煤礦井下自動(dòng)排水裝置設(shè)計(jì)

1、煤礦井下自動(dòng)排水裝置設(shè)計(jì)摘要：隨著煤礦事業(yè)的快速發(fā)展，煤礦開采水平不斷提高，面對復(fù)雜的井下環(huán)境做好防排水工作至關(guān)重要。新時(shí)期自動(dòng)化技術(shù)在煤礦井下排水中的應(yīng)用價(jià)值得到重要體現(xiàn)，其主要以自動(dòng)排水裝置為依托實(shí)現(xiàn)了井下排水作業(yè)的自動(dòng)化管理。文章以此為基礎(chǔ)對煤礦井下自動(dòng)排水裝置設(shè)計(jì)展開探討。關(guān)鍵詞：井下排水；排水裝置；裝置設(shè)計(jì)；自動(dòng)排水引言隨著我國煤礦開采力度不斷加大，井下巷道涌水、積水問題愈發(fā)嚴(yán)重。目前井下巷道排水仍存在積水點(diǎn)廣泛、距離遠(yuǎn)并且靠人工操作水泵的方式進(jìn)行啟停，而傳統(tǒng)PLC控制監(jiān)測系統(tǒng)過于龐大且價(jià)格高并在數(shù)據(jù)處理與控制操作不方便，難以應(yīng)對煤礦積水廣泛的特點(diǎn)，這一狀況難以應(yīng)對煤礦的自動(dòng)化和現(xiàn)代

2、化的高速發(fā)展需求。1 煤礦井下自動(dòng)排水裝置概述煤礦井下主排水系統(tǒng)裝置是每個(gè)礦井不可缺少的單元,現(xiàn)水泵開停仍采用人工完成,不能實(shí)現(xiàn)根據(jù)水位或其它參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控開停水泵,更無實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測與管理。為保證安全排水,實(shí)現(xiàn)節(jié)省人員與節(jié)電,主排水系統(tǒng)有必要實(shí)行集中控制,即自動(dòng)化改造實(shí)現(xiàn)無人值守。在地面加裝監(jiān)測監(jiān)控中心,建設(shè)遠(yuǎn)程控制水泵操作流程圖。當(dāng)?shù)V井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測到水倉蓄水在高水位時(shí),需要啟動(dòng)水泵抽水時(shí),地面操作人員及時(shí)啟動(dòng)水泵。當(dāng)水倉蓄水在低水位時(shí),一是調(diào)度值班人員及時(shí)停止水泵,二是水倉吸水井中安設(shè)浮球下浮,斷開啟動(dòng)器控制回路停止水泵。在地面監(jiān)控中心就可知道水倉蓄水情況,隨時(shí)可啟動(dòng)水泵抽水,無需派人工

3、專門抽水。此套控制裝置和監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)投入安裝復(fù)雜但便于人員操作和維護(hù),對于安全管理和人員運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。在煤礦機(jī)運(yùn)崗位人員不斷減員的情況下,利用監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)控制水泵,具有節(jié)約人工,安裝容易,操作簡單,應(yīng)用效果良好,值得推廣。2 現(xiàn)有排水控制系統(tǒng)的研究狀況及存在問題隨著國家研發(fā)能力的逐漸增強(qiáng)，為進(jìn)一步解決礦井中排水問題，國家相關(guān)學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)也加大了對礦井排水系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)及優(yōu)化升級設(shè)計(jì)，主要包括：排水泵的更換、排水系統(tǒng)控制的改進(jìn)、排水巷道的合理布局、其他排水設(shè)備的改造等，并將當(dāng)下更加先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到排水系統(tǒng)中，如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊算法等，通過這次硬件的優(yōu)化與軟件算法的改進(jìn)，達(dá)到礦井排水

4、系統(tǒng)的最優(yōu)控制的目的。但礦井排水控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中仍存在理論與實(shí)際無法有效匹配的應(yīng)用問題，以木瓜煤礦中的排水系統(tǒng)存在問題為例進(jìn)行分析，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:第一，排水系統(tǒng)中的設(shè)備無法最大效率、最大功率地運(yùn)轉(zhuǎn)，部分設(shè)備處于靜置或閑置狀態(tài)，未實(shí)現(xiàn)設(shè)備的充分利用；第二，排水系統(tǒng)中的排水設(shè)備，如排水泵、閥等，大部分仍采用手動(dòng)方式進(jìn)行控制，暫未實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程及自動(dòng)化控制，即使部分設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，但在使用中仍存在系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、信號響應(yīng)速度慢、信息易誤報(bào)等問題；第三，現(xiàn)有的排水控制系統(tǒng)對信號的采集種類相對較少，顯示界面的功能也相當(dāng)單一，控制中心的運(yùn)行速度相對緩慢，部分信號仍需采用現(xiàn)場收集儀表信息

5、，再輸入至上機(jī)位控制軟件中進(jìn)行信息分析處理，造成了整個(gè)排水控制系統(tǒng)的自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化控制功能未得到有效實(shí)現(xiàn)。3 煤礦井下自動(dòng)排水裝置設(shè)計(jì)分析3.1合理設(shè)計(jì)井下排水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)煤礦井下排水系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)、無線電通訊技術(shù)等技術(shù)設(shè)計(jì)而成,排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三級,具體包括井下、地面以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成。井下監(jiān)控系統(tǒng)主要由三部分組成:控制站、傳感器和無線電臺,井下監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)水位監(jiān)控,將監(jiān)測信息傳輸給控制器,控制將采集信息通過無線電臺傳輸?shù)降孛?此外控制系統(tǒng)也監(jiān)控泵組電機(jī)電流等信息,避免電機(jī)超載運(yùn)行。地面監(jiān)控系統(tǒng)由交換機(jī)、無線收發(fā)模塊和監(jiān)控中心組成,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和對井下排水系統(tǒng)控制。遠(yuǎn)

6、程監(jiān)控中心主要數(shù)據(jù)處理和儲存功能、并建立數(shù)據(jù)庫,生成信息報(bào)表等。3.2PLC控制器的匹配設(shè)計(jì)PLC控制器是整個(gè)排水系統(tǒng)的控制核心，故結(jié)合排水系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，選用了歐姆龍公司生產(chǎn)的CJ1系列PLC控制器，其結(jié)構(gòu)包括模擬量輸入/輸出模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、通訊模塊、CPU模塊。其中，模擬量輸入模塊采用了24V電源設(shè)計(jì)，可直接通過CPU中的電壓進(jìn)行供電，且在其模塊上設(shè)置了多個(gè)輸入點(diǎn)，主要用于接收排水系統(tǒng)中的液位信號、溫度信號、水泵信號、流量信號、負(fù)壓信號等，并以電流形式進(jìn)行信號輸入；而開關(guān)量輸入模塊選用了IA201模塊，其輸入電壓為AC100120V，電流為12mA，并設(shè)置

7、了32個(gè)點(diǎn)數(shù)，主要用于接收真空泵的開關(guān)信號、液位開關(guān)信號、閘閥開關(guān)信號、球閥到位信號等，同時(shí)，其內(nèi)部的濾波電路，可對外部干擾信號進(jìn)行有效隔離。整個(gè)PLC控制器具有較高的控制性能，能較好地滿足井下排水系統(tǒng)的有效控制，保證井下作業(yè)環(huán)境的安全。3.3 主控硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過采用微機(jī)控制與計(jì)算機(jī)技術(shù)對井下排水系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與采集，并將其數(shù)據(jù)傳輸至中央控制單元，整個(gè)井下控制器主要由數(shù)字輸入模塊、模擬量輸入模塊、主控單元、通信單元、按鍵模塊、顯示模塊以及輸出單元構(gòu)成。主控制器在分析排水過程的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測、多臺水泵的自動(dòng)控制與切換、報(bào)警等功能；模擬量輸入模塊與數(shù)字量輸入模塊與各類型傳感器相配合，不

8、斷采集水倉、電壓電流、水泵運(yùn)行狀態(tài)等變化情況，將其傳輸給主控單元進(jìn)行處理，信息采集的準(zhǔn)確性為整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵；本系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)顯示電路與通信子系統(tǒng)完成地面監(jiān)測中心和井下操作人員實(shí)時(shí)對水位、水壓、排水流量、電機(jī)狀態(tài)等參數(shù)的顯示管理，同時(shí)通過井下以太網(wǎng)技術(shù)使得這些信息可以通過交換機(jī)連接井下與井上地面監(jiān)測中心，實(shí)現(xiàn)井上和井下的命令上傳下達(dá)的可靠性與及時(shí)性，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。3.4 自動(dòng)排水系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用模塊化,主要由一個(gè)主控制程序及若干個(gè)子控制程序構(gòu)成。主控制程序根據(jù)運(yùn)行環(huán)境選擇調(diào)用子控制程序。具體的控制運(yùn)行模式有:第一，檢修模式。該模式主要用于對控制系統(tǒng)及相關(guān)排水設(shè)備等進(jìn)行檢

9、修,主要功能包括控制設(shè)備啟停,檢修人員可以就地實(shí)現(xiàn)對水泵房水泵控制。當(dāng)需要對某一臺水泵進(jìn)行檢修時(shí),主控制程序根據(jù)輸入指令調(diào)用相關(guān)子程序,維修人員就可以通過控制箱進(jìn)行相關(guān)操作,控制有關(guān)指令輸出。第二，全自動(dòng)控制模式。主控制程序在每一個(gè)循環(huán)執(zhí)行周期都會調(diào)用全自動(dòng)控制子程序,根據(jù)監(jiān)測到的水位信息控制水泵運(yùn)行。在控制模塊中內(nèi)置智能邏輯運(yùn)算,根據(jù)水倉水位以及水泵運(yùn)行狀態(tài),智能決定水泵運(yùn)行,降低能耗以及設(shè)備磨損。在全自動(dòng)控制模式下可以對水位變化率進(jìn)行識別,當(dāng)發(fā)現(xiàn)水倉水位發(fā)生較大變化時(shí),能夠提前控制水泵運(yùn)行,做到主動(dòng)預(yù)防?？刂葡到y(tǒng)對水泵累計(jì)運(yùn)行時(shí)間以及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行記錄,合理選擇主水泵以及備用水泵,提升水泵的

10、使用時(shí)限,降低設(shè)備磨耗。第三，半自動(dòng)控制。該種控制方式是水泵自動(dòng)排水系統(tǒng)的基本控制方式,在該種模式下,井下作業(yè)人員可以單獨(dú)對某臺水泵的運(yùn)行進(jìn)行控制,同時(shí)該水泵也可以根據(jù)傳感器監(jiān)測到的水倉水位信息自動(dòng)運(yùn)行,從而確保井下水倉水位標(biāo)高。3.5 適應(yīng)性改進(jìn)管理系統(tǒng)盡管排水系統(tǒng)自動(dòng)化程度越來越高,逐漸走向自動(dòng)化、信息化和遠(yuǎn)程控制,更需要先進(jìn)的管理模式進(jìn)行管理,才能發(fā)揮自動(dòng)設(shè)備的作用。將傳統(tǒng)的管理模式改成扁平管理模式,將每個(gè)人發(fā)現(xiàn)的問題直接向上級匯報(bào),防止出現(xiàn)信息逐層傳遞中產(chǎn)生的人為誤差。建立專業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊(duì),由于自動(dòng)化和信息化排水系統(tǒng)的應(yīng)用,傳統(tǒng)體力為主的作業(yè)模式改為以檢測維護(hù)為主的勞作方式,但是這些工作

11、任務(wù)需要專業(yè)知識作為基礎(chǔ),因此必須引進(jìn)專業(yè)技術(shù)隊(duì)伍,并對在崗操作者進(jìn)行在職教育,提升其專業(yè)素質(zhì)技能,以適應(yīng)新系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展。3.6 控制系統(tǒng)各類傳感器的設(shè)計(jì)雖整個(gè)排水控制系統(tǒng)是排水系統(tǒng)的分系統(tǒng)，但其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜，需設(shè)計(jì)多種傳感器來完成井下不同參數(shù)的信號采集與檢測。故結(jié)構(gòu)排水控制系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，配備了流量檢測器、壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器等，以分別實(shí)現(xiàn)對排水系統(tǒng)中不同信號參數(shù)的檢測。其中，流量檢測采用了西門子的MAG3100型，主要用于檢測排水管道中的水流量情況，該元件可檢測0.320m/s范圍內(nèi)的流速，具有較強(qiáng)的抗干擾性及穩(wěn)定性。溫度傳感器選用了ZN17-BKGWD型，主要用于

12、檢測井下水泵電機(jī)的工作溫度，以保證設(shè)備的安全運(yùn)行；該設(shè)備中配備了ptIOO的鉑熱電阻，具有較高的防爆性能。而液位傳感器則采用了SITRANS型超聲波液位計(jì)，其檢測頻率為5060Hz，可完成對井下水位的檢測。另外，壓力傳感器則采用了GYD60型號，主要用于檢測出水管道處的壓力大小，其工作電壓為24VDC,可準(zhǔn)確地檢測進(jìn)水管和排水管處的壓力變化。由此，完成了排水控制系統(tǒng)中關(guān)鍵檢測設(shè)備的匹配選型。3.7遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)第一，向井下控制器發(fā)出控制命令,以實(shí)現(xiàn)井下水泵的遠(yuǎn)程控制達(dá)到遠(yuǎn)程智能控制和就地手動(dòng)控制效果,便于運(yùn)行參數(shù)的修改或設(shè)定。第二，通過光纜可將各排水裝置運(yùn)行信息傳輸至地面控制中心主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析

13、,實(shí)現(xiàn)水倉的自動(dòng)化排水監(jiān)測及報(bào)警。并進(jìn)行水泵溫度、排水管流量等參數(shù).監(jiān)視水泵工作狀態(tài),直觀、形象、實(shí)時(shí)地反映系統(tǒng)工作狀態(tài)并能進(jìn)行控制。結(jié)語在煤礦生產(chǎn)中,排水系統(tǒng)自動(dòng)化控制對提升礦井現(xiàn)代化、信息化以及數(shù)字化控制具有重要促進(jìn)意義,在保障礦井生產(chǎn)安全的同時(shí)也提升了礦井工作效率。井下水泵房自動(dòng)化排水系統(tǒng)對設(shè)計(jì)與利用,不僅實(shí)現(xiàn)了井下水泵房的無人值守自動(dòng)化排水,而且減少了井下巡查人員及操控人員數(shù)量,確保了整個(gè)排水系統(tǒng)平穩(wěn)正常運(yùn)行,提高了礦井生產(chǎn)安全系數(shù)以及礦井經(jīng)濟(jì)效益。參考文獻(xiàn)1 蓋明哲，唐松.礦井排水自動(dòng)化控制研究J.內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2019(16):47-48.2 牛崽.煤礦井下供排水系統(tǒng)的優(yōu)化及改造J.內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)