矿井主排水系统自动化控制的研究与实现.pdf

Z h u a n g b e i Y in g y o n g y u Y a n ◆ 装 备 应 用 与 研 究● 矿井主排水系统 自动化控制的研究与实现 张延昭 平顶 山天安煤业九矿有限责任公司， 河南 平顶山 4 6 7 0 0 0 摘要 介绍了矿井无人水泵房控制系统的组成， 对网络监控 自动化系统进行 了分析 ， 总结 了系统的特点和功能。该系统在实际应 用中提高 了水泵的运行效率和生产 的安全性 。 关键词 排水系统 ； 自动化控制； 节能降耗； 矿井安全； P L C O 引 言 该项 目属于机 电自动化控制技术领 域， 通 过 以太 网能够 实 现地面控制室对井下无人职守泵房水泵全 自动排水的控制。 在煤矿技术快速发展的今天， 随着微机技术的发展， 远程控制 己成为未来煤矿发展的必然趋势 通过光电转换器将光信号 转换为电信号， 用光缆传输信号， 远程 电脑发出指令后传输至 现场P L C 接收机， 用P L C 数字编程控制水泵开停及阀门开关。 1 研究的主要内容 1 ． 1 总体思 路 矿井主排水系统担负矿井主要排水任务， 对矿井安全生 产起着 至关重 要的作用 ， 煤 矿为此 投入大量 人力及 物力 ， 随着 矿井不断深入， 投入也在不停上涨 。由于以往技术落后， 无法 实现 自动化控制， 人的因素至关重要， 一时的疏忽大意或脱岗 极 易造 成不可挽 回的损 失 。提 高排水 系统安全 可靠性 及 降低 能耗、 人力消耗在矿井安全生产中显得日益重要， 采用先进的 科学技术提高生产力是煤矿职工的共同心愿， 因此九矿决定 研究可靠的控制系统， 实现减人提效、 安全生产 。 1 ． 2技术 方案 1 ．2 ． 1 对矿井排水系统进行分析 九矿 井 下排 水 系统 完善 ， 设备 设施 完好 ， 运转 正 常， 经河 南省煤矿安全监察局矿用安全产品检验中心检验测试合格 ， 并有平煤集团地质测量处提供的正规水文地质测量报告， 报 告 中含有矿 井各 水平 正常 涌水 量 、 最 大涌 水量 及生 产期 间实 际涌水量数据。矿井在每年4 月份雨季来临之前都进行一次工 作水泵加备用 水泵联合排 水试 运， 并 出具正规联合试运 报告。 矿井排 水系 统共分为2 个排水 系统 ， 一 1 2 0 m水平 以下水 由 一 4 5 0 m水泵房 水泵排至地面 泄洪池 ， 一 1 2 0 m水平 以上水 由 过网络化将电力系统中每一个拥有继电保护与故障检测的节 点的保 护系统 与其数据 传感器 相结合 ， 通 过这种 网络化 ， 使 保 护系统在采集 日常运行数据时， 将 日常电流运行数据转化为 数字信息传送到 电网控制中心[ 5 ] ， 从而实现准确且快速 的判 断， 并作出应急处理， 快速隔离故障， 进一步判断故障范围。通 过实施微机 网络化， 纵联差动保护对电气设备保护优势明显。 通过网络化迅速准确分析故障性质、 位置与原因， 继电保护装 置能及时作出有效的处理， 增强电力系统的稳定性。 4 ． 2 继电保护与故障检测的自适应控制方法 自适应控 制理 论 已在 一些领 域得 到 了广泛 的应用 。在 电 网控制中， 控制元件必须具有适当敏感度， 以便在故障情况下 准确发出报警信号。电网中的继电保护与故障检测系统， 都需 具备如此敏 感度 适宜 的主元件 ， 如 继电器 、 互感 器 、 变换器 等 。 一 般来说， 此类控制元件需求量大， 各地电网情况和供 电情况 都有差别， 因此影响了控制元件敏感度的统一性。基于此， 主 元件需具 有 自适 应性 ， 根据 实际情 况 自行设 定敏感 度 ， 从而 有 效保护电力系统， 这种控制方法有选择性地进行故障检测， 同 时提高了继电保护的灵敏性和速动性要求。 4 ． 3 继电保护与故障检测的人工神经网络方法 人工神经网络故障检测是将生物神经网络、 模糊逻辑和 遗传算法等人工智能技术应用在 电力系统保护领域。人工神 经网络对信息的分布式存储具有高效和智能的特点， 在 电力 系统 中的应 用具有 显著效果 。基于这些 特点 ， 电力系统继 电保 护利用人工神经网络来进一步实现故障类型判别、 故障距离 测定 、 故 障点位置 判断 并及 时将 故障点切 除， 从 而有针 对性地 实现对 电力设备 的保 护 。 5 结 语 继电保护和故障检测在维护电力系统的安全稳定运行中 具有重要的意义， 加大对继 电保护和故障检测方法的研究可 提升电力系统服务质量。随着现代化高新科技的发展， 人们对 电力系统技术服务提出了更高的要求， 在此基础上， 继电保护 和故障检测相关技术方法也随之升级。基于常用的故障检测 方法， 结合现代化电力系统技术服务需求， 继电保护和故障检 测将向数字化、 自动化、 网络化 以及智能、 数据通信等多元一 体化趋势发展。 [ 参考文献 ] [ 1 ]郭小平． 矿用馈 电开 关控制器 的设计 [ D ] ． 西安 西安科技大 学 ， 2 0 1 4 ． [ 2 ]张伟 ， 夏建勋 ， 罗波， 等． 电力系统继电保护及故障检测分析 [ J ] ． 自动化应用， 2 0 1 7 1 6 1 6 2 ． [ 3 ]周进龙． 小 电流接地 系统选线装置评估 系统的研究 [ D ] ． 保 定 华北电力大学， 2 0 1 5 ． [ 4 ]刘明． 浅谈 电力系统继 电保护与故障检测 [ J ] ． 中国高新技术 企 业 ， 2 0 1 7 7 1 8 8 1 8 9 ． [ 5 ]尹荣侠． 探讨 电力系统继电保护与故障检测新方法 [ J ] ． 科技 资讯， 2 0 1 4 3 1 8 2 ． 收稿 日期 2 0 1 7 0 8 2 2 作者简介 张皓 1 9 8 9 一 ， 男 ， 云南华坪人， 助理工程师 ， 研 究 方 向 继电保护调试。 机电信息2 0 1 7 年第 2 7期总第 5 2 5期3 7 ● 装 备 应 用 与 研 究 ◆ z h u a n g b e i Y in g y o n g Y u Y a n j iu 一 1 2 0 m水仓 排至 地面 ， 一 4 5 0 m水平 以下 水 由- 6 1 8 m泵 房 水泵 排至- 4 5 0 m水仓。其 中- 1 2 0 m水仓容积为 1 2 0 0 m3 、 - 4 5 0 IT I 水 仓 容积为2 4 0 0 IT I 、 一 6 1 8 m水仓 容积为2 4 0 0 m3 。一 4 5 0 i n 泵房通 过2 趟 4 3 2 5 管 路排 至地 面 ， 一 1 2 0 i n 泵房通 过3 趟 4 2 5 0 管路排 至 地 面， 一 6 1 8 m泵房通过2 趟4 2 1 9 管路排至地面 。 1 ． 2 ． 2 对排水 系统 自动化运行 环境条件进 行分析 一 4 5 0 r fl 水 平 泵 房 排 水 高度 5 5 0 n l - 4 5 0 ～ 1 0 2 m ， 安 装 P J 1 5 0 1 0 水泵3 台 ， 电机功 率9 0 0 k W ， 电压6 k V Dl 5 5 6 7 X6 水泵2 台， 电机功率2 8 0 k W， 电压6k V； 工作泵 一台大泵 排水 总 能 力 3 0 0 m ／ h， 工 作 泵 加 备 用 泵 总 排 水 能 力 6 0 0 m ／ h ， 2 0 0 5 --2 0 1 0 年- 4 5 0 n l 水平实 际 正常 涌水 量2 5 ． 8 m3 ／ h ， 实 际最 大涌水量4 6 ． 2 m3 ／ h 。一 4 5 0 m泵房水泵测试测定实际排水量为 2 7 0 1 1 1 s ／ h 。水 泵启 动使 用6 k V高压 开关 ， 水 管排 气 采 用低 压 6 6 0 V真空泵抽 真空方式 。 - 6 1 8 m中央 泵 房 排 水 高度 1 7 0 IT I - 6 1 8- 4 5 0 m ， 安 装 MD 2 8 0 --4 3 6 水泵3 台， 电机功率3 1 5 k W， 电压6 k V， 工作泵 排水能力2 8 0 ms ／ h ， 工作泵加备用泵总排水能力5 6 0 ms ／ h ， 泵房 r] - 4 5 0 m水 仓铺 设有4 2 1 9 管路 两趟 ， 2 0 0 9 --2 0 1 0 年 矿井 实 际 正 常涌水 量 1 7 m3 ／ h ， 实 际最大 涌水量 3 2 I T I ／ h 。水泵 启动使 用 6 k V高压开关， 水管排气采用低压6 6 0 V真空泵抽真空方式。 1 ． 2 ． 3 制定可行性 方案 平煤九矿建设矿井无人水泵房控制系统 ， 实现井下泵房 的监测与远程控制 ， 是综合现代化建设的重要组成部分。 目 前 ， 矿井 下水泵机 组设备用 量多 ， 消耗 电量大 ， 运 行工况 复杂 ， 人工很难做到实时监控， 如果还采用以往人工检修的方式， 将 大大降低生产安全性 。安装该控制系统后可 自动排水， 由计算 机 自动检测水位并控制水泵的开停， 实现煤矿安全 、 高效 、 高 产 、 节 能， 从而走 上矿 井 自动化 之路 。 2解决的主要 问题 2 _ 1 实现远程监控 系统采用全分布式结构， 主要由井下控制分站、 就地控制 箱 、 各 种传 感器 及控 制主 站构 成 ， 控 制主 站位 于控制 室 ， 所 有 数据均由以太网或工业总线进行传输， P L C 与传感器之间采用 矩阵结构连接。 2 ．2实现排水系统远程操控 采集各类有效数据， 通过控制站计算机控制系统中收集 来的大量数据构建数据模型进行分析， 帮助技术人员作出正 确的判断， 利用P L C对排水系统设备进行遥测遥控， 同时可利 用井下工业视频系统， 实现井下水泵房无人值守或少人值守 的 目的 。 2 ． 3 应对无人值守运行过程中突发事故 通 过对水仓 入水 口流 量 的监 测 ， 可 以计算 当前进水 量 ， 能 快速监测到突发的涌水量激增， 通过对进水量和存水量数据的 历史积累可以绘制趋势图， 形象直观地了解各个时期的涌水量， 使得 事故发生 时有了预判和准 备的时 间。如遇 大量涌水 ， 系统 将 一方面报 警 ， 另一方面 智能判 断水仓水 位及涌 水趋 势 ， 智能 开启某一路或几路水泵， 降低水仓水位， 保证矿井安全生产。 2 ．4系统故障 时的保护 水泵 出现故 障时， 系 统能够及时报 警 。系统有远程 手动控 制模式 ， 保证 了即使系统 出现故障， 也可 以根据实际情况使用手 动模式 ， 通过水 泵综合 自动控制系统开停水泵及确定开泵 台数 。 2 ． 5 达到的主要经济指标 1 无人值 守 自动 控制 ， 减少 用工 投入 。通过 建设矿 井无 人 水泵房控 制系统 ， 减少 了水泵房人 员配备等各 方面 的开 支。 2 自动化运 行， 杜 绝水泵空 开、 空转 。通过水泵 闸阀与管 路 的选择性切换， 有效防止了某些管路及设备由于长期不用 发生故障， 减少了停机检修时间。 3 采 区 削峰填 谷运行 ， 减少 电费投入 。通 过避峰填谷 ， 在 液位不高的情况下， 尽量减少水泵的开启。在电费较低的时间 段通过开启多台水泵集中排水， 有效降低煤矿电费开支。 3研究工 作 的主要 阶段 、 进 度 3 ． 1试验地 点 平 煤集 团九矿- 4 5 0 n l 、 - 6 1 8 n l 泵房 。 3 ． 2 进度安排 2 0 1 4 年4 5 月， 完成一 4 5 0 1 “1 1 泵房现场勘查、 地质分析以及 试验准备工作； 2 0 1 4 年6 8 月， 根据 自动化控制的技术条件， 对 我矿主排水系统进行调研分析； 2 0 1 4 年9 1 2 月， 根据研究结论， 设计出实施方案； 2 0 1 5 年1 3 月， 根据方案进行设备的安装改 造 ； 2 0 1 5 年4 5 月 ， 对一 4 5 0 1 1 1 泵 房 的系统进 行调 试 ； 2 0 1 5 年6 1 2 月， 完成一 6 1 8 i n 泵房水泵 自动化系统的安装； 2 0 1 6 年1 2 月， 对两个泵房进行通讯连接， 并进行调试； 2 0 1 6 年3 4 月， 安装 完成 ， 撰 写论文 。 4 新技术应用前景 水泵 自动化系统通过检测水仓水位和其他参数， 控制水 泵轮流工作与适时启动备用泵， 合理调节水泵运行。项 目研究 成功， 可以实现排水系统的高度 自动化， 大大提高主排水泵房 的管理水平和经济效益， 不仅对九矿， 对平煤其他矿井乃至全 国同条件的煤炭企事业单位都有着重要的推广价值及广阔的 应用 前景 。 5结语 平煤九矿在中央泵房安装 了自动化监控系统， 该系统具 有实时高效可靠， 高度集成化、 智能化等特点， 能有效控制水 泵轮流工作与适时启动备用泵等， 构成一体化的网络监控系 统。系统通过计算机屏幕显示监控点的图形、 图像、 数据、 文字 等方式展示监控点的工作状态及参数， 并通过通讯模块与综 合监控主机实现数据交换， 提高了水泵的运行效率和生产的 安全 性 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]张成春． 矿井排 水节 能对策研 究 [ J ] ． 科技创新与应 用， 2 0 1 5 1 7 1 2 0 ． [ 2 ]徐海 ， 刘波． 基于P L C 的主排水泵远程监控系统的研 究与应用 [ J ] ． 煤矿安全， 2 0 1 2 ， 4 3 1 7 3 7 6 ． [ 3 ]孙继平． 煤矿 自动化与信息化技术 回顾与展望 [ J ] ． 工矿 自动 化 ， 2 0 1 0 6 2 6 3 0 ． 收稿 日期 2 0 1 7 0 7 2 6 作者简介 张延昭 1 9 6 3 一 ， 男， 河南平顶 山人 ， 工程师， 研究 方 向 矿山机 电。