李艷軍 張海峰

摘要：在煤礦事故中，水災(zāi)作為第二大元兇，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，于是對(duì)煤礦井下進(jìn)行合理的排水十分重要。文章設(shè)計(jì)了一種井下排水智能控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化控制井下排水。通過對(duì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件和軟件的設(shè)計(jì)，能夠增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和靈活性，使得系統(tǒng)在理論上具有較好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：煤礦;井下排水智能控制系統(tǒng);設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP273;TD63+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）09-0185-04

我國煤礦多為井工開采，由于煤層賦存條件和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，再加上作業(yè)環(huán)境特殊，導(dǎo)致安全事故頻發(fā)[1]。隨著煤礦智能化和自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，我國煤礦安全事故已經(jīng)在不斷下降，但是和世界發(fā)達(dá)國家相比，事故發(fā)生率還比較高。造成安全事故的因素較多，圖1即為近年來我國煤礦主要安全事故類型分布情況。從圖中可以看出除了瓦斯是第一殺手之外，水害造成事故發(fā)生的概率是最大的[2]。所以加強(qiáng)礦井水害防治工作非常重要。

礦井在生產(chǎn)過程中，煤層附近各水體均可能通過各種通道進(jìn)入礦井，當(dāng)涌水量增加時(shí)，若無法及時(shí)排出，輕則影響正常安全生產(chǎn)，重則出現(xiàn)重大安全事故。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，我國大約有27%的礦井因?yàn)樗疄?zāi)造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[3]。所以搭設(shè)設(shè)計(jì)合理、性能良好、可靠性高的井下排水系統(tǒng)，對(duì)防治礦井水害十分重要。

目前我國煤礦井下排水系統(tǒng)普遍存在設(shè)計(jì)不合理，靈活性較差，可靠性不高，抗災(zāi)能力差等問題[4]。這些問題可導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行成本大且不穩(wěn)定，維修不便。當(dāng)井下出現(xiàn)異常涌水情況時(shí)，可導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。針對(duì)這些問題，本文對(duì)煤礦井下排水方式進(jìn)行分析，應(yīng)用智能化控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出合理的排水智能控制系統(tǒng)。

1 井下排水智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 井下排水方式分析

煤礦開采過程中使用的排水方式類型較多，每種排水方式各有優(yōu)劣性。根據(jù)排水系統(tǒng)的吸水口位置不同，可以將其分為吸人式、壓人式和吸壓結(jié)合的排水方式;另外，根據(jù)排水方式不同，可以分為分段式排水和集中排水[5]。通過對(duì)比分析不同排水方式的優(yōu)缺點(diǎn)、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，本文研究的排水系統(tǒng)選擇集中排水方式。

集中排水方式就是將井下水倉中的水直接排出去。有些煤礦采用的多水平方式開采，針對(duì)這種情況，集中排水方式可以分為串聯(lián)排水和直接排水[6]。當(dāng)水平面中的水量比較小時(shí)，可以不用將每層的水量直接排出，而是將上水平面水倉中的水排放到下一個(gè)水平面，然后再將所有的水集中排出。當(dāng)每層的水量比較大時(shí)，則需要采用直接排水的方式。圖2即為集中排水的幾種形式。集中排水方式的結(jié)構(gòu)比較簡單，方便操作，實(shí)際的應(yīng)用效果好，成本投資較少，所以選擇集中排水方式的煤礦占比較多。

1.2 井下排水系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)

水泵在排水系統(tǒng)中屬于核心組件，在系統(tǒng)中扮演重要角色。由于離心式水泵具有使用和操作簡單，維修和保養(yǎng)方便，工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，在礦井中被廣泛的應(yīng)用[7]。本文設(shè)計(jì)選用的即為離心式水泵，其主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

離心式水泵的工作原理為：在其啟動(dòng)之前，通過灌水漏斗，將泵腔充滿水，排盡腔內(nèi)空氣。水泵開啟之后，電機(jī)帶動(dòng)葉輪陜速旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下，泵腔內(nèi)的水被甩至泵殼，從而使得泵腔內(nèi)處于真空狀態(tài)，在大氣壓的作用下，水倉中的水不斷的從吸入口處被吸入，泵殼內(nèi)流道隨水流量的增加而擴(kuò)大，水流動(dòng)能隨之減小，在水壓的作用下進(jìn)入出水管道。離心泵啟動(dòng)流程如圖4所示。

圖5即為管路的整體設(shè)計(jì)，主要構(gòu)件有離心泵、電動(dòng)閥門、電機(jī)、排水管、檢測(cè)儀器等。通過對(duì)所有構(gòu)件的合理配置即可設(shè)計(jì)出整體的排水管路系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過程中，需要注意以下2點(diǎn)：①在安裝出水閘閥時(shí)需要將其設(shè)置在距離水泵管路比較近的地方，出水閘閥的功能為在啟動(dòng)之前保證達(dá)到符合要求的壓力。②逆止閥安裝在出水閥的上方，其具有方向性，主要作用為防止水倒流，降低水錘效應(yīng)。檢測(cè)儀表有壓力表和真空表，用以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。真空表主要作用為檢測(cè)泵腔內(nèi)真空度是否達(dá)到要求;壓力表的作用為觀察水泵啟動(dòng)時(shí)壓力的變化以決定何時(shí)打開出口閥門。射流系統(tǒng)的主要作用為通過引水操作，在離心式水泵工作之前，用射流系統(tǒng)向泵腔內(nèi)灌水。

1.3 井下排水智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于當(dāng)前大量煤礦排水系統(tǒng)存在可靠性差、抗災(zāi)變能力低等問題，本文通過使用分布控制理論對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。系統(tǒng)使用容錯(cuò)設(shè)計(jì)，能夠支持多種模式運(yùn)行，且每個(gè)模式相互獨(dú)立，當(dāng)其中一個(gè)模式出現(xiàn)問題，不會(huì)影響到其他模式的運(yùn)用，對(duì)出現(xiàn)問題的模式進(jìn)行維修比較簡單。圖6即為系統(tǒng)的整體框架圖。

系統(tǒng)各個(gè)單元利用控制網(wǎng)絡(luò)互相連接，形成一個(gè)整體，每個(gè)單元之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。地面監(jiān)控中心的作用是對(duì)井下系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;水泵調(diào)度單元的主要任務(wù)為完成水泵組的最優(yōu)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行和保護(hù)等功能。水泵控制單元是對(duì)水泵系統(tǒng)提供運(yùn)轉(zhuǎn)模式，即當(dāng)接收到相關(guān)命令之后，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種模式的自動(dòng)切換，如果監(jiān)控中心在信息傳遞過程中出現(xiàn)問題，系統(tǒng)能夠直接切換到井下自動(dòng)運(yùn)行模式，從而可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1.4 井下排水智能控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)完畢后，對(duì)煤礦井下實(shí)際排水情況進(jìn)行分析，確定系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，如圖7所示，主要包含7項(xiàng)重要功能。

1）多種運(yùn)行模式切換：系統(tǒng)中設(shè)置了3種運(yùn)行模式，這3種模式相互獨(dú)立，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)行模式互相切換，但不宜經(jīng)常性的切換，不然會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)混亂現(xiàn)象;另外，為了方便系統(tǒng)的檢修，設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)控制優(yōu)先于遠(yuǎn)程控制模式，手動(dòng)控制模式優(yōu)先于自動(dòng)控制模式。

2）可視化控制：地面主控操作系統(tǒng)顯示屏可以顯示井下水泵房運(yùn)行實(shí)況;監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心能檢測(cè)和收集井下排水系統(tǒng)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)和工況，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)調(diào)。

3）水泵啟停自動(dòng)化：水泵啟停自動(dòng)化能夠方便操作，系統(tǒng)可以自行啟停排水。

4）系統(tǒng)保護(hù)：系統(tǒng)在運(yùn)行過程中如果出現(xiàn)問題，系統(tǒng)保護(hù)功能可以對(duì)系統(tǒng)起到保護(hù)作用，從而提高了系統(tǒng)的安全性能。

5）排水系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行：通過智能調(diào)度策略，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)自行運(yùn)作，能夠提高排水的效率，系統(tǒng)更加的智能化和自動(dòng)化。

6）水泵自動(dòng)輪換：通過對(duì)水泵使用狀況和壽命的了解，對(duì)每個(gè)水泵進(jìn)行合理安排，使其既不會(huì)處于長時(shí)間工作，又不會(huì)處于閑置狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

7）數(shù)據(jù)采集與顯示：在控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集非常重要，直接決定著系統(tǒng)的排水效果。通過分析采集的數(shù)據(jù)，能實(shí)時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為系統(tǒng)運(yùn)行效果和可靠性的分析提供依據(jù)。

2 井下排水智能控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 井下排水智能控制系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)

為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)操作便捷和維修方便，在設(shè)計(jì)過程中，使用以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，如圖8所示，即為系統(tǒng)的拓?fù)鋱D，主要包含3個(gè)部分。

監(jiān)控層主要依據(jù)以太網(wǎng)和相關(guān)的井下數(shù)據(jù)，控制和檢測(cè)井下排水系統(tǒng)。運(yùn)算層的主要作用是將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)分析運(yùn)算，得出排水方式的最優(yōu)方案，然后對(duì)水泵的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并將水泵狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞到地面的監(jiān)控中心。執(zhí)行層就是對(duì)運(yùn)算層選擇的方案進(jìn)行實(shí)施，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化排水?？傊?，監(jiān)控層相當(dāng)于老板，運(yùn)算層相當(dāng)于管理者，執(zhí)行層相當(dāng)于員工，3個(gè)部分有機(jī)結(jié)合，共同為系統(tǒng)的運(yùn)行服務(wù)。

2.2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

圖9即為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，主要包含3個(gè)單元，分別為監(jiān)測(cè)單元、水泵控制單元和調(diào)度單元。其中監(jiān)測(cè)單元是智能控制系統(tǒng)的前提，調(diào)度單元是其核心，控制單元是其基礎(chǔ)。

2.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)井下排水智能控制系統(tǒng)使用與S7-300配套的STEP7編程軟件，系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足煤礦實(shí)際的要求。STEP7程序可以分為模塊化程序和線性化程序，由于模塊化程序方便開發(fā)，具有耦合性小的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中方便調(diào)試和集成，于是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)采用模塊式程序[8]。本文的系統(tǒng)主要由兩個(gè)模塊組成，分別為水泵PLC控制和調(diào)度PLC控制單元。

3 結(jié)語

綜上所述，通過對(duì)井下排水智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇合適的硬件和軟件設(shè)施，確保智能控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，是可以實(shí)現(xiàn)煤礦井下排水系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。研究在一定程度上優(yōu)化了排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，且具有較好的使用效果，但還存在較多的問題，需要在煤礦實(shí)際的應(yīng)用中，對(duì)其進(jìn)行不斷的優(yōu)化和改進(jìn)。

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作者簡介：李艷軍（1980-），男，漢族，陜西榆林人，碩士研究生，講師，主要從事安全技術(shù)及工程方面的教學(xué)與科研工作。