兴隆庄煤矿中央泵房自动控制系统的设计与实现

【摘 要】本文主要针对兴隆庄煤矿井下控制系统存在的一些问题，设计一种集中控制系统。以当前井下中央泵房的控制系统设计方案为参考，提出了一种基于局域网总线控制器和嵌入式工业计算机监控的井下中央泵房自动控制系统方案。

【关键词】中央泵房；排水系统；自动控制；安全生产

井下中央泵房承担着矿井的主要排水任务，对煤矿的安全生产起着举足轻重的作用。对该中央泵房各排水泵实行全方位自动监控，及时掌握其矿井涌水情况，具有非常现实的意义，自动排水系统的研究，在矿业企业中已成为一个重要的研究课题。

1 现状和存在问题

1.1 现状

兴隆庄煤矿中央泵房设在副井井底车房，与中央变电所同一硐室相互隔离。矿井中央泵房包括外环、内环主副两个水仓、主排水大泵房和排水管路组成。中央泵房担负井下排水任务。标高-349.4m，容积4227.43m3。管道倾角27°，全长25m，宽3.5m，高3.1m，内分布三路排水管路，管子道中间开有一电缆通道，下井四个回路的电缆经副井和电缆通道进入中央变电所。泵房内原设计安装了5台沈阳产250D×60×8型多级分段式离心泵，进水口直径250mm，每级扬程60m，共8级进水段，总扬程480m，流量420m3/h，每台水泵自重3t。

1.2 存在问题

兴隆庄煤矿中央泵房仍然使用传统的人工操作排水系统，这种排水系统由于自动化程度低，应急能力差，还做不到根据水位或其它参数自动开停水泵，这将严重影响井下主排水泵房的管理水平和经济效益的提高，存在很大的安全隐患。

2 系统的设计与实现

从兖矿集团兴隆庄煤矿自动化生产实际出发，针对现有排水系统存在的弊病，结合现代工业技术和控制理论，开发适于煤矿井下使用的自动排水系统利用工业专用测控保护器和液位检测装置，组成自动监控系统，根据水仓水位变化情况，实现自动排水。

2.1 系统设计原则

1）系统满足“煤矿安全法规”、“煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范”，和其它有关规定，设计的安全性、稳定性和可靠性为基本原则；

2）通过总线和以太网控制，地面监控和网络连接到Internet；

3）所选设备的系统工作安全可靠、实用、充分考虑技术进步；

4）系统稳定可靠、操作灵活、维修方便的设计标准。

2.2 系统组成与工作原理

2.2.1 系统组成

本控制系统以PLC作为控制核心，触摸屏和上位机为显示和主要操作设备，通过PLC检测水泵设备和传感器的信号，控制水泵、真空泵等设备和电动阀门、电磁阀等执行器。系统主要包括：远程主站（上位机）、集中控制台、传感器和执行器等四部分。系统示意图如下图1。

2.2.2 系统工作原理

数据自动采集主要由PLC实现，PLC模拟量输入模块通过传感器连续检测水仓水位，将水位变化信号进行转换处理，计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，控制排水泵的启停。电机电流、水泵轴温、电机轴温和定子温度、排水管流量，等传感器与变送器，主要用与监测水泵、电机的运行情况，超限报警，以避免水泵和电机损坏。PLC的数字量输入模块将各种开关量信号采集到PLC中作为逻辑处理的条件和依据，控制排水泵的启停。

图1 系统结构图

2.2.3 系统的实现

系统具有手动、集控、远控三种操作方式，其中集控和远控方式还分别分为集控手动、集控自动和远控手动、远控自动两种方式，因此也可以将操作方式分为手动（即纯手动，就地操作）、集控手动、远控手动、自动四种。

1）手动：既保持现有的操作方式，整个系统完全脱离控制器，手动单台就地操作各个设备，作为检修或控制系统出故障时应急的操作方式。

2）集控手动：该操作方式需要由操作人员根据水仓的水位确定需要开启水泵的台数，然后人工在PLC控制柜上启停水泵，当需要开启（关闭）某台水泵时，只需按下PLC控制柜上的启动（关闭）按钮，系统将自动完成抽真空、开关阀门、运行参数判断、报警、停机等步骤，实现单台水泵的一键开启（关闭）。

3）远控手动：既地面控制室远程启停设备并监视设备的运行状态及各个运行参数变化趋势。在远程启停某台设备时，其操作步骤和集控手动类似，操作人员只需按下监控软件上的开启（关闭）按钮即可。

4）自动方式：即根据液位高低、上水与否和峰谷电价时段等因素自动启停水泵，阀门与水泵之间联锁起停，并实时检测各个设备的状态，发生故障自动停机并报警。此方式下可实现无人值守。

3 结论

煤矿矿井排水是煤矿安全生产的重要组成部分，地下排水系统好坏严重威胁矿井安全生产。本系统进行了分析，提出了本课题，本文完成了井下水泵房集中控制系统设计研究。主要包括以下几个方面：

1）改变落后的井下排水系统，集中控制系统的概念的映入，提高了工作效率和可靠性。

2）系统配备以太网，将上传操作状态中央水泵房和水泵机组参数信息到地上控制室通过工业以太网，通过矿井地面控制室的局域网（LAN），然后向有关部门信息，授权管理人员能掌握地下排水系统的测试数据和远程启停装置。3）传统排水泵组和辅助设备磨损快，提出了“新的自动旋转设计”。排水系统的能量消耗太大，我们提出了“避峰填谷”的新设计思想。

4）通过人机交互界面，工作状态数据、文本、图像直观的反应系统，实时反映系统和相应的参数。