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關(guān)于煤礦井下排水自動化系統(tǒng)的分析
摘 要：當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，煤礦安全事件層出不窮，這也為我國煤礦事業(yè)的安全發(fā)展敲響了警鐘，作為決定煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，煤礦井下排水系統(tǒng)作用重大。以往的生產(chǎn)過程中，使用的是人工排水控制系統(tǒng)，往往存在著耗能大、工序眾多以及控制效率低等問題，不利于煤礦的安全生產(chǎn)，而當(dāng)前的科技發(fā)展迅速，也為煤礦安全生產(chǎn)方面的數(shù)字化建設(shè)提供了可能，基于此，該文研究中，采用PLC作為自動控制的核心，繼而結(jié)合末端傳感設(shè)備控制方式，實(shí)現(xiàn)和完善了對煤礦井下排水自動化系統(tǒng)的運(yùn)用，以期能為我國煤礦的安全生產(chǎn)提供有益的參考。
關(guān)鍵詞：煤礦 自動化 排水 控制 井下
我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，煤炭作為一種主要的能源有著極其重要的作用，而作為這種能源輸出的唯一途徑，煤礦的安全生產(chǎn)更是關(guān)乎社會的和諧與穩(wěn)定及國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在具體實(shí)施過程中，排水系統(tǒng)無疑是其進(jìn)行安全生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)，加之當(dāng)前煤礦安全事故的多發(fā)性，使得其排水系統(tǒng)的更新強(qiáng)化成為了業(yè)內(nèi)人士的普遍關(guān)注點(diǎn)，在排水系統(tǒng)方面，目前國內(nèi)多采用人工控制方式，一旦遇到水位的劇烈變化，勢必會暴露出其操作復(fù)雜及應(yīng)變能力低等問題，且其耗能大，這顯然不適合于我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。新時(shí)期的發(fā)展中，排水自動化系統(tǒng)具備了可實(shí)施性，且其控制效果良好，極大提高了水泵排水的效率，也具備了節(jié)約能源的可持續(xù)發(fā)展需求，有著廣泛的應(yīng)用前景，借助于PLC這一控制核心，采集控制參數(shù)通過安裝在水泵電機(jī)和排水管道上的感應(yīng)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，有著高度的自動化監(jiān)測和控制效果，將極大提高煤礦生產(chǎn)的安全性[1]。
一、自動排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
綜合看來，國內(nèi)在煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)的采用方面目前主要用到的有礦用耐磨離心式水泵、隔爆型三相異步電機(jī)、壓力傳感器、真空系統(tǒng)及隔爆型PLC控制箱等組成，具體實(shí)施中，需在排水工作實(shí)施前對礦用耐磨離心泵進(jìn)行抽空處理，當(dāng)前常運(yùn)用的方法有水環(huán)真空泵及射流和管道余水射流、管道余水抽空及管道余水射流等，此外，如果煤礦生產(chǎn)中要采用射流方式，勢必要用到對應(yīng)的射流總成、射流管道控制閥門以及真空管道閥門等設(shè)備，借助于高壓水流所產(chǎn)生的高速度助理壓力噴嘴部位，實(shí)現(xiàn)帶走水泵腔體內(nèi)空氣的目的，最終使得其內(nèi)部形成了真空環(huán)境，方便后續(xù)運(yùn)用。
結(jié)合水環(huán)方式看來，用到的設(shè)備包含了水環(huán)真空泵、管道控制閥門及對應(yīng)的真空管道控制閥門等，具體運(yùn)用過程中，需對待抽取的真空體積進(jìn)行估算，從而結(jié)合此數(shù)值去對真空泵的選用型號進(jìn)行確定，完善準(zhǔn)備階段和后續(xù)使用。
在抽空管道內(nèi)的余水將其注入水泵內(nèi)的過程中，若采用管余水的方式，直到水泵上有水流出的時(shí)候則說明對應(yīng)的水泵腔內(nèi)部已注滿，在此基礎(chǔ)上，需要及時(shí)關(guān)閉放水閥門，將排水泵開啟。綜合看來，自制水箱的煤礦較為適用利用水箱抽真空的方式，其一定程度上類似于管道余水的抽真空方式，二者的共同點(diǎn)是利用水泵的抽水作用實(shí)現(xiàn)了將管貸余水的抽真空目的，且在此前提下，實(shí)現(xiàn)了泵腔內(nèi)的水排干凈的需求，利用了水泵的抽水作用，從而使得管道處于真空狀態(tài)。除此之外，煤礦生產(chǎn)中用到的管道余水射流方式具體表現(xiàn)為高壓處理原排水管道中的余水，這種操作方式下，讓此部分余水具備了較高的速度，同時(shí)相應(yīng)具有了動能，接下來借助自身的動能，能于噴嘴部位將周圍的空氣帶走，這種運(yùn)行的結(jié)果便是于泵腔內(nèi)形成了真空的環(huán)境，便于后續(xù)操作的實(shí)現(xiàn)[2-4]。
二、井下排水自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析
2.1 中央泵房設(shè)計(jì)
作為煤礦井下排水系統(tǒng)的核心，中央泵房作用重大，是排水動力的提供者，其內(nèi)部的各項(xiàng)設(shè)備配合工作，共同去實(shí)現(xiàn)自動控制的需求，在中央泵房的設(shè)計(jì)方面，慣用的形式為單臺水泵工作，在具體中央泵房的設(shè)計(jì)方面筆者將以某煤礦井下排水系統(tǒng)為例來分析：(1)應(yīng)當(dāng)于排水管上安裝止水閥，并確保對應(yīng)的電動裝置、閘閥安裝完善，使其可以有效支持中央泵房設(shè)計(jì)的電動和手動部分，為后續(xù)運(yùn)用打下基礎(chǔ);(2)需要將壓力監(jiān)測裝置安裝于水泵出口處，諸如壓力表，實(shí)現(xiàn)對水泵出口壓力的監(jiān)控和傳送，從而使得排水系統(tǒng)自動化的安裝運(yùn)行得到有效保障;(3)對中央泵房各項(xiàng)設(shè)備的型號進(jìn)行嚴(yán)格控制，裝備和設(shè)備型號的不同，對應(yīng)的功能也各異，設(shè)計(jì)中央泵房的過程中，需要完善對設(shè)備型號進(jìn)行重點(diǎn)審核，防止型號不匹配的現(xiàn)象出現(xiàn)，從而使得中央泵房的運(yùn)行得到有效完善。
2.2 自動監(jiān)控系統(tǒng)的組成
綜合而言，監(jiān)控系統(tǒng)無疑是煤礦井下排水系統(tǒng)自動化的重點(diǎn)，其重心由遠(yuǎn)程系統(tǒng)、CPU模板及PLC控制柜組成。
具體細(xì)分看來，由九個(gè)部分共同組成了自動監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對排水系統(tǒng)的自動化運(yùn)行的全面監(jiān)控，其組成部分主要如下：(1)開關(guān)柜監(jiān)控，在煤礦生產(chǎn)中啟動水泵時(shí)，會隨之帶動開關(guān)柜內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)發(fā)生變化，從而出現(xiàn)參數(shù)信號由RS485向PLC控制柜的傳輸，此時(shí)，對于PLC控制柜內(nèi)接收的信息，對應(yīng)的自動監(jiān)控系統(tǒng)需要進(jìn)行識別，繼而對開關(guān)柜的運(yùn)行正常與否進(jìn)行判斷;(2)水位監(jiān)控，具體看來，此模塊作用在于對吸水井水位的監(jiān)控，借助于對超聲波液位儀的使用實(shí)現(xiàn)對吸水井信號的收集，從而達(dá)到對吸水井水位變化的實(shí)時(shí)反饋;(3)閘位置監(jiān)控，此設(shè)計(jì)方面，在閘門處安裝了行程開關(guān)，這一措施使其可以提供開關(guān)信號，完成向PLC控制柜的傳輸，從而實(shí)現(xiàn)對其的邏輯判斷，完善其運(yùn)用;(4)溫度監(jiān)控，為了感應(yīng)偏離正常溫度的系統(tǒng)位置，設(shè)計(jì)時(shí)與排水系統(tǒng)內(nèi)安裝了溫度探頭，一旦系統(tǒng)潛在高溫危害，對于此信息，溫度探頭會將其傳遞到監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，完善對其的處理，提示溫度過高并采取保護(hù)措施;(5)故障監(jiān)控，作為此監(jiān)控系統(tǒng)的重點(diǎn)，其作用重大，借助于對現(xiàn)場排水信息的有效收集，PLC控制柜對現(xiàn)場的信息狀態(tài)進(jìn)行仔細(xì)分析，繼而在此基礎(chǔ)上找出異常參數(shù)，借助于對指令的掌控和管理實(shí)現(xiàn)自動化啟停，為防止不準(zhǔn)確啟停操作的出現(xiàn)，自動監(jiān)控系統(tǒng)需監(jiān)督水泵啟停，完善其運(yùn)行;(6)信號監(jiān)控，綜合看來，自動監(jiān)控系統(tǒng)以負(fù)壓及壓力為主，借此來實(shí)現(xiàn)對排水系統(tǒng)自動化運(yùn)行的狀態(tài)的識別;(7)水泵啟停監(jiān)控，按照相關(guān)指令，使得井下排水系統(tǒng)的水泵實(shí)現(xiàn)自動化啟停，借助這種控制的運(yùn)用，可使得不準(zhǔn)確的啟停操作得到有效阻止;(8)球閥閥位監(jiān)控，此監(jiān)控操作類似于閥位置監(jiān)控的方式;(9)停泵監(jiān)控，在煤礦井下生產(chǎn)過程中，尤其是用電高峰期間，需停止運(yùn)行煤礦井下排水系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)這一操作，自動監(jiān)控系統(tǒng)需發(fā)送停泵指令，從而確保內(nèi)部運(yùn)行的安全性與完善性[6]。
2.3 排水系統(tǒng)的自動監(jiān)控
在新時(shí)期的煤礦井下生產(chǎn)中，PLC實(shí)現(xiàn)監(jiān)控是其必不可少的一環(huán)，維系著煤礦井下排水系統(tǒng)自動化的運(yùn)行，主要有三類排水系統(tǒng)自動監(jiān)控的方式：一類是就地控制，可對生產(chǎn)中排水系統(tǒng)自動化的安全狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)，規(guī)范了排水設(shè)備的狀態(tài)，使得各項(xiàng)排水設(shè)備的準(zhǔn)確運(yùn)行得到了保障，且不會發(fā)生誤動現(xiàn)象;一類是全自動控制，這種的特點(diǎn)在于由PLC控制柜進(jìn)行完全控制，完善和統(tǒng)一了系統(tǒng)的自動化運(yùn)行及自動監(jiān)控，且全程無需人參與其中;第三類是半自動控制，這種控制又分為兩類，分別是半自動觸摸屏集控和半自動調(diào)度室集控，對排水系統(tǒng)的監(jiān)控操作借助對應(yīng)的端口來完成。
三、煤礦井下排水系統(tǒng)自動化的軟件設(shè)計(jì)
綜合看來，此方面的設(shè)計(jì)集中表現(xiàn)為對PLC軟件的設(shè)計(jì)，基于其為可編程序的控制器的這一現(xiàn)狀，使得其可執(zhí)行編譯命令，繼而有效去控制排水系統(tǒng)的自動化運(yùn)行，從而助推煤礦井下生產(chǎn)的安全高效進(jìn)行。
3.1 對操作方式的設(shè)計(jì)
當(dāng)前發(fā)展中，基于安全生產(chǎn)等的需要，逐步促進(jìn)煤礦井下排水系統(tǒng)的自動化發(fā)展，這也提高了對 PLC 軟件設(shè)計(jì)的操作方式的要求，需要其能符合排水系統(tǒng)自動化狀態(tài)，并可以達(dá)到各個(gè)操作間的準(zhǔn)確切換，所以，設(shè)計(jì)方面，應(yīng)當(dāng)具備對應(yīng)的感應(yīng)操作方式狀態(tài)，這樣，使其確保能在停泵狀態(tài)下，去轉(zhuǎn)化操作方式，與之對應(yīng)的，當(dāng)水泵沒有停止，卻需要進(jìn)行切換時(shí)，軟件設(shè)計(jì)師的PLC及時(shí)發(fā)出警報(bào)，向相應(yīng)工作人員提示誤動信息，利于操作合理性發(fā)展。
3.2 對水泵啟停的設(shè)計(jì)
就新時(shí)期煤礦發(fā)展中的井下排水系統(tǒng)自動化的安全性而言，其與水泵關(guān)系密切，這也使得當(dāng)前的眾多煤礦企業(yè)對于水泵的啟�？刂茦O其重視。OLC軟件設(shè)計(jì)中，特地對水泵啟停的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深化，在此基礎(chǔ)上借助自動控制的方式，使得對應(yīng)水泵地的安全啟停狀態(tài)得到維持。綜合看來，具體的水泵啟停設(shè)計(jì)包含了以下幾方面的內(nèi)容：(1)保留PLC軟件設(shè)計(jì)中的手動功能，將其當(dāng)做是備用的水泵啟停控制措施;(2)PLC 軟件接入地面監(jiān)控中心，借助此方式，實(shí)現(xiàn)對水泵運(yùn)行信息的實(shí)時(shí)傳送，并對水泵的啟停工作進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，完善對其的運(yùn)用;(3)PLC軟件設(shè)計(jì)中加入就地自排的思想，同時(shí)需要對水泵在排水自動化中的運(yùn)行方式進(jìn)行有效監(jiān)控。
3.3 對水泵臺數(shù)的設(shè)計(jì)
一般情況下，大多數(shù)煤礦下的排水量具有很大的變動性，并不是表現(xiàn)為一個(gè)確定值，針對此，在設(shè)計(jì)PLC 軟件方面，應(yīng)當(dāng)對煤礦井下的排水量進(jìn)行有效監(jiān)控，繼而結(jié)合其井下的排水量去進(jìn)行水泵臺數(shù)的設(shè)計(jì)，此過程中，也應(yīng)當(dāng)對應(yīng)考慮到井下排水的用電時(shí)段，從而使得用電高峰期的水泵臺數(shù)得到有效降低，實(shí)現(xiàn)節(jié)能化發(fā)展。
四、煤礦井下排水系統(tǒng)自動化的硬件設(shè)計(jì)
綜合來看，相比于軟件設(shè)計(jì)，煤礦井下排水系統(tǒng)自動化的硬件設(shè)計(jì)更為簡單，主要包含了以下三方面的內(nèi)容。
(1)是PLC選型的應(yīng)用，基于此PLC是一項(xiàng)硬件裝置，而系統(tǒng)中PLC內(nèi)存在可編寫的程序，所以，需結(jié)合所在地煤礦井下排水系統(tǒng)自動化的需求，進(jìn)行對PLC的合適選擇，然后借助于對PLC 硬件裝置的配置，最終達(dá)到對排水系統(tǒng)的控制能力的提升目的，同時(shí)需要促使排水系統(tǒng)的安全性得到保障，完善其在煤礦井下生產(chǎn)中的運(yùn)用。
(2)是傳感器分配的應(yīng)用，現(xiàn)在全國各地的煤礦井下排水系統(tǒng)的傳感器有著較多的類型，像溫度傳感器、壓力傳感器以及液位傳感器等等，其主要的功能體現(xiàn)在對排水系統(tǒng)自動化的狀態(tài)參數(shù)的傳輸方面，從而使得排水系統(tǒng)監(jiān)督的難度得到有效降低，借助一系列操作，去保障自動監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確運(yùn)行，完善煤礦井下生產(chǎn)的安全性和高效性。
(3)是電動球閥的應(yīng)用，一般情況下，煤礦井下排水系統(tǒng)自動化的規(guī)模較大，這一現(xiàn)狀下在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的過程中，在選用電動球閥方面，將其歸屬于技術(shù)領(lǐng)域，并在此基礎(chǔ)上，借助于電動球閥的設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)的密閉性得到強(qiáng)化，從而最終確保排水系統(tǒng)自動化的控制能力得到有加強(qiáng)，這樣，通過對電動球閥的準(zhǔn)確應(yīng)用，促使當(dāng)前的排水系統(tǒng)自動化的監(jiān)控與運(yùn)行得到了完善使用，這對于煤礦井下生產(chǎn)的安全性和效率提高意義重大[7-8]。
五、實(shí)際運(yùn)行效果評估
在此次研究設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對于得出的煤礦井下排水自動化系統(tǒng)，筆者及所在研究團(tuán)隊(duì)就其的實(shí)際運(yùn)用進(jìn)行了實(shí)際效果方面的評估。以某地煤礦集團(tuán)七礦為例，本設(shè)計(jì)所得出的設(shè)備在綜采工作面的通過了現(xiàn)場調(diào)試，經(jīng)最終的評估分析得出，筆者及所在的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的煤礦自動化排水系統(tǒng)運(yùn)用效果良好，具備了通行狀態(tài)穩(wěn)定的需求，實(shí)現(xiàn)了排水工作面的自動化和遠(yuǎn)程監(jiān)控，使得煤礦井下排水的自動化需求得到了完善和實(shí)現(xiàn)，提高了所在地煤礦的生產(chǎn)效率及安全性，有著較高的使用價(jià)值，值的推廣應(yīng)用。
六、結(jié)語
綜上所述，當(dāng)前我國煤礦業(yè)的發(fā)展過程中，隨著安全事故等的頻繁發(fā)生及生產(chǎn)方面的需要，人們對煤礦井下排水對自動化水平有了更高的要求，顯然因?yàn)榇嬖趪?yán)重的缺陷，傳統(tǒng)的排水方式已然無法滿足當(dāng)前生產(chǎn)等方面的需要，且資源能源浪費(fèi)嚴(yán)重，也不符合我國可持續(xù)發(fā)展的方針，不利于煤礦整個(gè)排水系統(tǒng)的運(yùn)行，針對此現(xiàn)狀，筆者及所在研究團(tuán)隊(duì)在整合以往排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)已成熟的科學(xué)技術(shù)，進(jìn)行了對井下排水系統(tǒng)實(shí)行自動化的設(shè)計(jì)，通過軟件方面和硬件方面的設(shè)計(jì)，并運(yùn)用自動控制的理念、PLC等，使得井下排水系統(tǒng)的自動化得到了更近一步的強(qiáng)化，能有效監(jiān)控排水狀態(tài)，最大程度的控制排水效益。
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