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摘 要：本文针对煤矿井下排水系统存在的较低运行效率、自动化及可靠性程度、浪费人力资源、较高电力消耗等常见问题，设计煤矿井下无人值守排水监控系统，确保煤矿排水系统的安全。经煤矿生产应用，系统设计合理、只有较低的故障率、运行可靠安全、具有明显的节电效果。
关键词：煤矿机电；排水泵站；自动化控制系统
1. 前言
矿井安全生产需要以提高煤矿井下排水系统的安全性为保障，我国很多煤矿还主要采用继电器手动控制的传统方式，对水泵调度缺乏高效合理性，存在较大能耗、较低效率等问题。为使这些问题得到妥善解决，开展无人值守井下排水控制系统的设计。与水仓水位相结合对水泵启停和根据“峰谷平”时间对6台泵进行轮回调度，在使井下泵站实际运行、水泵报警信息及有关各种参数实时显示在地面。
2. 系统控制对象
采用并联6台离心泵射流排水的煤矿井下排水系统，诸如一个泵站系统，每台泵都有1个出水阀和射流阀、7个温度传感器（电机、水泵前后軸振动传感器、水泵前后轴及电机三相温度传感器）、2个压力传感器（分别对真空度和出口压力检测），对上述有关对象进行控制。
3. 控制系统结构
控制系统主要结构采用微机-PLC网络，系统分三级，由阀门、仪表和泵构成的现场级，由西门子S7-300PLC可编程控制器构成处理信号的控制级，由上位机配备组态王对系统工作状态进行监视的监控级。控制系统网络结构：系统采用S7-300PLC可编程控制器，CPU314的3个就地站，每个就地站对2台水泵进行控制，反馈阀门状态、测定电机温度和压力。采用CP343-1和CPU315-2DP通信模块的集控站，配备RJ45接口，主要用于与工业以太网连接，与现场触摸屏和上位机之间实现通信。采用MPI多站轮循方式在集控站与各就地站之间进行通信，集控站可对当前水位变化情况进行采集。
4. 控制系统设计方案
4.1 设计操作模式
主要采用三种模式，一是手动模式，该模式不需要采用PLC控制，各步骤的操作主要利用面板上按钮实现。二是半自动模式，该模式只需对上位机、触摸屏/操作面板的启停按钮按一下，由PLC对泵的启停进行控制。三是全自动模式，该模式主要由PLC控制，水泵运行利用水位和时间进行自动控制。
4.2 设计日轮换调度和“峰谷平”调度控制
一是控制调度“峰谷平”，对排水按照用电正常、高峰及低谷时间段分别采用不同控制策略，使运行成本明显降低。按时间将每天分为峰时、谷时和次谷时三个时间段，水位处于峰时时，在达到峰时按照水位将1台预设泵启动，若预设泵发生故障时将备用泵自动启动，若备用泵发生故障可改为手动模式。次谷时与峰时的处置方式基本一致。水位处于谷段时，在达到谷时按照水位将2台预设泵启动，每台预设泵的备用泵都有2个，预设泵发生故障时将备用泵自动启动，确保运行的泵有2台。若发生故障可改为手动模式。
二是调度按日进行轮换，为实现对6台水泵的了合理利用，避免某台水泵使用过度而对其使用寿命产生不利影响，调度采用按日进行轮换的方式。每个轮换周期3天，第一天首启泵采用1、4号泵，在峰时和次谷时预设泵为1号泵，备用泵为4号泵。谷时预设泵采用1、4号泵，1号泵备用泵为2、3号泵，4号泵备用泵为5、6号泵，第二三天也基本一致，首启泵分别采用2、5号泵和4、6号泵，以此按照峰谷时段进行轮换调度。
4.3 水泵启停自动控制方案
在水位控制方面，每时段的水位设置诸如谷时启泵水位、谷时停止水位2个，在全自动模式时，对水泵由水位进行自动控制启停。在故障报警停泵方面，为确保泵运行安全，发生故障时应按照顺序进行停泵，发生达不到出水压力、关射流阀超时、超时开出水阀、水泵前后轴过大振动及过高温度、电机三相定子、电流及电机前后轴过高温度过高等故障时应停泵。
4.4 控制阀门开关容错的措施
因煤矿井下水中存在淤泥等杂物，通常会造成阀门开关无法处于准确检测点，影响程序正常运行，只有人工处理后方可继续运行，而且存在由于排水时间延误而导致事故隐患的问题。为妥善解决上述问题，设置2个检测阀门关到位和2个检测阀门开到位接近开关。关阀时对阀门定时是否达到关到位接近开关，这时停止报警继续运行，开阀控制与此相同。
5. 控制系统软件设计
5.1 集控站程序设计
集控站主要实现与各就地站之间的通信功能，应用MPI多站无组态的轮循通信方式，功能SFC67和SFC68在集控站系统中调用后，使来自就地站的报警信息、部分模拟量值及运行参数被统一收集，利用以太网向上位机发送，并将启停信号发送至就地站。集控站自动控制液位采集并对泵站进行日轮换“峰谷平”调度。
5.2 就地站程序设计
就地站程序主要是对泵等实现一键启停和远程一键启停，采集模拟量及处理报警程序。先开始开射流阀，在“接近开关”时对真空度进行检查，符合真空度要求后合闸启泵再对合闸状态进行判断，对出水压力在合闸到位后进行判断，压力符合开出水阀后将射流阀关闭，每一个步骤发生问题都应处理好故障。
6. 总结
综上所述，通过对无人值守泵站系统在煤矿生产中应用的初步探讨，系统运行具有较高的可靠性。可自动遵循“峰谷平”轮回对泵站进行调度，使泵站提高了有效利用。并因存在的容错控制策略，使产生的故障明显减少。总之，本系统在煤矿井下安全及生产效率提高，人力物力节约，开采成本降低等方面发挥了十分积极地作用。
参考文献：
[1] 宋杰，肖兴明，张宪锋等.煤矿井下排水泵站的监控系统设计[J]，煤矿机械，2015.11
[2] 张喜萍，谭一川，程玉龙.煤矿排水自动控制系统的设计与研究[J]，自动化仪表，2017.5
[3] 郑茂举.矿井下无人值守泵站监控系统设计[J]，现代企业教育，2016.8
[4] 王伟.水利工程自动化控制应用趋势[J]，科技创新导报，2016.4
[5] 于魁元，张永胜.浅谈中小型排水泵站的技术改造[J]，科技创新导报，2017.7
作者简介：王金泽（1964-），男，汉族，山东淄博人，大学本科学历，研究方向：矿山机电。
关键词：煤矿机电；排水泵站；自动化控制系统
1. 前言
矿井安全生产需要以提高煤矿井下排水系统的安全性为保障，我国很多煤矿还主要采用继电器手动控制的传统方式，对水泵调度缺乏高效合理性，存在较大能耗、较低效率等问题。为使这些问题得到妥善解决，开展无人值守井下排水控制系统的设计。与水仓水位相结合对水泵启停和根据“峰谷平”时间对6台泵进行轮回调度，在使井下泵站实际运行、水泵报警信息及有关各种参数实时显示在地面。
2. 系统控制对象
采用并联6台离心泵射流排水的煤矿井下排水系统，诸如一个泵站系统，每台泵都有1个出水阀和射流阀、7个温度传感器（电机、水泵前后軸振动传感器、水泵前后轴及电机三相温度传感器）、2个压力传感器（分别对真空度和出口压力检测），对上述有关对象进行控制。
3. 控制系统结构
控制系统主要结构采用微机-PLC网络，系统分三级，由阀门、仪表和泵构成的现场级，由西门子S7-300PLC可编程控制器构成处理信号的控制级，由上位机配备组态王对系统工作状态进行监视的监控级。控制系统网络结构：系统采用S7-300PLC可编程控制器，CPU314的3个就地站，每个就地站对2台水泵进行控制，反馈阀门状态、测定电机温度和压力。采用CP343-1和CPU315-2DP通信模块的集控站，配备RJ45接口，主要用于与工业以太网连接，与现场触摸屏和上位机之间实现通信。采用MPI多站轮循方式在集控站与各就地站之间进行通信，集控站可对当前水位变化情况进行采集。
4. 控制系统设计方案
4.1 设计操作模式
主要采用三种模式，一是手动模式，该模式不需要采用PLC控制，各步骤的操作主要利用面板上按钮实现。二是半自动模式，该模式只需对上位机、触摸屏/操作面板的启停按钮按一下，由PLC对泵的启停进行控制。三是全自动模式，该模式主要由PLC控制，水泵运行利用水位和时间进行自动控制。
4.2 设计日轮换调度和“峰谷平”调度控制
一是控制调度“峰谷平”，对排水按照用电正常、高峰及低谷时间段分别采用不同控制策略，使运行成本明显降低。按时间将每天分为峰时、谷时和次谷时三个时间段，水位处于峰时时，在达到峰时按照水位将1台预设泵启动，若预设泵发生故障时将备用泵自动启动，若备用泵发生故障可改为手动模式。次谷时与峰时的处置方式基本一致。水位处于谷段时，在达到谷时按照水位将2台预设泵启动，每台预设泵的备用泵都有2个，预设泵发生故障时将备用泵自动启动，确保运行的泵有2台。若发生故障可改为手动模式。
二是调度按日进行轮换，为实现对6台水泵的了合理利用，避免某台水泵使用过度而对其使用寿命产生不利影响，调度采用按日进行轮换的方式。每个轮换周期3天，第一天首启泵采用1、4号泵，在峰时和次谷时预设泵为1号泵，备用泵为4号泵。谷时预设泵采用1、4号泵，1号泵备用泵为2、3号泵，4号泵备用泵为5、6号泵，第二三天也基本一致，首启泵分别采用2、5号泵和4、6号泵，以此按照峰谷时段进行轮换调度。
4.3 水泵启停自动控制方案
在水位控制方面，每时段的水位设置诸如谷时启泵水位、谷时停止水位2个，在全自动模式时，对水泵由水位进行自动控制启停。在故障报警停泵方面，为确保泵运行安全，发生故障时应按照顺序进行停泵，发生达不到出水压力、关射流阀超时、超时开出水阀、水泵前后轴过大振动及过高温度、电机三相定子、电流及电机前后轴过高温度过高等故障时应停泵。
4.4 控制阀门开关容错的措施
因煤矿井下水中存在淤泥等杂物，通常会造成阀门开关无法处于准确检测点，影响程序正常运行，只有人工处理后方可继续运行，而且存在由于排水时间延误而导致事故隐患的问题。为妥善解决上述问题，设置2个检测阀门关到位和2个检测阀门开到位接近开关。关阀时对阀门定时是否达到关到位接近开关，这时停止报警继续运行，开阀控制与此相同。
5. 控制系统软件设计
5.1 集控站程序设计
集控站主要实现与各就地站之间的通信功能，应用MPI多站无组态的轮循通信方式，功能SFC67和SFC68在集控站系统中调用后，使来自就地站的报警信息、部分模拟量值及运行参数被统一收集，利用以太网向上位机发送，并将启停信号发送至就地站。集控站自动控制液位采集并对泵站进行日轮换“峰谷平”调度。
5.2 就地站程序设计
就地站程序主要是对泵等实现一键启停和远程一键启停，采集模拟量及处理报警程序。先开始开射流阀，在“接近开关”时对真空度进行检查，符合真空度要求后合闸启泵再对合闸状态进行判断，对出水压力在合闸到位后进行判断，压力符合开出水阀后将射流阀关闭，每一个步骤发生问题都应处理好故障。
6. 总结
综上所述，通过对无人值守泵站系统在煤矿生产中应用的初步探讨，系统运行具有较高的可靠性。可自动遵循“峰谷平”轮回对泵站进行调度，使泵站提高了有效利用。并因存在的容错控制策略，使产生的故障明显减少。总之，本系统在煤矿井下安全及生产效率提高，人力物力节约，开采成本降低等方面发挥了十分积极地作用。
参考文献：
[1] 宋杰，肖兴明，张宪锋等.煤矿井下排水泵站的监控系统设计[J]，煤矿机械，2015.11
[2] 张喜萍，谭一川，程玉龙.煤矿排水自动控制系统的设计与研究[J]，自动化仪表，2017.5
[3] 郑茂举.矿井下无人值守泵站监控系统设计[J]，现代企业教育，2016.8
[4] 王伟.水利工程自动化控制应用趋势[J]，科技创新导报，2016.4
[5] 于魁元，张永胜.浅谈中小型排水泵站的技术改造[J]，科技创新导报，2017.7
作者简介：王金泽（1964-），男，汉族，山东淄博人，大学本科学历，研究方向：矿山机电。