劉 燕

（山西平舒煤業(yè)有限公司， 山西 晉中 030600）

引言

礦井排水系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)中四大重要系統(tǒng)之一，隨著煤礦生產(chǎn)現(xiàn)代化、自動化的發(fā)展，對礦井排水系統(tǒng)的自動化程度和可靠性提出了更高的要求，傳統(tǒng)的繼電器式人工操作排水泵進行排水的排水系統(tǒng)已無法滿足生產(chǎn)需求，基于PLC控制的新型礦井排水系統(tǒng)已逐步應(yīng)用在實際生產(chǎn)中[1]。

1 礦井排水系統(tǒng)

礦井排水系統(tǒng)主要由水倉、排水設(shè)備、排水管道及PLC控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 礦井排水系統(tǒng)

水倉在礦井排水系統(tǒng)中起儲水和沉淀過濾的作用，入口應(yīng)布置在車場或大巷的最低點，根據(jù)正常涌水時的涌水量計算確定水倉的容量。水倉斷面的大小應(yīng)根據(jù)布置條件，容量等參數(shù)進行設(shè)計，高度一般不超過2 m，長度不宜過長。重要水倉應(yīng)設(shè)置主倉和副倉，保證最少有一個水倉可以正常使用，水倉最低點應(yīng)設(shè)置集水坑，用于清倉時排出積水。

排水設(shè)備是礦井排水系統(tǒng)中的核心設(shè)備，由水泵、電動機、管路附件等組成，如圖2所示。離心泵靠電動機帶動，泵軸和葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生吸力，將水倉中的水抽出。濾水器安裝在吸水口處，防止雜質(zhì)進入泵及管道內(nèi)堵塞通道。調(diào)節(jié)閘閥安裝在出水口，用來調(diào)節(jié)管道通徑控制流量和揚程，也可在關(guān)閉水泵時防止水錘現(xiàn)象產(chǎn)生。引水漏斗和放氣栓用來給水泵灌水排氣，真空表檢測水泵真空度，防止發(fā)生氣蝕，損壞水泵。

圖2 排水設(shè)備示意圖

基于PLC的排水控制柜是整個排水系統(tǒng)的大腦，是礦井排水系統(tǒng)自動化的關(guān)鍵[2]?？刂乒裰械闹饕姎庠蠵LC模塊、接觸器、繼電器等。PLC使用方便，抗干擾能力強，功能強大，已被廣泛運用到礦山設(shè)備中。PLC采用存儲邏輯，可以隨時根據(jù)生產(chǎn)工藝需要進行更新，柔化性和擴展性好。在礦井排水系統(tǒng)中，系統(tǒng)可以根據(jù)編制好的邏輯程序，通過接收傳感器信息，實現(xiàn)排水泵的自動開啟和關(guān)閉，從而實現(xiàn)自動化排水。系統(tǒng)流程如下頁圖3所示。

水倉中需要設(shè)置三條水位線及相應(yīng)的傳感器，分別為停機水位線、排水水位線與報警水位線。當(dāng)水位上升至排水水位線時，PLC接收到水位傳感器的信號，對排水設(shè)備發(fā)出啟動信號，排水設(shè)備啟動并將狀態(tài)信息反饋至PLC，在顯示屏上顯示水泵開啟。若未收到排水設(shè)備的反饋信號，則自動向備用排水設(shè)備發(fā)出信號，啟動備用排水設(shè)備。排水至停機水位線后，PLC接收到傳感器信號，對排水設(shè)備發(fā)出停機信號，排水設(shè)備關(guān)閉并將狀態(tài)信息反饋至PLC，在顯示屏上顯示水泵關(guān)閉。若排水速度低于涌水速度，達到報警水位線，PLC接收到傳感器信號，啟動聲光報警器發(fā)出警報，并啟動備用水泵加快排水速度，水位下降至停機水位以下時，解除警報，并關(guān)閉排水設(shè)備。每組水泵的實時狀態(tài)信息、流量信息、壓力信息都會被采集并顯示到顯示屏上。另外，系統(tǒng)有獨立的緊急啟動功能，由人工操作，發(fā)生緊急情況時，按下緊急啟動按鈕，立即開啟所有排水設(shè)備進行排水。

圖3 系統(tǒng)流程圖

2 排水泵的選擇

排水泵是整個排水系統(tǒng)中的動力源，其性能直接影響排水系統(tǒng)的排水效率，因此要根據(jù)實際情況進行選型。目前礦井排水主要采用離心泵和潛水泵。

2.1 離心泵

離心泵是礦井排水系統(tǒng)中最常采用的排水泵，依靠外接電機作為動力源，葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，形成低壓區(qū)，靠大氣壓將吸水口的水壓入泵中，屬于葉片泵。隨著礦井深度的不斷增加，對大揚程、大流量的水泵需求日益增長，采用多級離心泵可有效提高揚程。

自平衡多級離心泵采用對稱式葉輪布置，使運行中產(chǎn)生的軸向力基本互相抵消，擺脫了傳統(tǒng)平衡盤式結(jié)構(gòu)的束縛，采用雙支撐結(jié)構(gòu)承受載荷，降低了軸向力載荷對系統(tǒng)的干擾，提高了整體可靠性。在實際應(yīng)用中，能適應(yīng)多種惡劣工況，使用和維護方便，適用于大部分的礦井排水系統(tǒng)，具備很大的推廣價值。

2.2 潛水泵

潛水泵的電機與水泵連為一體，最大的優(yōu)點是可以整體浸沒在水中進行抽水，極大的提高了井底泵房抗水災(zāi)的能力。潛水泵與離心泵相比，可以直接安裝在水倉中，無需設(shè)置專用水泵房，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，維護成本高，一般在發(fā)生事故應(yīng)急救援時采用。

3 傳感器的選擇

PLC的邏輯控制離不開各種信號的采集與反饋，傳感器的選擇對整個排水系統(tǒng)的運行具有較大影響。

3.1 水位傳感器

常用的水位傳感器有超聲波液位傳感器和投入式液位傳感器。

3.1.1 超聲波液位傳感器

超聲波液位傳感器采用非接觸式測量方法，安裝簡便，故障率低。超聲波液位傳感器的測量原理是通過脈沖發(fā)射器發(fā)射超聲波，超聲波被液面發(fā)射回來被接收器接收，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差反映出傳感器安裝位置與被測液面間的距離[3]。超聲波的傳播速度與環(huán)境溫度、介質(zhì)特性有關(guān)，因此在投入使用前要經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，排除環(huán)境因素的干擾，達到理想的測量精度。超聲波液位傳感器與液面間不能有障礙物阻擋。

3.1.2 投入式傳感器

投入式傳感器采用接觸式測量方法，傳感頭浸沒在液面下方，通過傳感頭上的壓敏元件，將液體靜壓轉(zhuǎn)換成電壓信號，液體靜壓與液面高低存在線性關(guān)系，電壓信號通過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換即可獲得液面位置信息。投入式液位傳感器需要由特定的防水通氣電纜連接，將大氣與感壓膜片的背壓腔連通。

在選用水位傳感器時，要根據(jù)現(xiàn)場實際情況，并且同一個水位的測量至少需要兩個水位傳感器，兩者差值不超過設(shè)定值時水位取兩者均值，超過設(shè)定值時發(fā)出故障報警信號通知值班人員。

3.2 流量傳感器

流量傳感器安裝在排水泵出口干管上，用來監(jiān)測排水泵的實時流量，反應(yīng)水泵的工作狀態(tài)。一般選用電磁流量計測量出水流量。電磁流量計結(jié)構(gòu)簡單，由變換器、轉(zhuǎn)換器、顯示儀組成，采用導(dǎo)電體在磁場中運動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的原理進行流量的檢測。變換器將液體流量轉(zhuǎn)化成感應(yīng)電動勢，轉(zhuǎn)換器將感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)換為電信號，在顯示儀上顯示流量信息。電磁流量計是體積流量測量儀表，測量結(jié)果可靠，受環(huán)境因素干擾較小，測量范圍大，不會引起管道的壓力損失，適用于礦井排水系統(tǒng)。

4 結(jié)語

基于PLC控制的自動化礦井排水系統(tǒng)通過傳感器采集需要的信息，由PLC進行數(shù)據(jù)處理，能夠?qū)崿F(xiàn)自動排水的功能，并能實時顯示整個系統(tǒng)的狀態(tài)信息，方便技術(shù)人員對系統(tǒng)進行監(jiān)測，遇到緊急情況時可以一鍵啟動整個排水系統(tǒng)，及時排出礦水。