了Pt100的铂热电阻，具有较高的防爆性能。而液位传感器则采用了SITRANS型超声波液位计，其检测频率为50～60Hz，可完成对井下水位的检测。另外，压力传感器则采用了GYD60型号，主要用于检测出水管道处的压力大小，其工作电压为24VDC，可准确地检测进水管和排水管处的压力变化。由此，完成了排水控制系统中关键检测设备的匹配选型。

4.3 控制系统监控界面的设计

监控界面是整套排水控制系统的重要组成部分，故采用MCSG组态软件，开展了排水控制系统的监控界面的设计。通过该界面可将井下水管、各处压力、各开关状态、各阀的启停等状态进行直观显示；同时，与传统界面相比，在新的显示界面上增设了记录显示功能，通过该按钮可将整个排水控制系统的运行时间、设备运行状态、故障累计情况等信息进行实时记录和直观显示。另外，整个显示界面显示更加流畅、报警功能更加全面，操作人员能直接通过显示界面，对整个排水系统的运行情况进行信息的实时掌握和设备运行状态的准确把控，并能及时发现系统故障的发生位置和采取相应的故障解决措施，由此大大提高了排水监控系统的智能化、远程化控制程度。

5 排水控制系统应用情况的分析

结合前文分析，完成了矿井中排水控制系统的改进设计。为进一步验证该系统的综合性能，将其在煤矿中进行了应用验证，对煤矿现有的排水监控系统进行优化造测试。测试结果表明，改进后的排水控制系统各项功能运行正常，与原来系统相比，能更加准确、全面地将井下排水中的压力、温度、流量、设备启停状态等信号进行检测，并通过显示界面进行直观显示，同时，操作人员也能在监控室对整个系统的运行状态进行实时监控。据现场人员介绍，改进后的控制系统稳定性和信号检测精度更高，预估可使排水系统的工作效率提高30%左右，排水系统故障检修时间缩短50%左右，效果良好。

6 结论

1)改进后的排水控制系统功能更加全面、控制精度更高，能检测和控制的参数也有所增加；

2)改进后的排水控制系统显示界面更加直观，操作人员可更加方便地对系统运行状态及发生的故障问题进行及时监控和故障解决；

3)改进后的排水控制系统使整套排水系统的工作效率提高了将近30%，故障检修时间缩短了50%左右，效果良好；

4)该研究对提高井下排水控制系统的稳定性及作业安全具有重要作用，也为后期开展系统的进一步改进设计提供了参考。