井下排水系统范文

2024-07-21

井下排水系统范文（精选10篇）

井下排水系统第1篇

关键词：PLC,组态,泵房排水,远程监控

井下中央泵房在煤矿开采中起着关键性作用, 能否可靠、高效运行直接影响到煤矿的生产、人员安全和开采的效率。目前, 大多数煤矿井下泵房仍然采用人工方式控制, 通过控制阀门和继电器开闭等来操纵设备。这种人工控制方式导致生产效率低下, 事故率高, 所需工人多, 自动化程度低, 不利于提高矿井的应急能力和泵房的高效管理, 严重影响了现代化煤矿的建设和发展[1]。

本文将S7-300应用到井下泵房排水系统中, 进一步提高排水系统的自动化控制水平, 不断实时检测水仓水位和其他信号, 准确自动控制水泵的启停。为了使水泵均匀使用和减少耗电费用, 开发了水泵“自动轮换”和“避峰填谷”运行功能。同时基于Win CC开发了上位机监控软件, 可以实时生动地监控水泵的运行状态。

1 井下泵房自动化总体控制系统

从图1-1可知, 井下泵房包括用于各种检测的传感器、控制阀门, PLC控制箱和触摸屏, 以太网交换机和用于监控系统的上位机[2]。

图1-2是水泵管路系统图, 从中可知水泵管路的各部分组成。

2 控制系统硬件设计

图2-1为PLC控制系统硬件结构框图。本系统与传统的排水系统相比, 其工业技术较为先进, 检测全面。本排水系统可在无人操作的情况下, 根据现场情况以及具体要求选择最合适的控制方案。控制系统硬件是以西门子S7-300 PLC为核心, 采用模块化设计, 模块间可进行自由组合和功能扩展, 其主要模块有数字量输入输出模块、模拟量输入模块、通信模块和上位机监控中心以及导轨等.

3 系统实现的主要功能

(1) 水仓水位自动检测

水仓水位信号是泵房运行的主要依据参数, 系统根据水位的变化来自动控制水泵启停。为了保证系统的高可靠性, 采用了超声波和投入式液位传感器, 两者互为备用。

(2) 多种控制方式

为了控制方便, 系统分别设计了自动、半自动、手动3种方式;且可以在系统发生故障时自动切换相应的控制方式上。

(3) 水泵的自动启停功能

“自动控制”运行时, 水泵的启动、停止完全依靠PLC完成, 不需要人工干预。“半自动控制”下, 只需要人工在触摸屏上选择哪台水泵启动或停止, 其余的动作由PLC自动控制完成。

(4) “避峰填谷”功能[3]

所谓“避峰填谷”是水泵在用电的“谷段”和“平段”时间段工作, 尽量避免在“峰段”启动, 这种可以减少泵房排水用电量, 从而达到节能。供电部门划定了每个时间段的, “峰段”最高、“谷段”最低、“平段”次之, 从而达到节能效果[3]。

(5) 水泵“自动轮换”功能

系统运行时, 系统采用“自动轮换”的工作方式, 按一定顺序自动启停水泵, 使各水泵的使用率分布均匀。

(6) 自动监控水泵状态功能

水泵运行后需要不断检测其运行状态, 当任何一台运行中的水泵参数超限时, 系统自动发出报警, 退出运行或停止。

4 控制系统软件设计

本控制系统的软件设计主要包括:控制方式选择、水泵自动启动和停止、水泵自动轮换、“避峰填谷”以及上位机监控程序等。

4.1 控制方式选择

为了控制方便, 系统分别设计了自动、半自动、检修3种方式。自动控制方式是PLC根据传感器采集到的水位数据, 并结合水泵的“避峰填谷”和“自动轮换”功能确定水泵启、停的台数和具体应动作的水泵来控制水泵的运行。当出现故障后, 系统会自动发出报警, 自动停止故障泵的运行。

半自动控制方式是操作人员在触摸屏上手动开启或关闭哪台水泵, 在选定水泵后, 剩下的工作由PLC控制自动完成, 不再需要人的干预。

手动控制方式主要是用于检修或维护, 为防其他人误操作在检修时, 设置手动方式为最高级。在手动方式下, 其他操作方式失效。具体操作方式的选择见图4-1。

4.2 水泵的自动启动和停机过程

水位传感器在线检测水位的高度, 当水位达到预定排水高度时, 射流泵开始注水[1]。当泵真空度达到预设值时水泵电机开启。在电机启动的过程中, 水泵的出口处的压力会逐渐增加, 到出口压力值达到预设值时, 开启电动闸阀进行排水。水泵启动同时, 系统会检测相关设备的状态, 状态满足时, 水泵才能正常启动, 否则水泵启动失败。当水位下降到规定水位时, 水泵停止排水, 在停止排水的过程中, 先关闭电动闸阀, 再关闭水泵电机。

具体的控制流程见图4-2

4.3 水泵避峰填谷功能实现

水位传感器可测量水位的连续变化情况, 把水仓的底部为点1水位处, 分别把水仓从低到高分为6个水位点。通常, 点5和点6分别为警戒水位和极限水位, 当水位到警戒水位时, 应立即开启所有水泵进行排水, 使水位快速下降到预定低水位, 决不允许水位上升到极限水位。在矿井排水系统中不仅关注水仓水位, 还要关注涌水速率, 涌水速率估算采用区段长度除以上升时间, 得到该区段水位上升的平均速度。水泵的启停主要决定于水仓水位的变化, 但为了更好地达到高效节能的目的, 需要结合“避峰就谷”, 两者结合进行水泵的启停控制[4]。在矿井泵房排水系统中, 安全是第一位, 当节能和安全发生冲突时, 以安全为主, 节能为次, 优先关注水仓水位的变化进行排水。具体流程详见图4-3

4.4 水泵自动轮换功能

在煤矿排水系统中, 如果长期不使用, 潮湿的环境会导致水泵电机、排水管道和电气设备受潮失效。同时水泵如长时间使用会影响其使用寿命因发热和磨损等原因。为了实现水泵均匀使用, 系统设计了4台水泵并采用自动轮换的工作方式, 让每台水泵根据预先设定的程序自动启停水泵, 从而使每台水泵的使用率分布均匀, 在一定程度上预防了故障泵的出现[2]。当某台泵出现故障时, 系统发出报警铃声, 上位机监控系统上显示故障点, 并记录保存故障。同时将故障泵自动退出, 以以免影响到其他泵工作, 从而保证了矿井排水的安全可靠。

4.5 上位机监控设计

为了更好地远程控制泵房运行情况, 进行了Win CC上位组态监控软件设计, 通过以太网网络把井上井下进行连接。上位机可以监控整个系统和单台泵运行情况, 具有运行趋势显示和历史数据记录功能, 具有报警显示和追踪故障点等功能[5]。

5 结束语

井下泵房自动化监控系统结合高效节能、避峰填谷和自动轮换的原则, 以矿井水仓水位和涌水率为依据, 自动运行水泵的数量和时间, 实现矿井自动化排水。系统能够实时采集排水设备的各种参数数据, 判断、分析设备运行状态, 从而能够保证排水设备的安全、高效运行, 对提高煤矿安全生产和现代化建设具有重要的价值。

参考文献

[1]宋辉.基于模糊控制的煤矿排水系统研究[D].河北理工程大学, 2010.

[2]尹文波.煤矿井下中央水泵房自动化控制系统设计[J].煤矿机电, 2010 (2) :13-17.

[3]吴兴华.煤矿井下排水监控系统设计[J].中国煤炭, 2008 (11) :61-64.

[4]槐利.煤矿井下主排水自动控制系统的应用[J].工矿自动化, 2012 (10) :63-65.

井下排水系统第2篇

[摘要]井下自动控制排水系统在开采的过程和水资源的利用方面具有重要的意义，PLC可编程控制系统技术在自动控制中具有广泛的应用，本文以煤矿井下作业为例，从影响井下排水自动控制系统的稳定的主要因素出发，提出了抗干扰的措施，阐述PLC技术在井下排水自动控制的设计原理。

[关键词]自动控制排水 PLC

在煤矿生产过程中，地下水流入巷道或工作面，形成矿井水。矿井水的形成一般是由于巷道揭露和采空区塌陷波及到水源所致，水源主要是大气降水、地表水、断层水、含水层水和采空区水。采矿活动造成采动区域及其周边区域水文地质系统和单元隔水构造的破坏，改变了水径流方向和途径，最终在采空区或采动场所汇集，并在汇集过程中因物化作用与时间效应遭受污染的，交替性差的水体。

一、井下排水的重要性

在煤矿的原煤开采中，我国平均每年将有20～40亿立方米的地下水被抽排到地面且绝大部分被排放掉。但是，煤矿生产抽排的地下水是在煤炭开采过程中才被污染的，而并非本身就是污染严重的水。所以，在我国水资源不足的环境中，这些水被浪费掉实在是有点可惜，如果在水质较好的地方，对井下水进行适当的处理，就完全可以达到工业和生活用水标准。另外，井下水对矿井的危害很大，在发生的煤矿安全事故中，以瓦斯爆炸和水灾害最为频繁和严重。如果矿井水排放不畅，水在井下放任自流，将势必造成水灾，更严重的造成设备财产损失，人员伤亡，矿井坍塌等灾难性的后果。

我国在优化排水方案、改造排水设备及巷道合理布置方面也做了大量的研究，但是，监测技术和手段还处在摸索阶段。随着煤矿安全问题的要求的提高，井下水的检控要求也随之提高。目前井下水的排放主要的人工管理的方式，具有低效率、高劳动量，且容易造成高劳动量的弊端。因此，采用自动控制系统具有重要的意义。

二、PLC井下排水自动控制系统

1. PLC井下排水自动控制系统的技术

可编程控制器(PLC)，是一种数字运算操作的电子系统，向用户的“自然语言”编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。PLC是通过在存储器中的程序实现控制功能，且同一台PLC还可用于不同控制对象，通过改变软件则可实现不同控制的`控制要求，具有很大的灵活性和通用性。PLC的输入、输出电路一般用光电祸合器来传递信号，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响，具有可靠性高、抗干扰性强的特点。此外，PLC的I/O接口可直接与控制现场的用户设备联接。

2.影响PLC控制系统稳定的干扰因素

PLC作为一种自动化程度高、配置灵活的工业生产过程控制装置。因为其本身的高可靠性，它的应用场合越来越广，环境越来越复杂，所受到的干扰也越来越多。在PLC控制系统中，就PLC本身来说，其薄弱环节在I/O端口。来自电源波形的畸变、现场设备所产生的电磁干扰、接地电阻的祸合、输入元件触点的抖动等各种形式的干扰，都可能使系统不能正常工作。研究影响PLC控制系统的干扰因素，对于提高PLC控制系统的抗干扰能力和可靠性具有重要作用。

对PLC的干扰的产生过程主要有三个因素组成：(1)电源引入的干扰。雷电冲击、开关操作、大型电力设备启停等，都有可能会影响系统的正常运行，造成PLC系统故障。(2)I/O信号线引入的干扰。在使用PLC组成控制系统时，要连接大小设备和各种通信线路，这样就有可能会发生各种个样的电磁干扰环境，影响PLC系统的运行。(3)接地线引入的干扰。若接地线处理混乱或是电线上的电位分布不等，则会电路的正常运行，有可能在成数据换乱，信号失真。 3.PLC控制系统的抗干扰措施

对PLC的干扰的产生过程主要有三个因素组成，相应地对抑制所有电磁干扰的方法也从这三个要素着手解决。(1)最大限度地抑制干扰源。电源系统的抗干扰措施是为了抑制电网电压的波动及畸变对系统电源产生的干扰，可采用使用隔离变压器或者使用低通滤波器的措施来解决。另外，也可以使用交流稳压电源来增大抗干扰能力或使用在线式不间断供电源(UPS)来作为PLC控制系统的理想电源。(2)阻隔祸合通道或衰减干扰信号。输入端有感性负载时，在交流信号输入负载两端并联RC浪涌吸收器或压敏电阻RV;在直流信号负载两端并联续流二极管VD或压敏电阻RV或稳压二极管VX或RC浪涌吸收器等。在使用多芯信号电缆时，要避免I/O线和其它控制线共用同一电缆。(3)降低系统本身对电磁噪声的灵敏度，提高自身抗干扰能力。

三、PLC井下排水自动控制系统的设计原理分析

在PLC井下排水自动控制系统的开发中，为了更好地实现自动控制，应该注重以下几点：

(1)需要开发电器控制系统，用PLC(可编程逻辑控制器)控制系统代替传统继电器控制系统。

(2)在开发PLC控制系统的同时，还要选择可靠的控制器及附属电气元件，以更好地适应井下环境。在符合矿用设备的安全标准的同时，还要在设计和开发时能充分考虑和利用井下的条件，使控制简便可行。

(3)在设计的同时要从实际出发，根据排水控制的要求，进行PLC硬件和软件的设计，以达到自动轮换工作，使水泵房工作更加高效节能的目标。

(4)还可以把感应式数字水位传感器用于煤泥水水位的测量，在开发中使用新型的电量监测模块对水泵电机的电源输入进行监测，并建立PLC与该模块之间的通信，可以使PLC根据各个水泵电机的电量监测数据判断它们的运行状态，做到有故障及时发现及时处理。

可编程控制器本身就有很完善的可靠性设计，具有很强的抗干扰性能。但是，工业控制是一个很特殊的领域，稍有不慎，就有可能造成极大的经济损失，甚至人员伤亡。所以还应该从整个系统的角度进行可靠性设计，以更加有效的保障工业控制的安全。

四、结论

井下排水技术在煤矿的开采中的重要性和井下水资源的缺乏利用以及人工控制井下排水系统的种种弊端决定了井下排水自动控制系统研究的重要性。基于可编程控制技术的煤矿井下排水自动控制系统是利用当前优秀的工业控制技术精心研究与开发而成的，它具有许多传统控制系统无法比拟的优点，PLC控制系统得到了广泛的应用和具有广大的发展前景，但是PLC系统在井下排水自动控制系统中的应用还存在着一些问题需要，这需要我们做进一步的研究和实践，并最终解决问题。

参考文献：

[1]付铁斌，王洪林.矿井主排水系统监测装置的研制[J].煤矿安全，，35(5)，17-19.

[2]李胜旺，吉贵堂，赵晓旭.矿井主排水自动化控制系统[J].工矿自动化，.

[3]王孝颖，张丰敏，张学松.PLC在煤矿井下主排水控制系统中的应用[J].中国煤炭2002，28(8)：43-45.

[4]周峰，王新华，李剑峰.软PLC技术的发展现状及应用前景[J].计算机工程与应用，2004，(24)：57-60.

[5]李泽松.井下水泵房自动排水系统研究[M].，(5)：3-5.

井下排水系统第3篇

【关键词】煤矿排水；组态技术；PLC控制；远程监控

0.绪论

枣庄市留庄煤业有限公司井田位于级索、滨湖两镇境内。矿井于1988年开始组织建井，1993年试生产，1997年11月正式投产达标，矿井设计生产能力30万吨/年，核定生产能力65万吨/年。井田地质构造属中等型。水文地质属中等类型，主要充水含水层有三灰、五灰、十下灰、十二灰、十四灰、奥灰。矿井-320水平中央泵房排水系统担负着矿井主要的排水任务，各采区涌水排到-320中央泵房的水仓中，再由中央泵房的排水系统排出矿井。矿井最初设计时，采用传统的继电器控制排水系统，主排水泵是四台多级离心泵型号为200D-43*9，扬程为387m，每台水泵的额定流量为280m3/h；水泵电机采用电抗器降压起动，电机型号为YB24004-4TH，电机额定电压为6kV，额定功率为450KW。排水泵房的起停操作和判断，完全依赖于工人的操作经验和已有的操作规程。这种系统存在的主要问题是操作工序复杂，操作水平因人而异，工人的劳动强度大，不适合现代化的要求。另外，人工操作也存在着较大的安全隐患，容易损坏部件，不利于降低煤矿企业的运行成本。

本课题针对留庄煤矿现有排水系统存在的问题和不足，对替代人工监控的水位监测系统做了研究，应用先进的可编程控制器（PLC）控制系统来取代老式的继电器控制的排水系统，并用现代化的通讯技术实现了排水系统的远程测控。

1.煤矿井下排水自动控制系统的设计

1.1自动化系统的硬件设计

本系统的硬件由井下和地面两部分组成。井下硬件设备主要包括矿用隔爆兼本安型可编程控制箱、本安控制显示台、矿用隔爆型以太网交换机、电动闸阀、真空管路电动球阀以及各种检测传感器。地面硬件设备主要包括数据服务器、工业控制计算机、地面以太网交换机、监控电视墙等设备。井下和地面通过光缆进行通信，实现数据交换及更新。图1.1为系统结构示意图。

1.1.1井下设备：

（1）本安控制显示台：即井下操作台，操作台主要用于系统工作方式的选择和井下就地控制水泵的启停。操作台可以选择的操作方式有：①井下自动方式，PLC通过对输入参数的判断，自动控制水泵的启停；②井下手动方式，本系统保留了原有的操作方式，通过操作台上的按钮，按照原有开停水泵操作顺序依次操作启动各设备；③远程控制方式，允许地面集控室通过计算机对水泵进行控制。

（2）矿用隔爆兼本安型可编程控制箱：中央泵房设置矿用PLC控制箱一台，PLC通过判断各输入模块采集的各监测传感器的信号，按照程序要求自动控制水泵的工作，并通过通讯接口与地面集控室各计算机进行数据交换，根据地面计算机和操作台的命令控制水泵的启停。

（3）矿用隔爆型以太网交换机：内有数据光端机和视频光端机，将井下PLC数据与井下摄像头视频转换为光信号，通过光缆与地面集控室各设备进行通讯。

（4）主要监测传感器：①负压传感器：选用矿用本安型压力传感器监测水泵吸水管内的真空度，每台水泵安装一台。②正压传感器：选用矿用本安型压力传感器监测水泵出水口水压，每台水泵安装一台。③水位传感器：水位传感器用于监测水泵吸水井内的水位高低，内环水仓与外环水仓各安装一台。水仓水位的测量是排水控制系统的关键环节。系统采用了2 套水位检测装置来监测水仓中的水位，一套为 2 组浮球开关，分别用于检测内外环水仓几个水位点，包括超低限水位，低水位、高水位、超高限水位。另外一套是超声波水位传感器检测，用于探测水位细微变化，能够用来判断水位上升或者下降的趋势。它属于非接触式传感器，性能不受被检测介质的影响，精度较高。④流量传感器：采用超声波流量计监测排水管路的流量，每条排水管路安装一台。

1.1.2地面设备

在地面设置集控室用于各设备的安装及操作，主要设备有：地面交换机、数据服务器、视频服务器、电视墙等设备。

1.2系统工作原理

该系统选用了PLC作为中心控制器，完成模拟量输入、数字量输入输出、与上位机通信等功能。其中，需要处理的模拟量输入信号包括水仓水位高度，水泵出水口压力，真空度，水泵轴温，排水管流量，电机运行电流等。数字量输出控制信号包括各离心泵电动球阀的开关信号，各水泵电机的开关信号，排水管电动闸阀的开关信号等。数据监测模块检测各传感器状态，并将检测数据通过通讯模块传送至监控计算机，PLC控制水泵自动排水工作流程如图2.2所示。PLC控制器还对电机电流、水泵轴温、电机温度、排水管流量等变量进行检测，如果变量值超过设定范围，则进行超限报警。

PLC控制器通过以太网接口连接上位监控主机。主排水系统运行的模拟图可动态地显示在监控主机上，同时显示出4台水泵的运行参数。系统自动记录井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态，运行和故障数据，并可显示排水系统的故障点，便于操作人员查找问题。

本系统中设计有两条排水管路，用四台离心式排水泵进行排水，并且每一台排水泵都通过电动闸阀分别和两个排水管路相连接，这样，当其中一个管路出现故障或需要维修时，可以继续通过另外一个管路排水，排水工作不会中断。

煤矿井下排水系统的改进与应用第4篇

随着金桥煤矿采掘范围的扩大, 井下排水点越来越多。每台水泵需要1名人员来看管, 同时要做到及时排水和防止水仓积水抽干烧毁水泵, 这样不仅耗费大量人力财力, 还存在不能及时做出反应的情况, 常造成漫水或水泵烧毁事件。由此可知, 人工值守排水系统不符合煤矿现代化要求, 迫切需要实现井下排水系统自动化。

1 人工值守排水系统

人工值守排水系统由QBZ系列矿用隔爆型真空电磁起动器、水泵和防爆双联远控按钮组成, 由人工控制按钮达到控制水泵启停目的, 工作原理如图1所示。按照水泵运转方向要求, 合上起动器隔离换向开关HGK, 电源接入 (根据输入电压级别, 变压器原边连接相应接点) , 控制变压器原边得电, 相应地副边两端 (9, 4) 输出36V交流电, 电机综合保护器JDB得电, 漏电检测开始。若主回路对地绝缘电阻符合要求, 则JDB内继电器工作, 常开保护接点 (3, 4) 接通, 为控制回路构成连通回路做好准备, 否则控制回路无法构成连通回路, 即无法工作。

近旁控制时, (2, 5) 接点通过扭子开关S连通;远程控制时, (2, 5) 接点通过扭子开关K断开, (1, 2, 9) 接点连接相应的远控按钮接点。

按下启动按钮QSB, 中间继电器线圈K得电吸合, 其常开接点K1闭合, 使真空接触器KM线圈Q1、Q2、Q3、Q4得电吸合;K的常闭接点K2打开, 断开JDB对主回路的漏电检测回路。Q1~Q4得电后, KM主触头迅速接通, 主回路通电, KM辅助常闭触点KM1断开。Q1~Q4得电在小电流下保持KM在吸合状态长期工作, 同时KM辅助常开触点KM2闭合自保。

停运时, 按下停止按钮TSB, K失电, K1断开, KM失电, KM1断开, 接触器真空管断开, 停止对水泵供电。

运行中发生短路、过载或断相等故障时, JDB保护器内保护接点 (3, 4) 断开, 切断K的控制电源, 使KM立即分断。

2 自动排水系统

自动排水系统由QBZ系列矿用隔爆型真空电磁起动器、水泵、KXH-36矿用隔爆兼本质安全型声光报警器和3个GUD20矿用隔爆兼本质安全型液位开关组成。其中, GUD20矿用隔爆兼本质安全型液位开关配合现有矿用隔爆型开关用于煤矿井下瓦斯或煤尘爆炸危险的环境, 实现有水开泵、无水停泵。

GUD20矿用隔爆兼本质安全型液位开关壳内装有大容量的水银开关和偏心锤, 水银开关触点没有损耗, 动作准确无误。开关垂直吊在空中。液位上升时, 若液面接触到开关, 开关体则在偏心锤重力和液体浮力的作用下发生倾斜, 内部水银常开开关闭合, 发出信号;若液位继续上升, 开关体则以一定的倾斜度原封不动地浸在液体中, 不会浮在液面上;若液位下降到完全离开开关体, 开关体则会被垂直吊起, 内部水银常开开关断开。GUD20矿用隔爆兼本质安全型液位开关工作原理如图2所示。

3 排水原理及过程

QBZ系列矿用隔爆型真空电磁起动器控制回路接线如图3所示, 液位开关T1表示在下限水位处, T2表示在上限水位处, T3表示在极限报警水位处。

排水过程如图4所示。当水仓内没有积水或水位未达到下限水位时, 水泵停止, 如图4 (a) 所示;当水位缓慢上升到图4 (b) 所示下限水位时, T1接通, 由于T2不通, 因此起动器控制回路不通, 主回路无电, 水泵不启动;当水位上升到图4 (c) 所示上限水位时, T2接通, (1, 9) 接通, 接触器线圈Q1~Q4得电, 在小电流下保持KM在吸合状态下长期工作, 同时KM辅助常开触点KM2闭合自保, 主回路得电, 水泵启动, 开始向外排水;由于T1在水里一直接通, 因此水泵如图4 (d) 所示一直排水;当水位下降到图4 (e) 所示下限水位以下时, T1断开, (1, 9) 断开, 起动器控制回路失电, 主回路失电, 水泵停止工作。液位开关在排水各阶段的状态见表1。

4 创新点及优势

(1) 系统最大创新点是设置了极限报警水位T3, 并在液位开关T3控制回路中安装了KXH-36矿用隔爆兼本质安全型声光报警器。在T1发生异常不闭合的情况下, 当水位上升到T3极限报警水位时, 声光报警器接通AC 36V电源发出报警信号, T2接通, 水泵在上限水位与报警水位间一直排水;在T2发生异常不闭合的情况下, 水位上升到T3极限报警水位时, 声光报警器发出报警信号的同时启动水泵, 使水位始终不超过报警水位;在T1和T2同时发生故障不闭合的情况下, 水位上升到T3极限报警水位时, 系统仍然报警并排水, 保持水位在极限位置内。

(2) 系统实现了自动控制与手动控制的联锁, T1、T2、T3全都损坏时可暂时手动开启起动器来排水。

(3) 系统改进投入低, 不需要大改原系统, 只需用3个液位开关替代远控按钮, 再加装1个声光报警器即可, 安装简单、价格便宜。

(4) 系统设计制造可靠, 所有装置均符合煤矿井下要求, 安全性高;不受环境影响, 工作寿命长, 控制水位精确度高, 免维护;水位高低可根据现场情况随时调整, 使用范围广, 地面、井下均可使用。

(5) 系统实现了自动化, 减少了人力投入, 只需定期巡视和清挖沉淀池即可。

5 结束语

金桥煤矿自行研制的井下自动排水系统结构简单、运行可靠, 实现了水仓及低洼点水窝的自动排水。该系统自使用以来, 效果明显, 减少了人力物力的投入, 保障了煤矿的安全生产, 创造了可观的经济效益。

参考文献

[1]张化光.智能控制理论及应用[M].北京:机械工业出版杜, 2005

[2]李峰, 王艳立, 柴琳琳.浅谈煤矿巷道自动排水系统的应用[J].山东煤炭科技, 2012 (3) :51

[3]龙兴根, 李华光.自动排水在井下的应用[J].江西煤炭科技, 2007 (7) :23

[4]迮红青, 陶明, 李洪臣.水泵自动排水系统在张集煤矿的应用[J].科技信息, 2010 (33) :175, 176

[5]张和平.浅析煤矿机电自动化实用技术及其应用[J].科技创新与应用, 2015 (18) :86, 87

[6]王林祥.煤矿机电工程师技术手册[M].北京:煤炭工作出版社, 2012

[7]李俊.煤矿机电技术管理在煤矿安全生产中的应用[J].硅谷, 2010 (3) :101, 102

铜山口项目部井下排水防洪情况汇报第5篇

一、井下涌水情况

铜山口项目部现施工铜山口深部开采工程-100m、-160m中段平巷工程，由于铜山口矿区水文地质复杂，无详细地质水文资料，在施工过程中，曾多次出现掌子面涌水现象。现涌水情况如下：-100m中段主石门巷未堵住前320m3/h，堵住后为120 m3/h；-100m中段北沿巷道涌水80 m3/h；-100m中段其它地段间断滴水和流水约30 m3/h；-160m中段主石门巷掌子面涌水、侧帮涌水及局部顶底部涌水共计约60 m3/h；-58m水平已与露采坑水系贯通，平常涌水量保持在100 m3/h，随地面雨水降水即增大，最大涌水量突破200 m3/h；±0m水平为原采空区，平常涌水量保持在30 m3/h.二、井下目前排水能力

1、-100m中段

目前-100 m中段设置有两个水泵房，即新增泵房和老泵房。新增泵房水仓蓄水能力为300 m3，安装有两台D155-35×8型水泵，电机功率200KW/台；老泵房水仓蓄水能力为500-800 m3（水仓未见设计图为估计量），安装有四台水泵，两台130 m3、两台85 m3，其中两台电机功率132KW/台、1台90KW/台、1台110KW/台。

排水管路使用一趟Φ219×8mm和一趟Φ108×5mm排水管，其中两台130 m3共用Φ219×8mm排水管，另两台85 m3共用Φ108×5mm排水管.此两趟管路均通过斜井排至地面。

2、-160 m中段

-160m中段位于现施工最底中段，通过斜井进入施工-160m水平巷道和斜坡道。目前设置一个临时泵房，水仓容积约300 m3，由于井下注浆和掘进，泥浆部分已将泵房填充，预计水仓有效容积为200 m3左右，现已安装两台MD46-35×11型水泵两台，电机功率110KW/台。使用一趟Φ159×6mm排水管经过斜井排至-100m中段老水仓中。

3、±0m水平

在±0m水平设置一个蓄水池，蓄水能力约200 m3，布置两台75KW不锈钢卧泵，排水能力为55m3/h.台。

三、供电情况

目前铜山口矿无备用保安电源，如果停电势必引起水灾淹井事故。井下-100m中段老泵房水泵供电：地面500KVA变压器供应两台132KW水泵；90KW、110 KW水泵由井下1000KVA变压器供电。

井下-100m中段新泵房水泵供电：由井下1000KVA变压器供电。井下-160m中段所有电源均由井下1000KVA变压器供电。±0m水平水泵由地面500KVA变压器供电，地面500KVA变压器同时供应地面斜井卷扬及斜井其它用电。

四、项目部现采取的防汛防洪措施

1、针对-58m水平与露天坑水系贯通，露天大量汇水将流入井下，项目部已于2013年3月23日完成-58m水平挡水墙施工，将涌水堵在原已掘巷道中，并同时埋设放水管泄压。

2、-100m中段主石门巷涌水量较大，现采取掌子面注浆堵水方式，使石门巷掌子面涌水降至20m3/h以下，并准备黄泥筑坝挡水。

3、-160m中段主石门巷涌水量较大，正准备采取注浆方式堵水。同时准备200袋黄泥筑坝当于水仓和斜井之前，使涌水不至于淹没斜井井底。

4、在矿方和指挥部的大力支持下，在斜井井口安装一台500KW柴油发电机，已与-100m中段及-160m中段水泵联动试车，确保-160m中段和-100m中段各自启动一台水泵工作。

五、存在的问题

1、-58m水平为原掘巷道，存在大量采空区，在防汛抢险期间，挡水墙泄压排水管将关闭，势必大量积水存于-58m水平巷道和采场中，形成一座大水库，给-100m和-160m中段巷道施工及今后采矿带来威胁和隐患。

2、由于铜山口矿区水系复杂，水系沟通能力较好，-58m水平挡水墙泄压管关闭后，涌水有可能从现已掘的斜坡道、-100m和-160m中段裂隙中渗出，给其他地方带来安全隐患。

3、-100m中段主石门巷掌子面涌水堵住后，其它涌水地段和裂隙涌水有所增大，给-100m中段排水增加负担。

4、-100m中段新老泵房安装排水能力为740m3/h，受供电和排水管路的限制，实际排水能力为360 m3/h。由此必须确保-100m中段以上总的涌水量在300 m3/h以下，方可正常渡汛。

5、-160m中段供电均从-100m中段1000KVA变压器供给，一旦停电时间较长，势必会造成-160m中段淹没。

5、矿区急切生产备用电源。

基于人工智能控制的井下排水系统第6篇

煤矿的矿井水是在煤矿生产过程中地下水流入巷道或工作面, 或者是由于巷道揭露和采空区塌陷波及到水源所致。水源主要是大气降水、地表水、断层水、含水层水和采空区水。矿井水量达到一定的立方数时, 若不及时排放掉, 将会严重影响煤矿的生产安全[1]。因此, 煤矿排水系统能够安全可靠地工作直接关系到煤矿的人身、财产安全。

本文结合人工智能 (Artificial Intelligence, AI) 控制系统的基本理论, 分析介绍了一种基于人工智能控制的井下排水系统。该系统能够实现智能开停水泵、自动轮换、故障报警等功能, 为实现井下排水系统的无人值守打下了基础。

1 人工智能控制系统

人工智能控制是指那些具有某些智能性拟人功能的控制, 能够在定形或不定形、熟悉或不熟悉的环境中自主地或与操作人员交互作用以执行各种拟人任务。所谓智能控制系统, 就是采用驱动自主智能机器以实现预定目标而无需操作人员干预的系统。这类系统必须具有智能调度和执行等能力。智能控制系统的理论基础是人工智能、控制论、运筹学和信息论等学科的交叉, 具有十分明显的跨学科多元结构特点[2], 其特点: (1) 不依靠对象的数学模型, 直接用对被控过程参数现状及其发展趋势观察判断的定性感觉, 以此构成控制算法。智能控制器的基本出发点便是将现场操作人员或专家的经验、知识及操作数据加以总结、归纳, 形成一定的规则参与控制。 (2) 适用性较强, 对非线性和时变性等不确定系统具有较好的控制效果。 (3) 有效的非线性控制作用, 对非线性、噪声和纯滞后有较强的抑制能力。

2 系统控制原理

基于人工智能控制的井下排水系统控制原理如图1所示。

从图1可看出, 该系统由许多反映人类专家思考过程的部件构成, 其任务结构是分级的。系统的结构设计应遵循以下原则:

(1) 模型描述多样性。在设计过程中对泵机组和控制策略模型采用多样化的描述形式, 对机组模型采用传递函数、微分、差分方程描述;对控制策略, 除差分方程外, 加入产生方式规则的规则模型, 易于描述过程的因果关系和非解析的映射关系。

(2) 合理处理和利用在线信息。信息存储方面, 特别记忆对控制策略有意义的特征, 调节知识库, 同时删除过时的冗余信息;信息处理方面, 将数值计算与符号推理相结合;信息利用方面, 除误差和误差的一阶导数外, 利用反映过程的特征信息。

(3) 针对泵机组的时间、现场环境等特点, 采用灵活的控制策略, 通过在线获得的信息组合修改控制策略和参数, 以保证获得优良的运行性能和动态品质, 同时还设计了带异常情况处理的适应性策略, 以增强系统的应变能力。

作为智能控制系统, 在控制策略的设计上采用分层递阶的原则, 根据智能水平构成分级递阶的决策机构, 这一思想体现在软件构成中。为满足泵机组控制实时性的要求, 精简知识库, 使推理机构尽可能简单化。总之, 泵站机组智能控制系统以PDI算法为基础, 引入了专家系统技术, 以提高原常规PID控制的决策水平, 其结构简单, 研制周期短, 且实时性好[3]。

3 系统控制结构

基于人工智能控制的井下排水系统是分级递阶控制系统, 它在垂直方向和水平方向都是分级的, 为分布式计算机监控系统。系统的功能分级是其基本的体系特征。事实上, 也正是这种功能分级的体系结构才使得其优于集中式监控系统。传统的分布式计算机监控系统在垂直方向上可以分为现场控制级、过程装置控制级、操作管理级、优化和调度管理级等, 但是随着控制器与变送器、传感器和执行机构的整体安装式仪表的发展, 现场控制级现在已经可以全部完成过程控制级的功能;另一方面, 优化和调度管理级按其功能而言是服务于整个煤矿所有泵站的, 限于目前资金、各泵站的协调等方面的因素暂时不予考虑, 故在以上对泵站控制对象分析和对系统功能分析的基础上, 将系统按功能设计为现场控制级和操作管理级二级结构。信息一方面自下而上逐渐集中, 同时它又自上而下逐渐分散, 这就构成了系统的基本结构[4]。

3.1 现场控制级

微处理器应用于现场变送器、传感器和执行器, 构成现场控制级。本系统中现场控制级的主要功能: (1) 采集泵站过程数据, 进行数据转换与处理, 并完成数据的监视和存储; (2) 输出过程操纵命令; (3) 进行直接数字控制; (4) 对泵站现场级的设备进行监测与诊断。

按照泵站结构特点, 将现场控制级的功能分散到电动机数据采集和保护功能单元, 泵、辅机和外围信号采集单元, 泵、辅机和外围设备控制单元3类功能模块之中。

(1) 电动机数据采集和保护功能单元

泵站计算机监控系统中的电动机数据采集和保护功能单元除了能够完成传统的保护功能外, 还必须具有以下功能:① 通信功能, 传输保护动作信息、装置自检信息功能或接收定值修改、动作信息及复归、校时等命令功能;② 远方整定、返校功能;③ 保护动作的远方投切;④ 信号及复归功能, 在未复归前具有掉电保持功能, 并且具备多次历史事件记录功能;⑤ 保护的独立性, 1套CPU完成1台设备的保护, 另外, 保护的独立性还表现在与通信系统无关、与测量及远动无关、保护CPU独立等方面;⑥ 由于泵站的特殊性, 泵站的电动机保护系统除了电气方面的保护外, 还应具有推力轴瓦、导轴瓦、定子线圈温度过高等方面的保护功能。

电动机数据采集和保护功能单元选用美国通用电器公司 (GE) 生产的电动机保护专用产品SR469, 每台电动机配1台, 主要实现对主机驱动电动机需求信号的测量及主机驱动电动机的跳闸保护功能。通过编程设定电动机启动闭锁条件, 当启动时间超出设定时间时、当电动机再次启动距离上次启动时间未超出设定时间间隔时、当电动机启动时所带负荷超出设定值时、当电动机热容量过高引起电动机定子或转子温度过高时都禁止电动机启动。该单元还有事件记录功能, 当有任何有关驱动电动机的异常事件发生时, SR469将记录事件发生的原因、发生的时间等信息, 供操作人员查询, 以便查明事故并解决。

(2) 泵、辅机和外围信号采集单元

在泵站运行过程中, 操作人员需要全面了解泵站各种设备的实时状态, 这些设备的状态按其传感器提供的信号类型可分为4类:① 开关量, 如每台机组的真空破坏阀状态、各线路断路器状态等;② 模拟量, 如每台机组叶片角度、上下游水位等;③ 脉冲量, 如每台电动机的电压、电流等;④ 温度量, 如室内、室外温度等。

为能可靠、准确地测定这4种类型的物理量, 在系统实施时一个可供用户选择的方案是选用PLC。PLC本身便是模块化的产品, 为方便工业测量给用户提供了点数不同的A/D模块 (用于模拟量测量) 、扩展UO模块 (用于开关量测量) 及各种智能模块 (用于测量温度量、脉冲量等) , 因此, 只需根据需要将不同的PLC模块组态便可以实现系统要求。泵、辅机和外围信号采集单元必须完成对各泵、辅机、外围设施需求信号的采集, 对各采集信号进行数据处理, 将采集并经过处理的信号存储等任务。

(3) 泵、辅机和外围设备控制单元

选用PLC对泵站中的设备进行控制, 对于二态 (开、关) 控制, 控制单元由PLC的CPU模块和带继电器输出的VO扩展模块组态而成;对于连续控制, 采用A/D模块实现其功能。泵、辅机和外围设备控制单元需完成以下功能和动作:① 接收操作管理级的命令, 完成控制动作的逻辑组合, 驱动相应的继电器, 输出相应控制动作;② 在和数据采集单元进行数据通信的基础上, 自主判断工程值是否越限, 若越限, 则输出相应保护动作, 并驱动相应的报警设备报警。

3.2 操作管理级

分布式计算机监控系统的特点和优越性是分散控制, 集中管理, 其中, 分散控制体现在现场控制级的功能分散上面, 而集中管理则要靠操作管理级来实现。操作管理装置是连接操作人员与分布式监控系统间的界面, 操作人员通过操作管理装置了解泵站的运行情况, 并通过它发出操作指令给泵站设备, 泵站运行过程中的各种参数在操作管理装置上显示, 以便于操作人员监视和操作。操作管理装置需完成下列功能:控制决策;在和现场控制级进行数据通信的基础上完成数据的显示和记录;泵站各种过程操作命令的发送;泵站实时数据和历史数据的存储和归档;报警、故障诊断和处理;泵站监控系统的维护和机组运行的优化处理。

4 结语

本文利用人工智能技术控制水泵, 实现了根据水位以及其它参数进行智能开停水泵、自动轮换、故障报警等功能, 大大降低了工人的劳动强度, 提高了设备的利用率, 保证了排水系统的安全运行。利用人工智能及其通信网络, 能够比较方便地实现水泵的智能控制, 为进一步实现井下排水系统的无人值守打下了基础。系统具有较强的扩展性, 能够满足多种不同的现场需要, 在提高井下排水系统的可靠性和排水效率方面发挥了具大作用。

摘要：通过对人工智能常用技术的分析, 介绍了一种基于人工智能控制的煤矿井下排水系统的软件及结构设计。该系统通过检测水仓水位和其它参数, 控制水泵轮流工作与适时启动备用泵, 合理调度水泵运行, 且具有故障报警功能, 大大降低了工人的劳动强度, 提高了设备的利用率;系统扩展性较强, 能够满足多种不同的现场需要。

关键词：矿井,排水,人工智能控制,分级控制

参考文献

[1]李胜旺, 吉贵堂, 赵晓旭, 等.矿井主排水自动化控制系统[J].工矿自动化, 2002 (1) .

[2]许力.智能控制与智能系统[M].北京:机械工业出版社, 2006.

[3]刘金琨.智能控制[M].北京:电子工业出版社, 2005.

[4]李国勇, 李维民.人工智能及其应用[M].北京:电子工业出版社, 2009.

[5]潘忠, 陈桂兰.济宁三号矿井井下主排水泵的自动化设计[J].煤矿自动化, 2001 (4) .

煤矿井下排水自动监控系统的设计第7篇

鉴于以上情况, 常村煤矿对井下排水系统进行了自动化改造, 设计了一种基于单片机处理的、根据各种传感器采集数据控制交流电机的开停控制水泵运行的排水系统。

1原排水系统概况

常村煤矿井下原排水总系统结构如图1所示。矿井最深处的南风井泵房将矿井最底部流入巷道和工作面的水抽送到21延伸水仓, 21延伸泵房将21延伸水仓的水分别抽送到21底部水仓和110水仓, 21底部泵房将21底部水仓的水抽送到110水仓, 110泵房将110泵房水仓的水分别抽送到排矸井和340回风巷水仓, 320泵房和330泵房将340回风巷水仓的水抽排到地面后顺排水渠排走。

常村煤矿井下6个泵房由人工观察水仓水位从而操作水泵的开停, 以达到及时完成矿井排水。这种排水系统完全依赖于工人的实际经验和已有的操作规程来控制水泵机组的启动以及闸阀的开关过程。因此主要存在以下问题:

(1) 由于不同操作人员的经验和操作习惯不同, 水泵开停的操作流程及水位点的选择不规范, 不能对每台水泵进行合理均衡利用。

(2) 每台水泵启动时间较长, 所以发生涌流等紧急情况时无法及时判断并处理。对操作人员的实际操作要求太高, 操作工序繁琐, 某些部件因频繁使用不当还容易导致损耗。

(3) 每个泵房24 h都需要人员值守, 浪费人力资源, 职工的劳动强度过高。

(4) 调度中心无法及时了解泵房准确情况, 存在一定的安全隐患。

(5) 设备维护没有准确可靠的历史数据可供参考, 仅靠人工记录开停时间这些简单的数据不能满足安全生产的需要。

2新系统设计思路

新设计的系统主要包括2部分:CPU控制单元和监控系统。新系统应能够实现对水仓水位、排水管路流量、电机温度、电路负荷电压等数据进行实时监测监控及报警显示, 自动根据水仓水位及其他参数因素来控制所需部位水泵的启停以及闸、阀的开关, 提供最优的水泵运行时间、数量以及最优的排水管路。如果系统在远端手动模式或井下自动控制模式的情况下发生故障, 则可以自动转换为现场手动控制模式以保证安全;同时, 它也可以实现在安全生产指挥调度中心对井下排水系统泵房的所有设备进行实时监视和控制, 并完成数据的记录和查询以及各种报表的生成、打印等工作, 做到泵房无人值守、设备运行安全可靠[2]。

3硬件系统设计

硬件系统的设计最主要的是信号采集系统的设计。信号采集系统硬件框架如图2所示。

硬件部分主要由AT89S52单片机、SD2068实时时钟电路、A/D转换电路、信号调理电路、AT24C1024存储器等组成。其主要功能:当实时时钟SD2001E采集各种传感器数据定时时间到后, 单片机启动系统各个部分进行工作, 将由传感器部分送过来的标准的4～20 mA的电流信号经信号变换电路转换成标准的电压信号, 然后对电压信号进行A/D转换和数字滤波[3], 将采集到的水位数据、温度数据、流量数据和采集时间等存储起来, 利用原有的工业以太网络传送至地面。由于该系统在设计时遵循煤矿安全监控系统标准子系统接口规范, 使得该系统可以非常容易地并入煤矿安全监控系统中, 可与其他子系统实现数据的共享, 与矿井原有瓦斯监控报警系统、CO监控报警系统等组合成全面的煤矿安全监控系统。

3.1模数转换器TLC7528

TLC7528是双路、8位数/模转换器, 内部具有各自单独的数据锁存器, 其特性包括两DAC非常精密的一致性, 数据通过公共8位输入口转送至两DAC数据锁存器的任意1个。器件的装载周期与随机存取存储器的写周期类似, 能方便地与大多数通用微处理器总线或端口连接。器件的工作电压5～15 V, 功耗小于15 mW (典型值) 。工作温度范围为0～70 ℃。

3.2高精度实时时钟/日历SD2068

SD2068是一种具有标准IIC接口的实时时钟芯片, CPU可使用该接口通过5位地址寻址来读写片内32字节寄存器的数据 (包括时间寄存器、报警寄存器、控制寄存器、通用SRAM寄存器) 。SD2068内置单路定时/报警中断输出, 报警中断时间最长可以设至100 a;内置时钟精度数字调整功能, 可在很宽范围内校正时钟偏差 (-189×10-6～+189×10-6 s, 分辨率3.05×10-6) , 并可通过外置的温度传感器设定适应温度变化的调整值, 实现在宽温范围内高精度的计时功能。

3.3串行EEPROM AT24C1024

AT24C1024是Atmel公司生产的128 KB串行电可擦写的可编程存储器, 内部有128页, 每一页为256字节, 任一单元的地址为32位。它采用8引脚封装, 具有结构紧凑、存储容量大等特点, 可以在2线总线上并接8片芯片, 特别适用于具有大容量数据存储要求的数据采集系统, 因此在测控系统中被大量采用。

3.4KJ66N-F井下分站

KJ66N-F井下分站采用标准RS485接口, 可接12台GKT5-L矿用开停传感器, 4台XD150电量采集器, 1个子系统。EEPROM存储器永久保存初始化参数。KJ66N系统中心站下发的初始化参数保存在EEPROM中, 即使掉电也不会丢失。在与中心站的通信线路断开的情况下, 分站本身仍然能准确无误地完成监测监控任务。

3.5GKT5-L矿用开停传感器

GKT5-L矿用开停传感器采用单片机控制, 1条4芯电缆可接12台, 大大节省了电缆, 智能型输出信号为标准RS485信号, 传输速率为9 600 b/s, 传输距离≤2 km。相邻的320泵房和330泵房可共用1个KJ66N-F井下分站, 以避免设备重复造成浪费。

3.6GUY5投入式液位传感器

GUY5投入式液位传感器选用不锈钢隔离膜片敏感元, 将芯片装入一不锈钢壳体内, 采用特制的防水通气电缆将信号引出。传感头投入被测液体内, 电缆接入仪表盒内的中心处理线路板。由于采用特制的防水通气电缆, 使感压膜片的背压腔与大气良好相通, 测液位不受外界大气压的影响, 测量准确、长期稳定性好, 并具有优良的密封和防腐性能, 可直接投入水、油等液体 (包括腐蚀性液体) 中长期使用。测量范围:0～5 m3/m或0～10 m3/m。防爆形式:ExibⅠ, 满足井下使用要求。

3.7KXBC-15/660 (380) DZ型电动阀门控制箱

KXBC-15/660 (380) DZ隔爆型电动阀门控制箱具有短路保护、欠压保护、过力矩保护、断相保护及相序识别自纠正、机械及电气连锁等功能, 并设置了行程控制、远方/就地控制的切换功能。

3.8MZ941H-100矿用电动闸阀

MZ941H-100矿用电动闸阀根据使用需要的不同分为ZB30-24和ZB60-24, 安装方便, 调试简单, 调试运行后数年内不用维护保养, 矿用隔爆型电动装置和KXBC-15/660 (380) DZ隔爆型电动阀门控制箱配套使用后, 可与系统顺利衔接。

3.9YBS-5/127矿用隔爆型数字温度显示调节仪

YBS-5/127矿用隔爆型数字式温度显示调节仪, 额定电压为127 V, 额定电流为50 mA, 测温点数为5, 测温范围为0～200 ℃。

4软件系统设计

软件系统主要包括数据采集模块、与PC机的数据传输模块、地面计算机控制模块等, 系统流程如图3所示。

软件主要功能:当实时时钟定时时间到, 单片机启动多路数据采集程序对水仓水位、电机温度、管路流量等数据进行采集, 然后调用数字滤波、存储子程序, 对采集到的水位、温度、流量数据进行数字滤波、保存、传送。若需要对实时时钟进行设置时, 就调用实时时钟设置子程序对其进行设置[4]。地面控制中心计算机具有良好的人机界面, 同时还要具有基本的数据显示、存储、打印等功能, 于是采用高级语言VB实现数据的接收、处理和反馈。

5结语

系统采用单片机控制继电器, 从而控制交流电机, 不但节省了成本, 提高了效率, 而且可以与原有安全监控系统实现无缝对接, 安装方便。由于大量采用串行外围器件, 有效利用了单片机的I/O资源, 减小了应用系统的体积, 提高了可靠性[5]。

在实现泵房无人值守并实行地面监控的情况下, 该自动监控系统的使用减少了人员投入;由于排水系统监测环节的完善, 使每台水泵、每趟管路得到合理均衡使用, 延长了设备使用寿命, 减少了检修设备而花费的人力物力和延误的生产, 1 a可直接节省开支数十万元。因此, 煤矿井下排水自动监控系统对常村煤矿具有十分重要意义。

摘要：针对煤矿井下排水系统不够完善以及电能消耗大等问题, 设计了一种基于单片机处理的、根据各种传感器所采集到的数据控制交流电机的开停来带动水泵运行的排水系统。该系统主要包括CPU控制单元和监控系统, 可实现水仓水位、排水管路流量、电机温度、电路负荷电压等数据的实时监测监控及报警显示、水泵自动启停, 闸、阀自动开关等功能。该系统启用后, 可实现泵房无人值守。

关键词：煤矿,井下排水系统,自动监控系统,单片机

参考文献

[1]雷小龙.煤矿排水设备的监控系统[D].西安:西安科技大学机械学院, 2010.

[2]步士锋, 徐开亚, 边德政.井下采区泵房实现无人值守功能改造[J].山东煤炭科技, 2010 (4) :52-53.

[3]李敏, 孟臣.大容量串行E2PROM AT24C512及其应用[J].电子元器件应用, 2003, 5 (1) :29-31.

[4]沈剑贤, 沈炯.基于串行控制的信号采集系统的设计[J].汽轮机技术, 2003 (4) :80-82.

崔庙煤矿井下主排水系统改造实践第8篇

关键词：主排水系统,改造,设计方案,排水

0 引言

郑煤集团崔庙煤矿设计生产能力30万t/a, 主采煤层为二1煤层, 煤层平均厚度6.5 m。井田内水文地质勘探类型属以底板进水为主的岩溶裂隙充水矿床, 矿井水文地质类型中等, 矿井设计涌水量92 m3/h, 最大涌水量165 m3/h。由于原有排水系统不完善、排水能力不足, 导致11011工作面回采至105 m时发生溃水淹井事故。为满足矿井今后安全、稳定生产的需要, 对井下主排水系统进行增容改造。

1 矿井水文地质

二1煤层底板直接充水含水层为太原组上段灰岩, 岩溶裂隙较发育, 在层间距变薄或受构造影响以及开采深部、水头压力增大情况下, 有矿井突水的可能性。

井田南部二1煤层露头带分布的老窑密集, 开采历史悠久, 形成大小不等的集水空间, 有一定的静水压力, 预计其老空积水量在8万m3以上。

矿井南部为徐庄滑动构造带, 其岩性复杂, 稳定性差, 特别是本矿位于浅部基岩分化带、破碎带与第四系直接接触地段, 加上采空区, 从而使此段水文地质条件相对复杂。

2 主排水系统改造依据及方案

矿井原有排水系统根据矿井正常涌水量为92 m3/h, 最大涌水量为165 m3/h时设计, 分为东环水仓和西环水仓。东水仓容积为722.6 m3、长129.5 m;西水仓容积为167.4 m3、长30 m, 水仓总容量为900 m3。事故发生后经郑州祥隆地质工程有限公司对崔庙煤矿进行了涌水量核定, 矿井正常涌水量为240 m3/h, 最大涌水量为480 m3/h, 排水高度为271 m, 水的容重1 020 kg/m3, 水的pH值7.6～8.0。根据核定矿井涌水量等重新核定的原始数据, 在原有排水系统的基础上增加水仓容量并增加水泵台数及排水管路, 对现有的排水系统增容改造。

2.1 水泵选型及台数确定

2.1.1 矿井正常涌水时水泵的排水能力

式中, QB为排水能力, m3/h;QK为矿井正常涌水量, m3/h。

经计算QB=288 m3/h

2.1.2 矿井最大涌水时水泵的排水能力

式中, QBmax为排水能力, m3/h;Qkmax为矿井正常涌水量, m3/h。

经计算QBmax=576 m3/h

2.1.3 所需水泵台数的计算

(1) 工作水泵台数:n1=QB/Qe

式中, Qe为水泵客定排水量, 155 m3/L。

经计算n1=1.9, 取2台。

(2) 备用水泵台数:n2≥0.7×n2

计算n2≥1.4, 取2台。

(3) 检修水泵台数:n3≥0.25×n1

计算n3≥0.5, 取1台。

故所需总水泵台数:n=n1+n2+n3=5 (台)

2.1.4 根据煤矿安全规程规定所选水泵扬程计算

式中, HB为水泵扬程, m;H为排水高度, m。

经计算, HB=298.1 m

根据上述计算, 改造前井下使用MD155-30×10型水泵, 扬程为300 m, 大于298.1 m, 满足水泵扬程要求。额定排水量为155 m3/h, 目前井下已有3台MD155-30×10型水泵, 只需增加2台。正常涌水时, 2台工作, 2台备用, 1台检修;最大涌水时4台工作, 1台检修。

2.2 排水管路型号确定

根据设计的原则和现有管路敷设的情况, 设置2趟管路, 正常涌水时1趟工作, 1趟备用, 2台水泵工作。异常涌水时, 2趟工作;根据竖井排水要求, 确定选用热轧无缝钢管。

2.2.1 排水管内径计算

式中, dp′为排水管内径, m;Qe为排水量, m3/h;vp′为排水管的经济流速, 根据《机械设计手册》, 取1.8 m/s。

经计算, dp′=0.247 m

2.2.2 排水管壁验算

式中, δ为排水管壁厚, cm;P为管内液体压强, kg/cm2;σ为许用应力, 无缝钢管σπ=800 kg/cm2;d为标准管内径, cm;c为附加厚度, 无缝钢管c=0.1～0.2 cm。

经计算, δ=0.6 cm

根据上述计算, 矿井原有排水管型号为φ200×7不能满足要求, 故选取φ250×7型无缝钢管为排水管在井筒内重新安装2趟, 将原有φ200×7排水管路作为压风管路使用。

3 水仓改造设计

根据《煤矿安全规程》规定, 新建、改扩建矿井或生产矿井的新水平, 正常涌水量在1 000 m3/h以下时, 主要水仓的有效容量应能容纳8 h的正常涌水量, 在现有水仓基础上增加外环水仓。

3.1 新增水仓参数选取

外环水仓设计总工程量为268.6 m。水仓为直墙半圆拱巷道, 巷宽3.5 m, 巷高3.25 m, 净断面为10.06 m2。巷道采用锚喷网支护, 锚杆间排距800 mm×800 mm, 喷厚100 mm。

3.2 根据安全生产需要水仓应有容积

式中, V应为水仓应有容积, m3;Q正为矿井正常涌水量, 取240 m3/h;H为时间, 取8 h。

经计算, V应=1 920 m3

3.3 外环水仓有效容积

式中, V新为水仓有效容积, m3;S为水仓净断面, 取10.06 m2;L为外环水仓有效部分总长度, 取165 m。

经计算, V新=1 660 m3

3.4 改造后水仓总容积

原有水仓容积900 m3, 新增水仓有效容积为1 660 m3, 水仓总有效容积为2 560 m3, 大于应有容积1 920 m3, 经改造设计后满足矿井的安全生产需要。

为防止矿井突然溃水时大量淤煤汇入水仓, 堵塞水仓使排水泵不能正常运行, 矿井特采用水煤分离系统对淤煤进行沉淀过滤, 如图1所示。

4 结语

井下排水系统第9篇

可编程控制器 (Programmable Logic Controller, 简称PLC) , 是一种数字运算操作的电子系统, 是在世纪年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器, 其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令, 并通过数字的、模拟的输入和输出, 控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备, 都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。PLC具有灵活、通用, 可靠性高、抗干扰能力强, 编程简单、使用方便, 以及控制系统的设计、安装、调试和维修方便等的主要特点。PLC是应用面很广, 发展非常迅速的工业自动化装置, 在工厂自动化和计算机集成制造系统 (CIMS) 内占重要地位。今天的PLC功能, 远不仅是替代传统的继电器逻辑。PLC系统一般由以下基本功能构成:多种控制功能;数据采集、存储与处理功能;通信联网功能;输入/输出接口调理功能;人机界面功能;编程、调试功能。

2 离心式水泵排水系统工作原理

离心式水泵排水系统主要由离心式水泵、电动机、起动设备、仪表、管路及管路附件等组成。水泵房排水设备一般安置在水井液面以上, 所以水泵启动前的灌水一般采用吸入式。为了减小井水吸入阻力, 提高泵站运行效率, 吸水管路不宜设置底阀。无底阀吸入式灌水, 要采用专门的引水设备, 对水泵排水腔和吸水管路进行抽真空, 使水泵运行前充满水。引水设备一般为真空泵或射流泵。真空泵运行效率高, 水泵启动快, 但需要提供专门的驱动设备。射流泵结构简单, 操作方便, 根据矿井的地下环境和条件, 射流泵的应用更为普遍。其结构包括喷嘴、吸入室、混合管、扩散管。射流泵的工作原理是水射流时的“虹吸现象”。射流泵工作时要有高压水源, 使喷嘴处产生高速水流, 通过虹吸现象使吸入室产生真空, 将低处的水吸入水泵内, 再启动水泵。射流泵应连接于水泵的最高处。在开启射流泵前, 要把水泵排水管上的闸阀关闭。射流泵具有结构简单、占地少、安装容易、工作可靠、维护方便等优点, 是一种常用的引水设备, 适合井下排水设备使用。

3 煤矿井下排水系统的总体方案设计

本系统中设计有五台离心式排水泵和三条排水管路进行排水, 并且每一个排水泵都和两个排水管路相连接, 这是为了当其中一个管路故障时, 可以继续用另外一个管路排水, 而不至于排水中断。五台排水泵两台工作, 两台备用, 一台检修, 因而三条排水管路有两条工作, 一条备用或检修。每一个排水泵和与它相连的两个排水管路之间都要用电动阀连接, 可以方便的用PLC选择其中一条管路。每一个排水管通路上都有两个排水电动阀, 鉴于离心式水泵独有的启闭特性, 它们的打开和关闭是有先后顺序的。

在该系统中, 选用作为中心控制器, 它的模拟量输入信号包括水仓水位, 水泵入水口真空度, 水泵出水口压力, 排水管流量, 水泵轴温, 电机温度;它的数字量输入信号包括水泵电机的开关状态反馈信号, 排水管电动阀的开关状态和过转矩反馈信号, 射流泵电磁阀的开关状态反馈信号, 控制方式选择开关信号, 半自动方式下各台水泵的开关按钮输入信号, 各台水泵的禁止启动开关信号, 急停, 故障复位;它的数字量输出信号包括各台水泵电机的开关信号, 射流泵电磁阀的开关信号, 排水管电动阀的开关信号, 警铃开关信号。

4 可编程控制器模块选型

本系统选用三菱的FX2N系列可编程控制器作为中心控制器, 系列是模块化结构设计, 各种单独模块之间可以进行广泛组合和扩展。其主要组成部分有导轨、PLC中心模块、模拟量模块、扩展模块、通信模块等。它可以通过通信模块与计算机进行通讯, 再加上其全面的诊断功能和完善的自我保护技术, 使其具有极高的可靠性, 极其适合本系统的需求。

5 系统前端检测元件

5.1 水仓水位的测量

水仓水位的测量采用感应式数字水位传感器, 由若干个感应元电路, 取样、转换电路, 基准电压源电路, 恒流源电路, 恒压电路, 步进式供电电路, 感应触发开关数字电路集成固化的, 外型光滑无缝的棒式固体传感器。它采取的感应式取样电路是以一个极板电容器接受水中电波, 用二极管和电容构成检波电路取得水位信号。采取的步进式悬浮供电电路, 是由与测点数相同的若干个由集成电路构成的触发器所组成, 对水没有淹到的传感器部位, 相应位置的触发器没有得到信号。

5.2 流量测量

本系统选用电磁流量计作为流量测量元件。电磁流量计由电磁流量转换器和电磁流量传感器组成。电磁流量转换器是为电磁流量传感器提供电源, 并将其测量回的流量信号整定成为标准的4-20mA电流等其他形式的信号。

摘要：作为煤矿生产中的主要工作系统之一的煤矿井下排水系统在煤矿安全问题中十分重要。对煤矿井下排水自动控制系统关键技术进行相关分析。

关键词：矿井,PLC,排水系统,系统控制

参考文献

[1]刘振荣, 宋正昶, 吕巧玲等.矿井排水污泥处置技术的研究[J].洁净煤技术, 2009, (01) .

煤矿井下主排水自动控制系统的应用第10篇

煤矿井下排水系统是保证煤矿安全生产的关键环节,承担着排除井下所有涌出水的任务。目前很多煤矿的排水系统采用传统的人工控制方式,该方式存在的问题:(1)水泵操作人员要根据目测的水位高低来启停水泵,易造成在用水量突然增大的时候不能及时开启水泵,且操作工序繁琐,噪音大,也容易造成操作人员的疲劳。(2)我国每年水泵消耗的电能约占电能总消耗量的20%以上,而电能消耗占水费成本的60%以上[1],采用人工控制方式无法科学、合理地调度排水量和排水时间,造成了很大的浪费。煤矿井下主排水自动控制系统采用PLC作为控制核心,通过各种传感器采集排水管道、水泵电动机的参数,实现了对水泵运行状态、运行过程的自动检测和自动控制。本文结合四川攀枝花煤业集团花山煤矿的实际情况,介绍主排水自动控制系统的组成结构、功能及其应用情况。

1 系统结构及功能

1.1 系统结构

煤矿井下主排水自动控制系统主要由矿用耐磨离心式水泵、隔爆型三相异步电动机、真空系统、隔爆兼本安型PLC控制箱、真空传感器、压力传感器、流量传感器等组成,系统结构如图1所示。

1.2 抽真空方式选择

矿用耐磨离心式水泵在排水之前都要抽真空,目前抽真空方式可分为以下几种:

(1)射流方式。该方式需用到射流总成、射流管道控制阀门、真空管道控制阀门等设备。该方式将高压水流由压力管送入压力喷嘴,使其具有高速动能,将喷嘴周围的气体带走,这样水泵腔体就形成了真空环境。

(2)水环式真空泵。该方式需用到水环式真空泵、管道控制阀门、真空管道控制阀门等设备。在选用该方式时,要估算需要抽取的真空体积,选用型号合适的真空泵。

(3)利用管道余水抽真空。该方式将排水管是道里的余水直接放到水泵内,观察到有水从水泵上部流出时,说明水泵腔体内已经注满水,此时关闭放水阀门,启动水泵开始排水。

(4)利用水箱抽真空。有些煤矿自制水箱,该方式类似于利用管道里的余水抽真空的方式。

(5)利用管道余水射流方式。该方式将排水管道里的余水高速通过射流器,使其具有高速动能,将喷嘴周围的气体带走,这样水泵腔体就形成了真空环境。由于水泵扬程较大,相应压力较大,射流所需的水压可以使水泵腔体形成真空环境,因此主排水自动控制系统采用这种方式来抽真空。

1.3 系统功能

(1)数据采集功能。系统通过传感器采集开关量和模拟量。开停传感器监测水泵电动机的开停状态,给系统提供开停信息,避免误操作。压力传感器监测水泵内部压力,当压力达到设定值时启动水泵,当压力低于设定值时自动停泵。真空压力传感器在水泵启动之前监测吸水管路的真空度,当真空度达到设定条件时,启动水泵电动机。液位传感器实时监测水仓水位变化,系统根据当前水位变化情况,自动实现高水位起泵和低水位停泵。流量传感器实时监测主排水管路的流量,系统根据排水管的流量情况判断管路是否发生故障,并在低流量时自动报警。

(2)控制功能。系统控制方式分为手动、集控、远控3种。手动方式:在水泵房集中操作台上,操作员可根据需要,按顺序控制水泵及其关联设备的开停,单台泵各设备之间有联锁关系。集控方式:在水泵房集中操作台上,当自动开泵或停泵条件满足时,系统可根据预先设定的程序自动启停相应设备,单台泵各设备之间有联锁关系。远控方式:通过操作上位机上的水泵监控界面,完成对水泵及其它关联设备的开停控制。系统可根据操作人员的配置设置权限。

(3)节能功能。系统可根据电网监控系统统计的用电高峰、低谷时间,结合分时计费和避峰填谷原则,确定水泵启停时间。

(4)故障诊断功能。水泵启动时,系统先启动射流泵或真空泵,监测真空管路压力,当压力达到设定值时启动水泵电动机,同时关闭真空管路阀门。水泵电动阀门打开后,监测排水管内的压力,当在一定时间内压力没有达到设定值时,系统自动停止水泵运行并发出故障报警信号。控制阀门打开或关闭后,电动阀门会反馈一个状态信号给PLC,PLC判断反馈信号与发出的信号是否一致,当两者信号不一致时,系统发出报警并在上位机上显示报警信息。

(5)实时多任务功能。实时传输、处理、存储和显示信息,并根据要求进行实时控制,系统可周期性循环运行而不中断。

2 系统在花山煤矿的应用

2.1 花山煤矿排水系统概况

花山煤矿井下中央水泵房安装了3台D580-60×3型水泵及3台YB450M1-4型三相异步电动机。水泵主要参数:流量为580m3/h,扬程为180m。电动机主要参数:电压为6kV,电流为51.5A,功率为450kW,转速为1 481r/min。该水泵房有2趟主排水管路,口径为DN350;3趟水泵排水管路,口径为DN250;采用管道余水射流方式抽真空,射流管路口径为DN25,真空管路口径为DN20。

排水系统井下部分包括2台DN350防爆电动闸阀、6台DN250防爆电动闸阀、3台DN25防爆电动球阀、3台DN20防爆电动球阀、1台隔爆兼本安型PLC控制箱、1台本安操作台以及各种传感器;地面部分包括工控机、交换机等。

中央水泵房与地面监控机房通过1根8芯光缆(2芯水泵控制用、4芯视频用、2芯备用)连接。井下设备通过光纤分线盒接入PLC控制箱,通过光缆将信号传输到地面监控中心,然后通过光端机将信号转换成以太网信号接入地面工业以太网。

2.2 系统器件选型

(1)主控制器

系统选用西门子公司生产的S7-200PLC。该控制器是一种叠装式结构的小型PLC,具有指令丰富、功能强大、可靠性高、适应性好、结构紧凑、便于扩展、性价比高等优点[3,4]。S7-200PLC主机的型号种类较多,本系统选用CPU226模块。

(2)输入输出模块

煤矿井下水泵房内水泵台数不确定,按照3台水泵设计,排水系统需具备约50个I/O点,而CPU226本身的I/O点不够,EM223模块具有16路输入/输出点,因此选用2块EM223模块扩展系统I/O点。同时系统需具有10路模拟量输入,EM231模块具有4路模拟量输入,因此选用3块EM231模块。

(3)系统电源

系统电源包括控制箱的供电电源、传感器电源、电动闸阀电源等。目前我国煤矿井下低压供电电压大多为660V,照明综保输出电压为127V,因此控制箱的供电电源选用660V井下低压供电,电动闸阀供电电源选用127 V电源,传感器可由PLC供电,也可由控制箱内的本安电源板供电。

(4)上位机软件

系统选用组态王软件。该软件驱动程序多,适用于多种通信接口,可模拟现场实际设备情况,具有画面直观、操作方便等特点。上位机软件可显示水仓水位、吸水管真空度、流量等参数,可监测系统当前的控制方式、当前泵的工作状态、故障信号等。

2.3 系统控制流程