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2 0 2 0年第0 5期 煤矿井下排水系统方案优化 王俊青 阳煤集团机电动力部, 山西 阳泉 0 4 5 0 0 0 摘 要 针对原“ 高低水位” 法排水系统方案存在的可靠程度低、 人工劳动强度大、 设备检修困难等问题, 提出“ 避峰 就谷” 排水系统优化方案。在简要介绍原排水系统方案的基础上, 指出其存在的问题。从硬件设计、 软件 设计两方面阐述优化后的排水系统方案, 弥补了原排水系统的缺陷。实际使用情况表明, 优化方案在节能 降耗、 设备维护维修等方面优越性突出, 具有一定的经济推广价值。 关键词 P L C控制器; 高低水位; 避峰就谷; 排水系统 中图分类号 T D 4 4 2 D O I 1 0. 1 9 7 6 9/j . z d h y . 2 0 2 0. 0 5. 0 4 7 0 引言 在进行煤矿井下开采时, 由于开采环境、 地层结构、 岩层构造等因素的影响, 地面水、 地下水不断地渗入、 涌 入矿井, 形成聚集, 威胁煤矿井下开采工作面的安全生 产。煤矿井下排水系统的作用是及时将井下水仓内的积 水排放至地面, 保障煤矿安全生产。传统的煤矿井下排 水方式采用人工操作模式, 操作过程繁杂、 难度较大、 效 率低下[ 1 - 2]。煤矿井下排水系统的人工操作模式, 对操作 工人经验的依赖程度高, 无法保证及时将井下水仓内的 积水排除, 存在安全隐患。国内外煤矿企业、 科研机构对 煤矿井下排水系统展开了一系列研究, 如俄罗斯研究人 员利用自动检测设备检测地下水压力变化, 对水情进行 实时监测。当水仓水位达到设定水位后, 启动排水系统 进行排水。波波夫教授使用矿井高扬程双电机拖动方式 以提高排水系统效率, 并讨论该模式在运行时需要注意 的问题。国内科研机构在排水方案的可靠性、 效率以及 排水管路分布等方面进行研究。同时将智能控制技术应 用于排水系统的控制方案中, 设计排水系统监控平台, 自 动、 实时记录排水系统水位、 离心泵工作状态、 故障报警 信息等重要参数。对记录的数据进行理论分析, 指导排 水控制 方 案 的 优 化, 使 得 排 水 系 统 运 行 更 加 稳 定、 可 靠[ 3 - 6]。目前, 煤矿井下排水系统主要存在的问题为系统 稳定性差、 劳动强度大、 检修困难、 故障率高等。为解决 上述问题, 提出井下排水系统优化方案, 保证煤矿井下积 水及时排除, 确保煤矿安全生产。 1 原排水系统方案设计 原排水系统方案以西门子2 0 0系列P L C为核心, 采 用“ 高低水位” 排水方案, 详细流程如图1所示。在该排 水系统方案中, 根据水仓容量设置高低水位标识, 如极限 高水位Hm a x、 极限低水位Hm i n、 高水位Hh以及低水位 Hl。设置两台多级离心式水泵。在水仓底部安装超声 波水位传感器, 实时检测水仓水位, 同时将检测的模拟量 传送给P L C控制器。P L C控制器接收到该模拟量值后, 进行A/D转换, 得到水仓水位实时值S, 当SHh时, 开启一台水泵进行排水; 当SHm a x时, 增开一台水泵进 行排水; 当SHl时, 若此时开启两台水泵, 则停止一台 水泵运行。“ 高低水位” 排水系统方案根据设定的水仓水 位高低及时对开启水泵的台数进行调整。该方案在涌水 量大时, 无法保证及时将水仓内的水排出, 响应效果较 差; 没有考虑用电高峰段、 低峰段, 耗电量较大。 2 排水系统优化设计 2. 1 硬件设计 针对原排水硬件系统存在的问题, 优化排水系统硬 件方案设计。选用倍福C X 8 0 5 0控制器作为中央处理 器, 该控制器为多任务处理器, 响应时间短, 能够保证系 统响应的实时性, 并且可以根据实际工况要求, 扩展模拟 量、 数字量输入输出信号, 扩展C AN、C AN o p e n、M o d b u s 以及T C P/I P通信接口。为更精确地检测水仓流量、 水仓 水位以及水泵吸水管路压力值, 重新对超声波流量传感 器、 超声波水位传感器以及压力传感器进行选型, 具体如 表1所示。考虑后期排水系统设备维护维修方便, 所有传 感器模拟量输出信号统一为42 0 mA的电流信号, 供电 电源为2 4 V D C。另外将水泵的数量由原来的两台增加至 三台, 即一台排水泵、 一台备用泵、 一台检修泵。 表1 排水系统优化方案关键硬件选型以及主要技术参数 硬件 名称 规格参数使用环境用途 倍福 C X 8 0 5 0 控制器 1 6 M闪存;6 4 MR AM;C a n通 信口;1 0/1 0 0 M b i t/s网口 环境温度 -54 0 ℃; 中央处理器,排水 系统核心控制部件 超声波流 量传感器 5 0 0 m 3/h;1 8 V D C;I 1 0 0 mA;输出信号为42 0 mA 环境温度 -54 0 ℃; 用于水仓流 量实时检测 超声波水 位传感器 精度6 mm;2 4 V D C; 输出信号为42 0 mA 环境温度 -54 0 ℃; 用于水仓水 位实时检测 压力传感器 量程0-1 0 MP a;2 4 V D C; 输出信号为42 0 mA 环境温度 -54 0 ℃; 用于水泵吸水管路 压力实时检测 511 工矿自动化 自动化应用 收稿日期 2 0 2 0 - 0 3 - 2 3 作者简介 王俊青 1 9 7 6 , 男, 山西阳泉人, 毕业于中国矿业大学电气工程及其自动化专业, 机电工程师, 目前就职于阳煤集团 机电动力部, 从事煤矿机电管理工作。 2 0 2 0年第0 5期 图1 “ 高低水位” 排水方案 2. 2 软件设计 针对原排水软件系统存在的问题, 优化排水系统软 件方案设计。由于排水系统耗电量较大, 因此, 在设计排 水系统方案时, 考虑用电峰段、 谷段, 即在满足排水要求 的前提下, 在用电峰段减少排水设备的启用, 在用电谷段 增加排水设备的启用。优化后的排水系统软件方案设计 如图2所示, 将水仓水位分为五个区间, 水位由低到高分 别为H1、H2、H3、H4以及H5。在用电峰段, 水仓水位 升至H4时, 必须启动水泵进行排水; 水仓水位高于H4 时, 启动备用水泵进行排水, 同时发出声光报警; 当水仓 水位升至H5时, 启动检修泵进行排水。在非用电峰段, 水仓水位升至H3时, 启动工作泵进行排水; 升至H4时, 启动备用泵进行排水; 升至H5时, 启动检修泵进行排 水, 同时发出声光报警。当水仓水位降至H2时, 排水系 统关闭声光报警, 水仓水位处于安全区间。 3 使用情况 优化后的排水系统在某煤矿4 2 一盘区进行工业试 验。该盘区水仓蓄水能力为1 6 8 3 0 m 3, 当涌水量增大时, 该排水系统方案能够满足排水需求, 增强了水害抗灾能 力。硬件传感器统一型号, 统一输出信号, 使得排水设备 种类减少, 提高了设备维护能力。采用“ 避峰就谷” 的排水 方案, 在满足排水要求的前提下, 在用电谷段进行排水, 与 原排水系统相比, 节电约1/4, 日节约电费约1万元。 图2 “ 避峰就谷” 排水方案 4 结语 煤矿井下排水系统是保障煤矿安全生产的重要系统 之一, 同时, 该系统耗电量巨大。因此, 在设计排水系统 方案时, 必须考虑节能降耗指标; 排水系统设备众多, 在 对硬件设备进行选型时, 需要考虑设备的统一性, 使后期 的维护、 维修方便。排水系统优化方案, 充分考虑耗电 量、 维护检修困难等问题, 采用“ 避峰就谷” 排水方案, 在 保证满足排水系统要求的前提下, 达到节能降耗的目的。 参考文献 [ 1] 张海峰, 罗明华, 佘影.以P L C为核心的煤矿自动排水系 统设计[ J].煤炭技术,2 0 1 6,3 54 2 4 3 - 2 4 5. [ 2] 袁小平, 白楠, 王泽林, 等.煤矿井下排水泵监控系统的设 计[ J].工矿自动化,2 0 1 03 1 1 3 - 1 1 4. [ 3] 梁蕾, 岳彦博, 李鹏, 等.基于P L C的矿井供排水网络自动 化系统研究[ J].煤矿机械,2 0 1 2,3 31 1 2 3 - 2 4. [ 4] 刘润花, 李敬涛, 朱全印.节能型矿井水泵自动控制系统 的研制[ J].煤炭工程,2 0 0 78 1 0 0 - 1 0 1. [ 5] 赵建军.井下 中央 泵 房自 动控 制及 状 态监 测系 统 设计 [D].西安 西安工业大学, 2 0 1 2. [ 6] 熊建国.基于P L C的变频调速恒压供水系统设计与实现 化[D].成都 电子科技大学, 2 0 1 3. 611 自动化应用 工矿自动化