矿井自动排水系统综述（共4篇）
矿井自动排水系统综述 篇1
0 引言
井下排水系统是矿山生产中四大系统之一, 担负着井下积水排除的重要任务。然而, 目前我国的井下排水系统仍有很多依靠传统的人工操作方式。本文中分析了传统的排水系统的组成及工作过程, 并指出其存在的问题。为此, 提出采用矿井排水系统自动化控制系统来解决目前矿井排水系统存在的问题。
1 井下排水系统存在的问题
目前, 我国大多矿山企业的井下水泵房使用的仍是传统的人工操作排水系统, 以离心式水泵系统为主。这种排水系统的操作以离心式水泵的工作特性为基础, 泵站的起停时间判断, 完全依赖于工人的经验和已有的操作规程。当水仓水位到达设定的高水位时, 工人打开射流泵 (或真空泵) , 为水泵抽真空, 同时观测真空表的读数。真空度达到要求后, 起动水泵机组, 使水泵运转。当水泵出水口压力表读数达到要求时, 开起闸阀进行排水, 同时关闭抽真空的射流泵 (或真空泵) 。
停泵过程要进行相反的操作。当水仓积水降至低水位时, 先将闸阀关死, 再停水泵机组。
其存在的问题有如下几点:
1) 效率低、可靠性差。这种排水系统的工作流程完全由手工完成, 工人按部就班的完成各个执行件的操作。另外, 对水位、涌水量大小等现场数据的判断依赖于工人的经验。作业过程比较复杂, 要求工人具有很强的责任心, 否则可能出现误操作, 甚至发生大的事故。
2) 工人劳动强度大。人工操作无法避免高强度的劳作。尤其是闸阀的操作, 劳动量最大。而且, 水泵房要时时有人值守, 以便在发生异常情况时, 及时报警检修。
2 矿井排水系统自动化控制
针对上述排水系统存在的问题, 本文提出了基于PLC的矿井主排水自动控制系统的设计。自动控制系统的应用, 将使得排水系统可靠性增强, 整个工作流程通过软件的编程来实现, 程序确定后, 水泵机组将按给定的程序自动启停水泵、开合阀门, 极大的减小工人的劳动强度。PLC将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统传至地面生产调度监控中心主机, 管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态, 又可根据自动化控制信息, 实现井下主排水系统的遥测、遥控。
2.1 排水系统参数检测
排水装置要实现自动控制、无人职守, 最根本的就是让控制系统了解自动化系统中各个设备的状况和运行状态。这些运行状态经过系统中央处理单元的分析和运算后, 做出判断并显示给集中监控室 (见图1) 。
2.2 基于PLC的井下自动排水系统总体设计
2.2.1 控制系统总体结构
系统采用现场层 (远程IO) , 控制层 (PLC) 和管理层 (工业计算机) 组成的三级控制系统来实现排水系统的自动控制。工业计算机利用友好人机界面实现人机对话和远程监控功能, PLC作为控制器完成逻辑处理和控制任务, 远程IO实现现场数据的采集和上传。
2.2.2 基于PLC的井下自动排水系统可实现的功能
1) 数据自动采集与检测
数据自动采集与检测主要分为两类:模拟量数据和数字量数据。模拟量检测的数据主要有:水仓水位、电机工作电流、水泵轴温、电机温度、水泵的流量、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力;数字量检测的数据主要有:水泵高压启动柜真空断路器和电抗器柜真空接触器的状态、电动闸阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态、电动球阀状态。
数据自动采集主要由PLC实现, PLC模拟量输入模块通过传感器连续检测水仓水位, 将水位变化信号进行转换处理, 计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率, 从而判断矿井的涌水量, 控制排水泵的启停。影响水位的因素主要来自两方而:一是水位计故障 (如遭受杂物撞击) , 二是水位信号受干扰 (如水波动较大) 。对于前一个因素采用双水位计, 在水仓中设置两个同样的水位计, PLC同时对两个水位计取样。如果两路信号相差大于0.15m时系统报警, 要求值班人员进行检查;而对于信号干扰, 则采用软件过滤, 只有当信号在某一值附近稳定足够时间, 且回差足够小时才作为控制量使用, 防止了因干扰而导致机组误动的情况。
2) 自动轮换工作
为了防止因备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而使电机和电气设备受潮或其他故障未经及时发现, 当工作泵出现紧急故障需投入备用泵时, 而不能及时投入以至影响矿井安全, 系统程序设计了水泵自动轮换工作控制, 控制程序将水泵启停次数及运行时间和管路使用次数及流量等参数自动记录并累计, 系统根据这些运行参数按一定顺序自动启停水泵和相应管路, 使各水泵及其管路的使用率分布均匀, 当某台泵或所属阀门故障、某趟管路漏水时, 系统自动发出声光报警, 并在触摸屏上动态闪烁显示, 记录事故, 同时将故障泵或管路自动退出轮换工作, 其余各泵和管路继续按一定顺序自动轮换工作, 以达到有故障早发现、早处理, 以免影响矿井安全生产的目的。
3) “避峰填谷”
所谓“避峰填谷”, 是指调度水泵在用电的“谷段”和“平段”时间段工作, 尽量避免在“峰段”启动。要实现“避峰填谷”, 需调度各水泵在用电的“谷段”和“平段”时间段, 将水仓的水位排至设定的低位, 以便水仓能够腾出尽可能大的容积, 使其在“峰段”容纳更多的矿井涌水而不用启动水泵。
4) 系统保护功能
超温保护:水泵长期运行, 当轴承温度或定子温度超出允许值时, 通过温度保护装置及PLC实现超限报警。
流量保护:当水泵启动后或正常运行时, 如流量达不到正常值, 通过流量保护装置使本台水泵停车, 自动转换为启动另一台水泵。
电动机故障:利用PLC及触摸屏监视水泵电机过电流、漏电、低电压等电气故障, 并参与控制。
电动闸阀故障:由电动机综保监视闸阀电机的过载、短路、漏电、断相等故障, 并参与水泵的联锁控制。
5) 动态显示
动态模拟显示可选用触摸屏, 系统通过图形动态显示水泵、真空泵、电动闸阀和电动球阀的运行状态, 采用改变图形颜色和闪烁功能进行事故报警。直观地显示电磁阀和电动阀的开闭位置, 实时显示水泵抽真空情况和压力值。
用图形填充以及趋势图、棒状图方式和数字形式准确实时地显示水仓水位, 并在启停水泵的水位段发出预告信号和低段、超低段、高段、超高段水位分段报警, 用不同音响形式提醒工作人员注意。
采用图形、趋势图和数字形式直观地显示管路的瞬时流量及累计流量, 对井下用电负荷的监测量、电机电流和水泵瞬时负荷及累计负荷量、水泵轴温、电机温度等进行动态显示、超限报警, 自动记录故障类型、时间等历史数据, 并在屏幕下端循环显示最新出现的3条故障 (故障显示条数可在触摸屏上设置) , 以提醒工作人员及时检修, 避免水泵和电机损坏。
6) 通讯接口
PLC通过通讯接口和通讯协议, 与触摸屏进行全双工通讯, 将水泵机组的工作状态与运行参数传至触摸屏, 完成各数据的动态显示;同时, 操作人员也可利用触摸屏将操作指令传至PLC, 控制水泵运行。PLC同时将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统分站传至地面生产调度监控中心主机, 与全矿井安全生产监控系统联网, 管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态, 又可根据自动化控制信息, 实现井下主排水系统的遥测、遥控, 并为矿领导提供生产决策信息。触摸屏与监测监控主机均可动态显示主排水系统运行的模拟图、运行参数图表, 记录系统运行和故障数据, 并显示故障点以提醒操作人员注意。
7) 三种工作方式
系统控制具有自动、半自动和手动检修3种工作方式。自动时, 由PLC检测水位、压力及有关信号, 自动完成各泵组运行, 不需人工参与;半自动工作方式时, 由工作人员选择某台或几台泵组投入, PLC自动完成已选泵组的启停和监控工作;手动检修方式为故障检修和手动试车时使用, 当某台水泵及其附属设备发生故障时, 该泵组将自动退出运行, 不影响其它泵组正常运。PLC柜上设有该泵的禁止启动按钮, 设备检修时, 可防止其他人员误操作, 以保证系统安全可靠。系统可随时转换为自动和半自动工作方式运行。
3 结论
近年来, 我国矿山行业发展迅猛, 矿山自动化生产己成为必然趋势, 而排水系统作为保障安全生产不可或缺的部分, 其自动化集中控制的实现对整个矿山生产具有非常重要的意义。建设集中控制排水系统的最终目标是将井下排水系统的集中控制纳入矿山的整体集中控制当中, 使矿山生产各个环节均实现集中控制, 实现矿山发展的巨大飞跃。S
参考文献
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矿井排水自动化监控系统设计分析 篇2
关键词：矿井排水,自动化监控,系统设计
1矿山井下涌水现象概述
矿井涌水是矿井作业过程中常见的现象之一, 主要是由于矿井巷道采空区漏水所致, 水源则包括地表水、大气水分及采空区水等。采矿时, 采掘空间可能会造成围岩应力场发生改变, 导致地下含水系统与围岩的平衡状态受到破坏, 产生过水通道, 导致股状水流突破围岩, 涌入矿井当中[1]。这种突发性涌水现象, 水压较高且水量较大, 维持时间较长, 会给矿井带来严重危害。若涌水现象较为严重, 将会导致表土层、中砂层水疏干而引发地表不规律下沉, 甚至造成地表塌陷, 对附近建筑、道路、农田等均可能产生破坏, 造成人员伤亡。因此, 在矿井作业时, 必须做好相应的排水工作, 并构建出一个完整的矿井排水系统, 以保证矿井开挖的安全性, 为企业经济效益提供保障。
2系统需求目标分析
从国内大部分矿井水泵房情况来看, 水位检测控制主要还是依靠传统方法, 利用超限报警装置配合人工操作进行排水。这种传统方法应急性较差且自动化程度较低, 需要人工现场操作, 存在较多潜在性安全风险。随着矿井开采规模的不断加大, 这种传统方法已经无法满足实际应用需求[2]。而自动化排水管理系统的出现让上述情况得到了很大的改观, 在提升矿井作业安全性的同时, 也提升了矿井生产效率, 降低了排水能耗, 并起到了节约成本的作用。
从系统需求方面来看, 矿井排水自动化监控系统可对各台设备运行状态信息进行整合性管理、分析, 主要包括液位信息及温度信息。通过中央控制系统可对水泵房运行状态进行分析, 并实现自动控制。系统可对水流、数量等数据进行采集、分析, 以对水泵开机、停机进行调控。若水仓水量超过阙值时, 系统便会调动水泵进行排水作业, 实现无人自动化排水。另外, 系统除了具备排水控制功能外, 还具备了一定辅助功能。例如, 系统具备了基础数据管理功能, 可用于数据采集点、逻辑模型及控制数据维护, 进一步降低了系统故障率;系统具备了人员管理功能, 可将相关人员信息输入于系统当中, 对人员进行合理分配, 并且系统会将用户权限赋予相关人员, 保证系统操作的安全性。
3系统设计分析
3.1系统整体架构
系统整体架构主要包括四个部分: (1) 地面控制中心。地面控制中心是整个自动化监控系统的枢纽, 其中包括操作系统软件、组态软件及数据库等部分。 (2) 水泵房监控装置。水泵房监控动态主要由电控箱、模拟量检测模块、开关量检测模块及操作台构成。模拟量检测模块中又含有模拟量传感器、数字量传感元件、电缆及相关附件。 (3) 远程控制网络。远程控制网络由以太环网所构建。水泵房监控平台利用远程控制网络与地面监控中心相连接, 并可实时通讯, 以实现远程操控。 (4) 执行机构。执行机构主要包括阀门控制箱与高压启动器, 其控制对象主要包括高压电机与电动阀门。
3.2子模块设计分析
矿井排水自动化监控系统主要包括以下模块:
(1) 模拟量检测模块。模拟量检测模块当中含有各类模拟量传感器, 具体包括功率变送器、电流传感变送器、温度传感变送器、流量传感变送器及水位传感变送器。利用这些传感器可对主排水系统的各种模拟量参数进行检测, 以获取水位、主排水管路流量、水泵运行电流、水泵温度、电机温度计及电能损耗等信息[3]。模块获取这些信息后将其传递至系统进行数据分析, 以判断模块是否正常工作。若发现数据达到预设值范围或达到临界阙值, 便会由系统对相关设备进行调控, 以保持正常排水状态。
(2) 开关量检测模块。开关量检测模块主要检测对象为排水泵高压柜中的相关设备开关, 包括真空断路器、真空接触器、电动阀等设备的开关, 还可对真空泵工作状态进行检测。所得到的数据也会反馈至分析模块进行判断。利用开关量检测模块可判断开关是否正常工作, 若发现数据或信号异常, 系统会采取保护措施, 重启开关或将开关信号接入PLC。
(3) 液位信息模块。液位信息模块主要是对水仓液位、排水管流量等信息进行采集、分析, 并可将相关数据整合为曲线, 以便于用户观察实际排水状况[4]。考虑到矿井排水现场环境较为特殊, 水体浑浊度较高, 如果只是使用一般的接触式传感器, 矿井水体易造成探头损坏。因此, 应选用超声波液位传感器对液位信息数据进行采集。该类型传感器不仅测量精度较高, 而且安装便捷、输出信号较为稳定, 在井下环境中具有良好的适用性。
(4) 温度采集模块。通过温度信息可将水泵的工作状态反映出来, 以判断水泵是否处于良性状态。温度采集模块主要负责水泵温度信息采集, 并可进行实时监控, 具备了预警功能。此模块先会采集温度信息数据, 并将其传递至系统进行分析, 若发现温度值超过正常范围, 则会由系统发出警报, 并将异常温度信息反馈至用户, 以便于及时调整水泵工作状态, 保证水泵正常运行[5]。温度采集模块当中, 温度传感器选用铂电阻, 其电阻值能跟随温度变化而发生改变, 性能较为稳定, 灵敏性好, 且具备较高的精度。
(5) 数据分析模块。数据分析模块在整个矿井排水自动化监控系统起到了中枢作用, 可对各类采集数据进行分析, 以此来判断水泵具体运行状态。若发现数据信息异常, 则会引导系统调试, 直至系统恢复至正常工作状态为止。
(6) 开停机模块。开停机模块是系统的执行模块。数据分析模块对采集信息进行分析后, 便会将相关指令发送至开停机模块, 开停机模块便可根据排水系统实际运行状况, 对泵开关进行调节, 实现开、停机动态化监控, 让系统始终保持良性运行状态。
(7) 数据库。数据库是整个监控系统的核心组成, 其会对所有采集信息数据进行整合, 并为相关操作执行提供基础。
整个系统以PLC为基础, 并在PLC上添加了一个以太网模块。利用以太网模块可将设备信息、运行状态信息、故障信息等设备模拟量及开关信息数据通过以太网传输至地面控制中心, 而地面控制中心可将相关反馈指令通过以太网传输至PLC, 即完成指令调控。
4结束语
利用矿井排水自动化监控系统可实现排水自动化操作, 为排水泵安全运行提供基础, 有利于促进企业安全生产, 为企业整体效益提供保障。
参考文献
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矿井自动排水系统综述 篇3
在煤矿地下开采的过程中,由于地层中水的涌出,地下积水会增多,在煤矿开采过程中会破坏到地层结构,导致岩层断裂发生突水事故,给人们的生命、国家的财产带来威胁[1]。因此,井下排水尤为重要。井下排水系统是煤矿生产中重要环节,担负着井下积水排除的重要任务。然而,传统的排水控制方法,是用人工进行检测(如人工检测水仓水位、淤泥厚度、管道、闸阀及配电设备状况等),这种检测控制方法效率低,工人劳动强度大,且由于井下环境恶劣,故障率较高,所以靠人工检测的方法已不适应煤炭发展的需要,取而代之的是自动化排水系统[2]。
目前,PLC在国内外工业控制中已获得广泛应用[3],在矿井排水系统中,采用PLC自动监测排水系统的运行状况,自动进行数据采集、自动记录、故障报警、事故分析、多台水泵启动的自动切换等,所得到的动态资料准确性高,控制的可靠性高。
1 基于PLC的井下自动排水系统总体设计
1.1 基于PLC的矿井主排水控制系统设计
井主排水控制系统由PLC(可编程逻辑控制器)、触摸屏、检测部分(模拟量和开关量采集)和执行部分等组成,其硬件结构如图1所示。
1.2 软件流程图
图2所示为系统的软件流程图。由流程图可知,系统开始启动后,首先进行与高压开关柜的通讯,然后进行模拟量以及I/O处理程序,系统自检与门处理程序。然后判断系统处于自动运行、手动运行、半自动运行三种运行方式中的哪一种,然后根据判断得到的结果进行相应的操作。根据控制板上的旋转开关的位置判断出系统的运行方式后,如处于PLC自动运行方式,则PLC根据程序流程顺序执行,自动完成水泵的启动,轮换工作,故障报警,停止。如处于半自动运行方式下,则由人工选择哪台水泵投入运行,PLC根据水泵的泵号自动完成该台水泵的自动启动,运行,停止。而手动方式下,PLC不参与任何操作控制,全部由人工通过控制按钮来控制整个系统的运行。
1.3 地址分配
1.4 PLC的程序设计
PLC的程序设计采用西门子开发西门子的S7-300系列的编程语言STEP7,其设计程序如下:
1)首先介绍模拟量处理程序,这里以水泵流量为例
这样,通过判断是否处于电价的峰值,处于峰值,只有当水位达到危险水位时才能启动水泵,若处于电价低谷时,只要水位达到排水水位时就启动水泵排水。单台水泵自动启动的过程为:启动抽真空系统、检测真空度、启动水泵、检测水泵出水口压力、打开水泵出水口电动闸阀,从而实现了矿井排水系统的自动控制。
2 结束语
本论文针对煤矿井下主排水系统自动化程度不高的现状,研究设计了PLC控制煤矿井下自动排水系统。成功实现了煤矿井下主排水系统的自动控制。成功解决了靠人工检测的方法已不适应煤炭发展的需要的难题,取而代之的是自动化排水系统。
参考文献
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矿井自动排水优化控制策略的研究 篇4
1 排水系统数学模型的建立
根据实际水仓容积、涌水量和安全规范要求, 设定水仓的4个水位线H峰、H平、H谷、H停, 分别表示用电峰段排水参考水位线、用电平段排水参考水位线、用电低谷排水参考水位线和停泵参考水位线 (图1) 。
设水泵房有n台水泵并联工作, 第i台水泵在t时刻的运行时间为si (t) ;则泵房水泵的运行时间向量为:
S (t) ={s1 (t) , s2 (t) , …, sn (t) }
水泵的排水能力向量为:
Χ={Q1, Q2, …, Qn}
水泵的单位时间耗电向量为:
Θ={θ1, θ2, …, θn}
将每个排水周期等分为N段 (0～N-1) , 每段内机组运行情况不变。设第t段水仓水位为H (t) ( H停≤H (t) ≤H峰) , t为离散时间变量。则水仓的水位方程为:
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式中, V为当前水仓的水量;K为水仓的水平截面积;Q (t) 为0～t时刻的平均涌水流量;Qn为第n台水泵的流量。
所以, 系统的状态方程可描述为:
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约束条件: H停≤H (t) ≤H峰
1 d内电价P (t) 是随时间变化的阶跃函数, 则:
undefined
式中, t峰, t平, t谷分别为用电的高峰、平段和低谷时段;A, B, C分别为对应时段的单位电价, 且C
水泵房最优化控制可描述为:根据避峰填谷的用电原则, 合理选择排水周期;并在排水周期内, 结合效率优先和均匀磨损的原则, 选择水泵最优运行时间向量S*={S* (0) , S* (1) , …, S* (N-1) }, 从而使一个周期内的电费支出最低。即费用函数:
undefined
;i=1, 2, …, n) 的值最小。
2 排水控制策略
(1) 最优排水。
谷时排水, 峰、平时段蓄水。进入谷时后结合水仓水位进行开泵时刻选择, 每隔15 min测算一次, 测算出合适的开泵时间, 按照效率优先、均匀磨损的原则, 启动相应水泵进行排水, 在谷时结束前将水排干。
设t1时刻开始启动排干水仓涌水需时为T, 则:
undefined
式中, T为排水时间;V为水仓水量;Q (t) 为涌水流量;Δt为距谷时结束时间M的时间差;Qn为第n台水泵的流量。
设定当 (M-t1) -T≤0.5 h时, 即剩余时间与所需时间之差≤0.5 h时, 启动水泵进行排水。
将式 (4) 代入上式, 即可求解合适的启动时间。其中, Qn由涌水流量和水仓容积进行判断, 设置水泵最多同时并联运行的台数。
为提高系统排水效率, 系统在全自动控制时自动选择效率最高的水泵, 水泵运行过程中实时测算水泵的运行效率:
undefined
式中, η为水泵效率;F为水泵出水口压力;Q为水泵流量;P为电机功率。
每次运行过程中, 系统存入该台水泵的当次运行效率, 保证比较值实时更新, 从而做到整个系统的高效运行。
(2) 平时段排水。
即在用电的平时段, 当水位上升到H平时排水, 由当前的水仓水量、涌水流量和时间值确定水泵控制策略, 并根据更新的水仓水量以及涌水流量修正控制策略。若下一时段为用电高峰, 将水排至H谷水位线则停止水泵;若为用电低谷, 则根据当前涌水量, 开启相应流量的水泵, 保持水位不上升即可;当用电低谷到来时, 重复最优排水的控制策略, 谷时结束前将水排干。
(3) 高峰排水。
即在用电的高峰, 当水位上升到最高排水参考水位H峰时, 则强行排水。由当前的水仓水量、涌水流量及距离用电平段的时间值确定水泵控制策略, 并根据更新的水仓水量以及涌水流量修正控制策略, 到用电平时段将水排至X平水位线, 并重复进行平时段排水。
3 实例验证
某矿假设供电电价见表1。
该水泵房共有5台离心泵, 所采用的工作方式是:2台水泵工作、2台备用、1台检修。当工作人员观察水位达到一定高度时, 同时启动2台水泵进行排水。当水位下降到一定程度时, 同时关闭水泵。每年电费为430.50万元。按照上述控制策略对水泵房进行自动化改造后, 每年电费可减少到270.45万元。
在实际排水过程中, 电价函数是预先可知的, 水位和涌水量的增长规律受多种因素的影响不可能是规则变化, 但可以通过相应传感器监测其变化情况, 并利用可编程控制器进行逻辑分析后得到。根据反馈的水位和涌水量的变化信号进一步预测, 计算出预计需要的电费总额, 从而得出费用最低的水泵运行方案。
4 结语
利用PLC编程控制系统来控制矿山的生产排水系统, 可最大限度地避开峰值时间, 利用谷值时间尽可能增大排水量, 并根据各台水泵的排水效率和累积工作时间, 启动最优的水泵及台数, 从而实现成本最低和运行最优。该运行策略为我国各类矿山的生产排水系统实现自动化和最优化控制技术改造, 提供了合理的思路和理论参考。
摘要：构建了矿井水仓水量、矿井涌水量、水泵运行效率与电价等相关参数间的数学模型;探讨了矿井自动排水时水泵运行的优化控制策略。对矿井泵房运行管理和基于PLC控制的泵房自动化运行设计具有参考价值。
关键词：自动排水,优化控制,数学模型
参考文献
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