梅花井煤矿环形水仓远程自动化控制系统的研究与应用
时间：2020-05-29 03:47:50 来源：达达文档网 本文已影响 人 
刘小明
摘要：针对梅花井煤矿环形水仓排水占用人力资源严重、作业环境复杂、日常管理难度大的问题，对环形水仓的排水设备进行了自动化改造。通过工业以太网实现远程控制，从而彻底改变了环形水仓传统的人工排水方式，达到了自动化换人、减员提效的目的。
Abstract：
Aiming at the problems that the drainage of the annular water storage in Meihuajing Coal Mine takes up a lot of human resources， the operation environment is complex， and the daily management is difficult， the drainage equipment of the annular storage is automatically transformed. The remote control is realized through industrial Ethernet， thus completely changing the traditional artificial drainage method of the ring water storage and achieving the purpose of automatic substitution， personnel reduction and efficiency improvement.
关键词：远程;自动化;控制;节约
1 环形水仓水源
梅花井煤矿环形水仓的水源来自巷道淋水、探放水、设备冷却水、冲洗巷道的水及供水管路漏水。
2 环形水仓传统排水模式存在的问题
环形水仓排水作业采用传统人工排水模式：水泵工乘坐胶轮车、架空乘人器加步行到达环形水仓，观察水位，水位达到上限时，操作现场的排水设备开始排水，期间观察水位，当水位达到下限时，停止排水，排水停止期间，打扫现场的卫生或则等待，三班倒工作制。
采用传统人工排水模式存在问题：
①每个环形水仓每天必须占用4名水泵工，3名水泵工三班倒，1名轮休，人力资源占用严重。
②井下排水作业环境复杂多变，闷热潮湿，周围充满了危险源，作业环境恶劣。
③为避免水仓中水量突然增加造成巷道或设备被淹，水泵工严格执行现场交接班制度，因部分巷道至井口距离长，甚至接近10公里，单程需要1个小时，造成交接班时间长，人员在井下的单班作业时间接近10个小时，人员长时间作业，容易出现疲劳作业，发生安全事故。
④当水仓水位排至下限后，排水设备停止运行，水泵工也处于空闲状态，单班有效作业时间少。
⑤人工误操作或责任心不强，未严格按照标准作业流程排水作业，导致设备损坏或巷道被淹。
⑥对于设备工况的监测，全靠人工估量，没有说服力，无法精掌握设备的状况。
⑦排水过程中，设备出现故障后，不能立即停止设备。
3 环形水仓远程自动化控制系统
3.1 系统构建[1]
环形水仓自动控制系统由1台矿用隔爆兼本安型信息传输接口、1台矿用本安型投入式液位传感器、2台矿用本安型压力传感器、4台矿用隔爆型电动球阀、1台超声波流量计、2个液位浮球开关构成。设备结构示意图所示：如图1。
矿用本安型压力传感器，用作监测水泵出水口侧的压力，并通过与水泵正常运行时的压力值对比，判断水泵运行是否正常。
矿用隔爆型电动球阀，启动水泵电机前，打开连通供水管上的球阀，通过水泵注水孔向水泵内注水;打开连接水泵上排气孔的球阀，排出水泵内的空气;启动水泵电机后关闭以上两个球阀。
超声波流量计，监测排水管路中水的流量，并通过与水泵正常运行时的流量值對比，判断水泵运行是否正常。
液位浮球开关，通过测量铁桶内的水深来判断水泵注水是否满。
矿用隔爆兼本安型信息传输接口为控制核心，内置处理器为西门子S7-1200可编程控制器，现场由西门子S7-1200可编程控制器采集传感器信号，并按照设定的逻辑顺序控制电动球阀及水泵电机的启停。
3.2 环形水仓自动化排水的工作原理
①水泵启动。液位传感器上传的数据大于设定的水位上限，注水电动球阀开，排空气电动球阀开，当水泵和吸水管内注满水，多余的水流进沿底部周围有4个ф10mm小孔的铁桶内，铁桶内有液位浮球开关，当铁桶内水位满时，液位浮球开关显示关闭，证明水泵注水满，排空气电动球阀关，注水电动球阀关，西门子S7-1200可编程控制器远控水泵电机的矿用隔爆型电磁启动器合闸，启动水泵电机排水，出水压力和流量大于参考值，水泵正常排水;否则，报故障，西门子S7-1200可编程控制器远控水泵电机的矿用隔爆型电磁启动器分闸，水泵电机停止工作[2]。
②水泵停止。
液位传感器上传的数据低于设定的水位下限，西门子S7-1200可编程控制器远控水泵电机的矿用隔爆型电磁启动器分闸，水泵电机停止工作。
3.3 远程控制
环形水仓远程自动化控制排水的核心——矿用隔爆兼本安型信息传输接口通过扩展工业以太网模块CP343接入信息化系统，再经环网交换机上传给远程控制中心的工控机[3][4]，工控机上环形水仓的控制界面如图2所示。
环形水仓远程自动化排水共有三种控制模式：
开泵流程：开注水阀，点击注水阀，选择注水阀开即可→开排空阀，点击排空阀，选择排空阀开即可→满水信号显示后30s关排空阀→开电机，点击水泵文字，选择电机启动，水流和电机动画显示出来→关注水阀，点击注水阀，选择注水阀关即可。
停泵流程：停止电机，点击水泵文字，选择电机停止→水流和电机动画消失。
一般情况下，环形水仓排水采用全自动控制模式;当水仓排水需要人工干预时，采用自动控制方式;早班测试水泵或排查故障时，采用手动模式，对设备进行一一测试。
4 应用效果
梅花井煤矿环形水仓远程自动化控制系统自应用以来，每个环形水仓可节约4名水泵工，极大节约人力资源;再加上PLC程序的约束和自动化，投入使用以来从未发生一起因人为操作而造成设备损坏或因人为原因造成水淹巷道的事故。压力传感器、流量传感器等传感器提供数据，PLC程序监控排水设备的工况，当排水设备出现故障时，自动识别排水设备的故障，立即停止设备运行，保护了设备，并能为检修工作提供工况数据，提高人工判断故障的准确性和效率。
5 经济效益分析
5.1 人工成本节约
每个环形水仓每天需要4名水泵工，每名水泵工年平均收入11万元，若环形水仓采用远程自动化控制排水，环形水仓可实现无人值守，每个环形水仓每年可节省人工成本44万元。
5.2 投资回收期计算
从表1中可以得出：每个环形水仓需要硬件投资6.71万元。每个环形水仓每年人工成本可节约44万元，投资回收期是6.71÷44×365=55.66天，即56天。
6 结语
梅花井煤矿环形水仓远程自动化控制系统的应用节约了人力资源，改善了排水人员作业环境，避免了人工误操作造成淹巷道和损坏设备，达到了自动化换人、煤矿井下少人则安的目的，显著地降低了人工成本，投资回收期短，经济效益良好。
参考文献：
[1]郑华华.基于PLC的煤矿自动化排水控制系统设计[J].地下空间与工程学报，2018（12）.
[2]孔少华.井下排水远程集控自动化系统的应用[J].地下空间与工程学报，2017（07）.
[3]曾言.煤矿井下排水自动化系统的创建研究 [J].电子世界，2016（05）.
[4]陈晓清.煤矿水泵自动化系统的开发和应用 [J].地下空间与工程学报，2018（02）.
