贾艺栋

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司双柳煤矿， 山西 柳林 033300）

引言

现阶段矿井排水系统受到设备自动化程度较低限制，存在故障率高、无法联机运行以及控制系统落后等问题[1-2]。为此，众多的研究学者对矿井水泵运行控制展开研究，其中史丽萍等对矿井水泵智能控制系统展开研究，通过引起模糊控制，提高了井下水泵运行可靠性以及应急能力；寇彦飞等基于传感器、微处理技术等设计一种排水控制系统，该系统综合水位变化、水仓容积、电力载荷等对水泵自动运行井下控制，在满足井下排水需要可降低电力消耗，实现了水泵经济高效运行[3-4]。

文中就以山西某矿中央水泵房安装的离心泵为研究对象，提出一种智能控制系统，以便提高矿井排水智能化水平。

1 矿井排水系统分析

矿井井下排水量由煤炭开采强度、采掘范围以及采掘深度等因素有关，现阶段矿井排水方式多使用多水平逐级排水、多水平集中排水、多水平独立排水方式。山西某矿设计生产能力为300 万t/年，矿井开采区域内水文地质条件简单，井下排水采用多水平独立排水方式，即每个生产水平均布置有水泵房负责将本水平内积水排出至地面。井下各采区内涌水汇聚至各采区中央水泵房，并通过离心泵将水仓内积水排出至地表。矿井使用的离心泵结构主要组成包括有控制阀门、泵轴、叶轮以及泵壳等。

2 水泵智能控制系统设计

中央水泵房水泵智能控制系统结构包括有远程视频监控系统、现场操控平台、监控上位机、水泵运行控制单元等构成，具体智能监控系统结构见图1所示。

图1 智能监控系统结构

1）视频监控单元。智能监控系统中视频监控单元硬件结构包括有防爆摄像机、光端机等，通过摄像头可实时监测水泵房内设备运行情况。

2）现场操控平台。现场操控平台结构有指示灯、触摸屏以及物理按钮等构成。物理按钮主要用以现场控制，指示灯用以指示各个设备运行状态；触摸屏显示水泵房内各设备运行参数。

3）控制单元。水泵智能控制系统核心组件为PLC 空盒子器，具体有两个控制策略：实现多水平控制策略动态规划；运行控制策略基于“避峰调谷”实现。经过PLC 控制器中内置逻辑运算算法即可实现PLC 运行控制，从而实现水泵运行的只能控制。

4）上位机监控。上位机监控组成单元包括有监控显示屏、关端机，运行程序采用iFix 组态软件编写。

3 智能排水系统功能及排水单元设计

3.1 系统功能

矿井智能排水系统主要功能单元包括有智能控制、水泵自动换轮、多水平协同控制、多样控制等，具体系统功能见图2 所示。

图2 智能排水系统功能图

1）故障报警，当传感器监测到异常数据或者PLC 设备运行存在异常时，智能控制系统内置的报警指示灯以及电铃等会发出声光报警信号，从而提醒值守人员及时处理。

2）视频监控，在井下主要水泵房中均安装有高清防爆摄像头，将水泵房内水泵运行、水位等画面经过井下工业以太网环网实时传输给地面上位机。

3）数据采集及显示，在矿井主要水泵房内安装有各类的传感器，传感器监测数据实时传输给PLC控制器进行数据分析。

4）水泵自动换轮。根据传感器监测获取到的水泵使用数据，智能控制系统会自动对水泵运行进行调整，确保水泵房中两个水泵使用寿命、使用时间等均可合理安排。

3.2 排水单元

水泵房中排水单元硬件结构主要包括有检测仪表、排水管道、驱动电机、离心泵、阀门等，具体排水单元结构组成见图3 所示。

图3 排水单元结构组成

1）阀门主要有出水阀门以及逆止阀门等构成，离心水泵的排水量以及扬程主要通过调整出水阀门的开合角度实现；逆止阀安装在出水阀上侧，主要功能是防止水流逆流，当离心泵电机、水泵叶轮或者水闸阀等设备出现故障时，逆止阀会自动启动，从而避免逆流情况发生。

2）检测仪表主要由压力表、真空表等组成，其中压力表布置在出水口侧，主要用以监测出水口压力，当监测到出水口压力满足要求时出水阀可开启；真空表布置在泵体吸水管上用以监测泵体真空度，当泵体内真空度达到要求时基泵可正常启动。

3）射流体系是通过吸力将真空泵内空气排出，确保泵体处于真空状态，在大气压力作用下把水引入到泵体内。

具体控制流程为：首先PLC 控制器向离心泵发出启动指令，相关设备进入到泵启动状态；当压力传感器监测到压力值达到设计值时，关闭真空阀以及射流阀，随后开启水阀排水；在排水过程中当检测到水仓水位达到停泵条件时，PLC 控制器发出停泵指令，离心泵停机运行。

4 结语

设计的水泵智能控制系统可根据布置的传感器监测结果自动调整水泵运行，不仅可满足井下排水需要，而且可实现水泵房内水泵自动切换，避免单一水泵长时间、高负载运行出现故障。