煤矿井下排水控制系统的应用设计

李 冰

（山西新元煤炭有限责任公司，山西 寿阳 045400）

引言

在煤矿开采过程中经常会有大量的地下水涌出，若地下水位超过一定的安全阈值，不仅会使井下工作面出现严重的积水现象，也极容易使煤矿开采设备出现漏电现象，这将给井下作业安全及煤矿开采效率造成严重影响[1]。据统计，国内每年约有15%的矿井都会出现一定程度的漏水现象[2]。目前，国内煤矿普遍采用的井下排水控制系统存在控制精度较低、系统响应较慢、智能化控制水平较弱等问题，无法满足当前智能化井下排水远程控制的使用需求[3]。因此，将更加先进的控制技术应用到井下排水控制系统中，实现井下排水控制系统的升级优化，是有效保障井下作业安全的重要方向。

1 目前井下排水控制系统存在的问题

通过对煤矿领域井下排水系统的综合调研，结合新元煤矿主井中现有的排水控制系统特点，分析当前井下排水控制系统在使用过程中存在的诸多问题[3-4]，主要包括如下几点：

1）仅实现了对水泵的现场控制，未有效将水泵作业状态及相关参数通过通讯方式传输至相应的监控平台上，整体自动化、智能化程度相对较低；

2）各类检测传感器精度相对较低，且为几年前的产品，存在响应速度较慢、异常故障明显、数据信息不准确等问题；

3）数据通讯接口是传统的RS232，与RS485通讯接口相比，存在信息传输速度慢、信息传输量少等问题；

4）整个控制过程需手动操作控制，未实现对井下排水设备的自动化远程控制，也无法实现对排水过程及状态的实时监控和控制；

5）由于未实现智能化控制，导致排水过程的电量消耗相对较高。

为此，设计一套智能化井下排水控制系统，以提高井下排水效率及作业安全，降低企业的费用支出。

2 智能化井下排水控制系统总体框架的设计

以新元煤矿主井控制系统为基础，进行升级优化设计。如图1所示，整套控制系统包括执行层、运算层、监控层等。其中：执行层中检测单元部分有液位传感器、温度传感器、压力传感器、电流传感器、流量传感器、电压传感器等，可实现对井下排水过程的相关参数的实时数据采集[5]；执行单元主要由水泵电机、出水阀、真空阀、射流阀等组成，在接收来自PLC的执行命令后，执行相应的动作，实现对井下排水过程的相关控制操作；运算层包括PLC控制器、水泵调度和控制单元等，结合采集的相关信号，可完成排水过程的自动运行、模式切换、水泵自动轮换、水泵启停等操作，对相关数据分析判断处理后将其传输至监控平台实时显示，其中，PLC控制器为西门子S7-300，内部控制程序的编程设计软件为STEP7，调度控制系统的控制器为KXJ600型矿用防爆型控制器，可有效保证整套系统的高效计算；监控层主要包括上机位PC主机、液晶显示器、服务器等，对整套控制系统进行状态显示、数据分析及执行命令操作等。整套系统基于以太网和RS485进行数据信号的传递，可实现整个排水过程的自动化远程操作。

图1 排水控制系统总体框架图

3 排水控制系统关键部分的设计

3.1 硬件部分的设计

硬件模块是整个排水控制系统的基础组成部分，如图2所示，包括检测单元、水泵控制单元、PLC控制器、通讯线路等。硬件模块中的PLC为西门子S7-300型控制器，可有效保证整套系统高效稳定运行，并提高系统数据的计算速度。检测单元包括GUCS10型液位传感器、PT-100温度传感器、GYD10压力传感器、JSZW3-10电压互感器等检测元件，具有采集精度高、性能稳定可靠、抗爆性较高等特点，能实现对井下关键参数的实时数据采集，通过RS485通讯接口和以太网方式将数据传输至PLC进行分析判断处理[6]，PLC经过分析处理后，将相关信息通过交换机传输至地面监控中心，地面监控中心根据实际情况发出相应的控制命令，PLC则经过分析转换后发出电机启停、报警、复位、控制方式等相关执行控制命令，以实现对执行机构的操作控制。

图2 控制系统硬件模块框架图

3.2 监控模块的设计

监控模块是整个系统的重要组成部分，对井下排水过程及设备运行状态进行实时监控。如图3所示，此监控模块的开发设计软件为iFix组态软件，其功能主要包括系统管理模块、实时监控模块、报表模块、历史数据查询模块等。其中，实时监控模块主要对水泵的运行状态、排水中相关参数等进行远程监控，通过PLC进行数据的分析处理和以太网的数据信号传输后，将监控数据信息传输至监控中心，供操控人员通过监控界面对井下排水状态进行实时远程监测和操作控制，同时生成年/月/日的报表，并对相关数据进行存储，以便后期对数据进行查询。

图3 监控模块结构框架图

3.3 水泵控制模块的设计

水泵是实现井下水的快速排放并将其控制在安全范围内的重要设备。因此，对水泵的运行进行控制模块设计。在此控制模块中，分为参数显示、控制模式的显示及启停控制等部分。其中：参数显示部分主要对水泵运行过程中的电流、电压、流量、出水口压力等参数进行检测及界面显示，当某一个参数超过相应阈值时，该控制模块则会发出相应的报警提示和异常情况显示，以供相关人员根据报警提示对水泵进行有针对性的检查和维修；控制模式部分则主要对水泵进行手动或自动控制，并通过界面进行控制模式显示；启停控制部分对手动控制模式下水泵的每一步操作进度以绿灯方式进行状态显示。

3.4 传感器屏蔽模块的设计

由于井下环境复杂，会经常出现某一个指标虽超过相应阈值但不会影响控制系统的整体性能，此时，可对相关传感器进行屏蔽操作，而传感器阈值的设置一般是二级阈值设置。在进行传感器屏蔽功能设计时，主要是对传感器的检测参数进行一级阈值屏蔽，包括电压、电流、电机轴承温度、排水量、井下水位等参数，需人员进行判断后手动屏蔽，但此时系统仍会发出一级声光报警提示。此功能不仅可实现整套系统的预警提示，也可保证排水过程不间断操作，提高排水效果。

4 系统测试的评价

为进一步验证所设计的井下排水控制系统的综合性能，在新元煤矿主井进行了现场应用验证，测试周期为6个月。经过对该系统的现场应用测试，表明该排水控制系统运行良好，各项数据检测功能、数据显示及分析功能等均正常，能清晰、高精度地实时显示井下排水过程的相关参数，当井下水位超过阈值或水泵出现异常现象时，该系统也能够及时发出相应的声光报警提示，并执行相应的控制操作命令，并通过显示界面显示所有异常现象类型及发生位置，有关人员只需通过显示界面提示，有针对性地对井下异常情况进行检查、维修等操作，正常排水过程无需人工干预和操作。由此实现了整个排水过程的自动化远程控制，大大提高了井下作业的安全性，降低了人员的作业危险程度。显然，该系统具有重要的实践应用价值。