国内首个井下无人值守水泵房安全运行10年
贾世河
[摘 要]在煤矿井下的作业中，通过安全预警系统的应用，使水泵房的安全性、自动化水平都得到了提升，根据多年的工作经验，针对无人值守的水泵房，提出了预警解决方法，并且，在实际的应用中，取得了良好效果。本文主要基于井下无人值守水泵房的安全预警系统，展开了论述。
[关键词]井下；无人值守；水泵房；安全预警系统
中图分类号：X924 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）48-0080-02
如今，自动化控制系统正在替代传统的生产模式，在煤矿井下，采用无人值守全自动水泵房的举措已成为了一种趋势，起到了节能减员的作用。作为新兴的技术，这种生产方式更要具有严谨的避险措施、故障预警。通常，在企业中，应用无人值守的水泵房时，还要具有配套的故障预警系统，除了提高工质量，还可记录相应的事件、参数、日志等，实现系统故障的可预警、可追查等。
一、无人值守全自动水泵房的工作原理
在水泵房中，开启或停止无人值守的全自动控制系统时，主要是参照时间、用电负荷，以及水位的参数来实现水泵的运转，从而完成泵阀的连锁启停，对于系统中的各种参数，要进行实时的监控，通过接口，将所有的信息上传到地面的监控中心，同时，将信息储存到数据库中。
开启、停止水泵时，一些阀门的设定要由下位机的程序来完成。对于时间、负荷的设定，要由操作员执行，在上位机进行直接输入，设定相应的条件。对于上位机。
二、无人值守全自动水泵房安全预警
对于无人值守的全自动水泵房，要基于其现状，进而采取相应的安全预警方式。当處于无人值守期间，每个保护信号的判断，都会影响到运行的稳定性。对于保护信号，主要来自于电网的波动、真空度不足、电机过流、过热、振动、电机的欠压、流量不足、压力的变化、阀门开度不够、水位变化等，都为泵组提供了停机保护的便利，对于每个煤矿的水泵房，这些数据对其的排水结构不同也有存在微小的差异，不过，这些都是关键的控制点。如果这些信号让系统发生了动作，那么，系统就会启动自动保护设备，进入关停的状态，并且，以声的形式，或者是光的形式做出报警提示，让监控人员意识到存在了异常的问题。同时，在系统的监控主机上，通过软件系统，储存相应的报警数据，也利用WEB来提醒相应的值班人员。
（1）传感器保护，详情见表1。
（2）视频辅助。对于一个企业，在前期，为了控制水泵，在应用无人值守的模式时，常常由于设备的磨合不够，以及制度的不够完善的制约，而且，也会受到人员的业务水平的影响，所以，需要依靠视频系统进行辅助的控制。对于视频辅助系统，主要包括：摄像仪、客户端，以及传输介质。摄像仪应安装在井下的水泵处，利用三台固定的摄像仪，对水泵的位置进行监视。对摄像仪的位置进行调整之后，能够拍摄到整个水泵系统的所有设备，图像的清晰度较好，还能上传给地面的监控中心，让操作人员可以清楚、直观的找到故障位置。
（3）应急广播辅助。对于应急广播系统，要将其服务端设置在地面的监控中心，这样可与水泵房监控系统进行同台操作。当生产顺利时，可以让监控中心确定告知今日的检修计划，以及传达会议的精神，交代专项的管理规程等。在水泵房的区域中，应设置应急的广播终端，如果系统出现故障，可由下位机传达指令于广播音箱，在水泵房，以及配套的变电所中，全部的音箱能够准确的判定故障的类型，为巡回检视的人员提供了方便，加快了处理故障的效率。
（4）专项停送电。在水泵房的配套变电所中，其高压防爆的配电装置要应用“五遥”技术，以此完成监控中心的远程停、送电，通过下位机、“五遥”服务器，进了数据的交换，使水泵故障联动系统得到了断电保护，也防止一些高压设备遭到破坏。对于水泵系统的供电，由低压配电设备根据每台水泵的情况完成的，例如：阀门、电控装置等，通过专项的停送电保护设备，然后，接入了低压的供电开关。如果某台水出现故障，下位机就会对故障的类型进行判断和分类，当故障严重时，可以停止该台水泵系统全部低压供电，并且，其他的水泵自动控制功能正常进行。
（5）上位机报警。其操作端应该安装在操作员站，因为可以根据权限进行分配，这样操作员也能根据权限的不同采取相应的操作，比如：查看报表、故障查询、修改设置等。不管是水泵系统的是运行，还是停止，其各种设备的相关状态，以及相应的参数等，例如：水位、温度、流量、压力等，都会在上位机中进行实时的显示，还会根据变化的动态，描绘出历史曲线，将其储存在数据库中。此外，所有的故障、操作记录都可以备份、查询。
（6）全套的安全预警系统处理。通过下位机，会依照故障的类别做出相应的当作，如：停泵、急停，全部的过程会储存在上位机的数据库中，对于故障的处理流程。
三、系统的组成
对于系统的组成，可以见图1，。通过水位传感器，对水位信息进行了采集，并根据水位的高低，判断了是否需要开启水泵。
四、系统的数据采集与控制功能
（一）系统采集的主要参数
采集的参数主要包括：有水仓水位、电网电压、吸水管真空度、排水压力、排水管流量、闸阀开度、电机启动电流、电机工作电流。并且，统计了水泵的运行时间，拖动电机的用电参数，总排的水量，如：功率因数、有功功率、无功功率，以及总的用电量等。通过这些数据，都有助于系统的自动控制，对设备进行有效的监控。
（二）系统的控制功能
控制方式氛围3中，一是自动控制，二是半自动控制，三是手动控制。对3种控制的实现，其关键点在于系统的建设，以及改造中，要确保自动控制牵涉的阀门都是电动阀门，而且，各个控制的监控点应安装传感器，从而对系统提供准确的控制依据。
系统在平时，常用的运行方式为自动控制，如果不用调试、检修时，系统会根据传回的监测信息，决定是否需要进行排水，如果需要排水，要根据水泵累计的工作时间，当前泵组的状态，泵组的供电情况等，再选定需要进行开泵动作。如果水位降低到了停机位时，系统会按照水泵的操作规程，自动地关闭水泵。endprint
对于半自动方式，又可分为俩种，一是就地控制，通过手动操作，实现泵组的启动、停止，二是远程控制，在上位机组态界面中，控制泵组的启动、停止。
（三）操作方式
（1）对于检修方式，要在整个系统脱离了控制器的情况下进行，结合水仓的水位，对各个设备进行手动操作，一般情况，当需要检修使，或者是控制系统故出现障，作为应急的操作手段。
（2）对于自动方式，要结合水仓的水位、水泵是否上水，以及水泵的运行时间等，从而对水泵进行启停。通过阀门和水泵间的启停，可以检测设备的实际情况，若出现故障，就会自动地停机、报警。
（3）远程方式，在地面的控制室，对设备的启停进行远程操作，对设备的运行状态进行监視，掌握运行参数的变化情况。
五、水泵的控制策略
（一）水泵的控制流程
当启动离心式的水泵时，要去报水泵处于满水状态，这样才能在启动之后，使水泵处于正常的上水，所以，在水泵的控制流程中，判定水泵的抽真空就是确保水泵正常运行的前提。但是，受水仓的水位、水泵的密封性，以及水泵盘根的压紧情况的限制，抽真空的运行也会受到影响，并且，水泵之间，或者同一台水泵，在不同的时期，其满水的真空度值也有所差异，尤其是在手动操作时，受水位的影响，有时会使真空度不能到达设定值，进而无法启动。因此，真空度十分关键，要结合水仓的水位，水泵的气密性，以及水仓的总深度，减掉当时的水位，再加上水泵距离地面的高度，以此来判断真空度。为了使水泵充满水，应给一定的时间，再启动水泵。
（二）水泵的控制策略
水泵开启时，应对水仓的水位进行检测。如果水位超过了低水位，要启动1台水泵，即：系统的第一次运行，启动1号泵，之后根据运行的时间，启动运行时长最少的泵，假设所选的水泵处于检修的状态，那么，开启下一个序号的水泵。同时，1台水泵被启动后，其运行了一段时间，若水位一直上涨，那么，要按顺序，将下一序号的水泵开启。如果水位下降，并处于低水位限之下，那么，可将工作时间最长的水泵进行停止。对于一些满足开启要求的水泵，开启之前，要先将真空系统进行启动，再对真空度进行检测，当真空度达标后，才可以开启。如果水位超过了警戒水位，除了检修泵之外，其余的全部开启。如果水泵存在故障时，要及时地停泵、检修。
在本系统中，要将水仓的水位当作启停水泵的基本依据，以此为前提，然后，遵循均匀磨损的原则，以及电价避峰填谷的原则，操作水泵的起停。首先，要设定四个水位的限值，即：H1、、H2、H3、H4，详情见图2。
当水位处于报警水位，要检测电网的负荷，如果处在用电谷段、平段时，应立即启动。如果处在用电峰段，启动可稍缓以下。当水位继续超过了限水位，不管电网的负荷如何，要马上启动水泵。因为水位上升到了超限水位，就表明一台水泵无法满足矿井的出水需求。不管投入多少台水泵，必须使水位降低，一直降到低限水位，才能停泵。
六、系统功能
（一）无人值守
对于系统的设置，处于自动工作的模式后，主要靠水位传感器来获取水仓的水位信息，如果满足了排水条件，水泵就会启动进行能排水。如果满足停机条件，系统机会给出停泵的指令，从而关闭水泵。
（二）错峰填谷
对于一些地区的用电计费是分段计费的方式，应采用节能的措施，例如：设置四个水位段，即：水高、中1、中2、低。对于中1水位，在高计费时间段，可以不启动水泵，在低计费时间段，则可启动水泵，对于中2水位段，一定要启动水泵，对于高水位段，则要加启水泵。
（三）自动轮班工作
基于水泵的运行时间，对水泵进行控制，实现自动的轮班，不管是泵组是闲置很久，还是工作过长，都会提醒工作人员进行定期的维护，不仅减少了系统的大规模的维护，也节约了成本。
（四）通讯功能
在本控制系统中，具备以太网模块，通过以太网，能将中央泵房内水泵机组的相关信息传送给地面的控制室，其通过煤矿局域网，将这些信息传送给相关的部门，对于被授权的工作人员，会掌握排水系统的全部检测的数据、工作的状态，还能远程控制设备。
（五）运行参数实时监测及故障报警
系统可以对相应的信号及参数进行实时的检测，如：泵、阀门的状态、水泵的真空度和出口压力、排水管路流量、电机的电流和温度等，在现场与地面控制室中进行设备显示，并记录相应的参数。如果某参数有异常，会及时的停泵，发出报警，并且，在现场和地面控制室中，还会显示设备，查询当前的信息，以及历史的故障记录。
七、无人值守泵房在矿井中的运行效果
（1）通过监控主机，可以让值班领导更直观、更合理的指挥调度生产，也会给维修人员相应的故障显示，从而迅速地处理故障。
（2）在该系统，通过历史的数据，可以对矿井的用电负荷情况进行统计，掌握用电高峰，以及低谷时间，进而“避峰填谷”，合理用电。在无人值守的泵房中，采用节能的排水手段，每年可以减少了几百万度的用电，会节省几十万元。
（3）通过对水仓的水位以及其他的参数进行检测，除了能对水泵的轮流工作进行控制，以及对备用泵进行及时的启用，还能对水泵的运行进行合理的调度、轮换，减少水泵故障的检修时间。
（4）生产运行的可靠性得到了保障，操作事故率减少了60-80%。
（5）变电所的可靠性、处理能力有所提升。
（6）削减了各方面的开销，比如：工资、保险、奖金等。
（7）每年的停电事故减少了80次，煤炭生产量增加了1万吨，经济效益突破500万元。
（8）地面对煤矿井下的变电所进行了实时性的检测，提高了自动化的管理水平。
结语
在井下无人值守水泵房中，对于安全预警系统，其主要根据相应的参数，对设备进行自动控制，以及实时的监视，进而实现无人值守。在煤矿水泵房中，该系统得到了良好应用，可有效减少水泵系统的故障，为无人值守、安全生产保驾护航。
参考文献
[1] 陈钧.几种基于PLC技术的实用控制程序设计[J].制造业自动化，2008，30（4）：35-37.
[2] 邵昊，蒋曙光，秦俊辉，等PLC控制的自动风门程序设计[J].煤炭科学技术，2008，36（4）：89-92.
[3] 孙耀明.PLC在矿山皮带传输控制中的应用[J].冶金动力，2009，（4）：11-13.
[4] 潘文彪.PLC在搅拌机械中的应用[J].自动化应用，2010（1）：66-68.
[5] 赵小虎，张申，谭得健！基于矿山综合自动化的网络结构分析[J].煤炭科学技术，2004（8）：22-24.
[6] 吕世斌，刘鸿利.一种基于PLC的电动机组软启停的程序设计[J].科技信息，2009（11）：52-55.endprint
