矿用水泵自动给水装置的设计及应用分析

尹 健

（晋能控股煤业集团晋城煤炭事业部赵庄二号井，山西 长治 046000）

1 矿井水泵启动及运行现状

晋能控股集团某矿水泵采用的是比较传统的射流启动方式，这种启动方式是靠喷射泵来实现的，但喷射泵存在着许多的缺点：安装更换烦琐，操作不便，费工费力；喷射泵的喷嘴易磨损，寿命较短，需要经常更换；喷射泵喷嘴易堵塞，对水中的颗粒物提出了较高的要求，使得其适用范围大大受限；喷射泵寿命较短，随着使用时间的增加，喷射泵的功能会大打折扣。由于施工现场条件有限，更换维修喷射泵不方便，对整个工作进度会产生较大影响。

2 矿井水泵启动方式的创新

为了克服喷射泵所具有的缺点，提升矿井水泵的使用周期以及可靠性，本文提出了水泵自动给水装置来完成排水作业，具体的工作要点就是要保证水泵中时刻都充满水，从而克服喷射泵在启动时进行射流的问题。本文提出的排水工艺不需要射流启动，节省了大量时间，提高了响应速度，降低了故障率，彻底克服了真空喷射泵的启动困难不能排水的问题。

传统的喷射泵主要包括了混合管、喷嘴以及吸水管或者叫吸水室这几个部分，示意图如图1 所示。具体的工作原理是排水管传来的高压水经由喷嘴口喷出，在这一过程中水流会带走吸水室中的大量空气，进而慢慢的就会在与吸水室相连的泵体内产生负压，在大气压的作用下大量的水就会进入泵体中，然后就可以开启水泵进行排水作业了。在实际的使用过程中，由于要等到泵体中靠大气压充满水后才能开始排水，而泵体中充满水大概需要5 min 的时间，如果存在漏气则这一时间会更长，这就大大延后了排水的时间，使得排水作业不能快速响应。此外，若是漏气现象严重，则水泵无法进行排水作业。

图1 水泵喷射泵结构示意图

2.1 创新研发水泵自动给水装置

以晋能控股集团某矿的泵房为例，更改水泵的工作方式，使用自主开发的水泵自动给水装置进行排水。经过试验，数据表明本装置较传统的水泵射流启动方式运行更为稳定可靠、操作更为方便、成本更低、效率更高。本装置主要包括注水口、自动给水装置、进出水口等模块，实物图如图2 所示。

图2 水泵自动给水装置

2.2 水泵自动给水装置工作原理

该装置的工作原理为：首先要把进水口与仰井吸水管连接在一起，再把出水口与水泵吸水口连接在一起。首次使用应该提前将自动注水系统的水箱中装满水，然后启动水泵，水泵会通过该装置吸水，这样就会在水箱中产生一定的负压，大气压就会把水经过吸水管路输送到水箱中，水泵吸水箱中的水，这样就形成了一个连续的过程，完成了排水作业。

2.3 水泵自动给水装置制作、安装施工

首先要测量出该水泵的吸水管的容积，然后再结合具体的施工场地，个性化制作水泵自动给水装置，再拆除原有的排水装置的中间段，将个性化制作的自动给水装置安装上去，再给自动给水装置的水箱中灌满水，之后测试一下水箱的密封性能，这一过程对该装置至关重要。

3 水泵集控系统

本文提出的新型矿用水泵自动给排水装置可以进一步优化，结合电子电路，控制程序可以实现自动化控制。可以在矿井中的泵房中设立控制中心，利用PLC 技术对各个水泵、阀门等进行智能化控制，并通过多种传感器实时监视各个装置的工作状态、是否存在故障、以及正在进行的工序。再结合物联网、局域网技术实现数据的传输，完成远程操作，确保操作人员的安全。

可以在地面上设立具体的指挥调度中心，完成数据分析，命令下放，在井下设立一台服务器完成采集数据的上传、操作指令的分发，同时设立井下监控系统，防止电子设备故障传输错误信号，影响操作人员的判断。在视野相对开阔的地方设立红外摄像头，通过局域网实时把监控画面传输到指挥调度中心。

4 水泵集控系统的设计

4.1 上位机的设计

4.1.1 显示功能

1）工况图：可以实现井下设备的工作状态的实时显示，监测涌水量以及排水的速度，方便实现动态调控。

2）故障及保护显示：可以实现传感器采集数据的实时显示，对井各设备的工作状况有一个清晰地把握，一旦有数据出现异常可以实现及时报警，并分析可能的故障类型。

3）对历史数据进行存储，方便进行全寿命分析，发现历史趋势，完成数据的处理，方便综合分析。

4.1.2 控制功能

可以根据水位传感器采集的数据合理地控制排水泵的工作，达到避峰填谷的效果，保证水仓水位一直处于相对稳定的水平，实现动态化、稳定化管理，提高泵的工作效率。

4.1.3 报表功能

可以把各个传感器采集的数据，比如水仓水位计的历史数据做成时间-水位相关的表格，方便操作人员进行判断。

4.2 下位机的设计

本系统中运用了Siemens 公司的PLC，具体型号为S7 300，其中水泵的自动化控制系统主要由作为管理层的工控机、作为控制层的PLC 以及作为远程IO的现场层三部分构成，完成对水泵的自动化控制。本系统选用了人机交互界面友好、防水防尘的工控机，Siemens 的PLC 功能强大，可以完成基本的逻辑处理、数据的采集、信息的上传等功能。

排水泵房自动化控制系统具有如下特点：

1）系统为模块化结构：可以实现数据的采集和设备的控制等功能。本系统中所有的模块都采用固态电路，采用标准化接口、端口，方便更换维修。本系统还具有连锁和保护功能，提高了安全性。

2）数字量输入/输出模块：本系统采用直流24 V作为输入信号，采用抗干扰的信号线，输出信号用weidmueller 继电器进行隔离，保证了信号的稳定性，防止失真。

3）输入模块（AI）：输出模块采用的是标准的4～20 mA 的直流电信号，各个信号之间进行物理隔离，其中模拟量首先要经过隔离器才能输入到IO 模块中，IO模块可以灵活放置

4.3 传感器的设计

4.3.1 水位监测传感器

水位传感器应该放置在水仓中，其中内外水仓中均需安装一个，该传感器可以通过浮球液位开关来检测水位，当水位超出预定数值时，就会触发报警，同时会给工控机传递信号。

4.3.2 流量监测传感器

超声波流量传感器需要安装在水泵的出水管处，该传感器可以监测管道内液体地流速，当液体流速变化时，它就会记录下来信号，传递给工控机。

4.3.3 压力传感器

压力传感器用来测量压力，可以在水泵的出水口测量，作为流速判断的辅助数据，在水泵的抽气口处测量，判断水箱的压力是否正常。

4.3.4 温度传感器

温度传感器可以安装在重要的运动部件旁，用来监测该部件的温度变化，作为判断该部件是否正常工作的一项重要依据。

5 应用效益分析

5.1 社会效益

该自动给水装置适用范围广、操作简单、安装方便、运行稳定可靠，不受复杂井下环境的影响。与传统的水泵射流启动模式相比，大大减少了故障率，提高了工作效率，节省了时间。

5.2 经济效益

就本实践所选择的矿井，在本装置安装之前，平均1 台水泵1 年就会更换4 个平衡盘和十多个喷嘴，甚至连水泵都更换了2 台；而在安装了本装置之后，平均1 年1 台水泵只损坏1 个平衡盘。在本矿井中总共安装了5 台本装置，总计花费1 000 元人民币，而1年下来不仅节约了维修成本，而且不延误工期，降低了维修工人的安全隐患。换算下来，5 台水泵每年总共节省了151 000 元。

6 结语

本文提出了水泵给水装置，解决了水泵启动的问题，同时开发了配套的控制系统，经过实际的测试，本设计适用范围广、操作简单、安转方便、运行稳定可靠，性能上全面超越传统的水泵射流启动模式。经过长时间的运行测试，本装置未出现较大故障，大大提高了工作效率，保障了矿井的安全运行，具有较大的实际意义。