摘要：基于控制系統(tǒng)及相關(guān)儀表的自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)了井下排水系統(tǒng)的無(wú)人值守；并根據(jù)兩倉(cāng)三泵運(yùn)行模式，從而完成自動(dòng)控制策略的制定；通過(guò)峰谷電價(jià)差優(yōu)化運(yùn)行模式，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)減員增效目的，還能夠有效降低系統(tǒng)能耗。

1排水系統(tǒng)改造

煤礦排水系統(tǒng)的組成部分主要有補(bǔ)水管路、輸送管道、逆比閥、泵出口閥、大功率水泵以及水倉(cāng)等，在特殊情況下還能含有檢修附屬設(shè)備和取樣設(shè)備，如圖1所示。當(dāng)系統(tǒng)以人工方式運(yùn)行時(shí)，相關(guān)人員shou先需對(duì)水位高低進(jìn)行判斷，而在水位達(dá)到啟泵液位后，此時(shí)需開(kāi)啟旁路的排空管路和補(bǔ)水管路，以此來(lái)進(jìn)行水量補(bǔ)充，在補(bǔ)水完成后，需及時(shí)關(guān)閉排空管路和補(bǔ)水管路，與此同時(shí)，還需手動(dòng)打開(kāi)水泵，通過(guò)水泵啟動(dòng)取樣出口或是開(kāi)關(guān)柜電流，以此來(lái)判斷是否正常出水。由于該流程當(dāng)中存在多處人工操作和相關(guān)狀況判斷，故而無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的高效狀態(tài)。因此，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性與高效性，需進(jìn)行儀表或是電控回路方面的改造，從而盡可能地降低給生產(chǎn)所帶來(lái)的影響[1]。

1.1儀表設(shè)備改造

因礦井滲水所附帶的泡沫或是雜物，使得水倉(cāng)水面準(zhǔn)確界限難以通過(guò)超聲波液位計(jì)或是目測(cè)等方式進(jìn)行測(cè)定，其準(zhǔn)確測(cè)量方式僅有靜壓原理的投入式液位計(jì)，故而需在每一水倉(cāng)處安裝1臺(tái)投入式液位計(jì)。隨著時(shí)間的流逝，水倉(cāng)淤泥逐漸增多，故而在安裝設(shè)備時(shí)，需對(duì)底部淤泥進(jìn)行定期高度的限制[2]。通過(guò)泵出口閥前的壓力表，實(shí)現(xiàn)對(duì)該處水壓的測(cè)量。

逆比閥主要用于在泵停止工作時(shí)進(jìn)行該處?kù)o壓的顯示；在啟動(dòng)泵后，若出水正常，那么則表示該處?kù)o壓小于閥前壓力，因此，可用其判斷出流量和正常出水是否處于正常工作狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)供電電源獲取與設(shè)備防爆安全，需利用防爆變送器，與此同時(shí)，還需通過(guò)2線制進(jìn)行信號(hào)采集和儀表供電。

在進(jìn)行人工操作時(shí)，可由目測(cè)方式進(jìn)行水泵補(bǔ)滿狀態(tài)的判斷，通常情況下，泵的停運(yùn)時(shí)間與補(bǔ)水時(shí)間有著密切關(guān)聯(lián)，由于二者均為變量，故而人工方式難以對(duì)補(bǔ)水狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。因此，需將檢水開(kāi)關(guān)安置于排空管路末端，使通過(guò)管路的水能夠自動(dòng)導(dǎo)入到通接點(diǎn)[3]。由于兩管路開(kāi)關(guān)常用小口徑球閥，故而長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)致使開(kāi)關(guān)出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象。然而，若將其改造為防爆電磁閥，那么不僅能夠降低所用時(shí)限，還能減少操作誤差產(chǎn)生。而原手動(dòng)閥門(mén)可用于進(jìn)行檢修使用。

對(duì)于大口徑出水閥水泵而言，若將其改造為電動(dòng)閥門(mén)，那么不僅會(huì)降低靜壓下所產(chǎn)生的逆比閥影響，還能改善因逆比閥造成的泄漏問(wèn)題[4]。

1.2控制系統(tǒng)改造

基于原就地手動(dòng)按鈕，實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制系統(tǒng)的增加，其中主要包含了新增閥門(mén)控制箱、遠(yuǎn)程運(yùn)行維護(hù)的工程師站和操作站、模擬量輸出輸入模塊的IO單元、配置了開(kāi)關(guān)量以及PCS-9150過(guò)程控制器，如圖2所示。

在井下水倉(cāng)附近的煤安認(rèn)證防爆柜內(nèi)進(jìn)行閥門(mén)控制回路、IO單元以及控制器的安裝，與此同時(shí)，還需在井上調(diào)度監(jiān)控中心處進(jìn)行工程師站和操作員站的建立，前者功能可由后者兼任。控制系統(tǒng)可通過(guò)冗余配置實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人看守系統(tǒng)可靠性的提升，其中包含了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、IO網(wǎng)絡(luò)以及冗余控制器。而光纖監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的配置，其不僅用于進(jìn)行井上與井下超長(zhǎng)距離的操作員站的傳輸，還用來(lái)進(jìn)行電磁干擾的消除。

對(duì)于水泵電磁啟動(dòng)器而言，基于RS485總線方式接入IO，其內(nèi)部智能設(shè)備，通過(guò)改造后的接入IO單元的開(kāi)關(guān)量、原水泵電機(jī)啟動(dòng)器模擬量、出口電動(dòng)閥門(mén)控制回路、新增補(bǔ)水排空閥控制回路、泵出口壓力變送器以及水倉(cāng)液位變送器，從而達(dá)到監(jiān)控的全方位模式。

2一鍵自動(dòng)啟停

井下排水系統(tǒng)中具有一鍵啟停功能，令其操作流程得到有效簡(jiǎn)化，其具體流程如下：shou先將排空閥與補(bǔ)水閥依次打開(kāi)，接下來(lái)等待減水開(kāi)關(guān)操作，之后將補(bǔ)水閥與排空閥依次關(guān)閉，若閥門(mén)可控，#后將泵出口閥門(mén)打開(kāi)即可。在具體應(yīng)用中應(yīng)注意，只有正確執(zhí)行前一步，才能開(kāi)始接下來(lái)的步驟，例如，補(bǔ)水閥處于打開(kāi)狀態(tài)，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)減水開(kāi)關(guān)動(dòng)作未正常進(jìn)行，此時(shí)流程將無(wú)法順利完成，并報(bào)警；若動(dòng)作正常，為確保完成充水，接收到信號(hào)后應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)，為成功啟泵提供保障[5]。

一鍵停比具體流程如下：shou先將排空閥打開(kāi)，完成后適當(dāng)延時(shí)，之后水泵停止，并將排空閥關(guān)閉，若閥門(mén)可控，#后將泵出口閥門(mén)關(guān)閉即可。在上述流程中，延時(shí)操作#根本的目的是避免空氣進(jìn)入水泵后對(duì)抽水造成一定影響，從而減少進(jìn)水管底閥受到?jīng)_擊造成的影響。

實(shí)際上，泵組的自動(dòng)停止或開(kāi)啟主要由水位高低予以控制，若液位處于正常區(qū)間之內(nèi)，wuxu任何處理，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守或少人干預(yù)這一目標(biāo)。如圖3所示，若液位自動(dòng)投入，便會(huì)執(zhí)行自動(dòng)啟停，若該功能并未投入，還可采取手動(dòng)的方式對(duì)其進(jìn)行調(diào)整；對(duì)配置延時(shí)或死區(qū)進(jìn)行判斷時(shí)可以將液位高低作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，減少誤操作的發(fā)生，無(wú)論是液位過(guò)低還是過(guò)高，其觸發(fā)的停止流程均只有一次。根據(jù)液位高低情況自行判斷執(zhí)行，以此來(lái)對(duì)實(shí)際液位與自動(dòng)投入情況加以判斷。

3兩倉(cāng)三泵聯(lián)合運(yùn)行

在正常生產(chǎn)過(guò)程中井下排水系統(tǒng)尤為關(guān)鍵，只有該系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行才能為正常生產(chǎn)提供保障，并應(yīng)具備備用功能。其中較為常見(jiàn)的一種方式為兩倉(cāng)三泵，1#、2#水倉(cāng)分別與1"、3"相對(duì)應(yīng)，而2"通常作為備用泵組，通過(guò)切換閥門(mén)便能操控兩者正常工作。其工作運(yùn)行正常時(shí)，若發(fā)生故障，泵組2"便正式運(yùn)行，使其正常工作得到保障，若結(jié)束檢修，便能恢復(fù)正常1#、3#工作模式[6]。

如圖4所示，水倉(cāng)與泵組之間呈現(xiàn)出如下關(guān)系，其中人機(jī)界面按鈕脈沖指令為取消泵組置檢修與1"、3"泵組置檢修，其中泵組使能為3#，1#為初始狀態(tài)，若要激活2"、3"泵組使能，只需按照檢修指令1"操作。只有在全部泵組停比狀態(tài)下才允許切換模式，以確保切換運(yùn)行時(shí)的不確定性不會(huì)發(fā)生；若要激活2"泵組使能，不僅需要隱藏指令按鈕，還需將1#與3#隱藏，所保留的檢修按鈕僅為取消泵組置檢修按鈕，從而避免出現(xiàn)僅2"泵組使能的現(xiàn)象。

通常情況下，水泵處在變電所相同分支線路上，不僅需要較大的功率，且缺乏軟啟動(dòng)器，若同時(shí)啟用，則產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷相對(duì)較大。為減少或避免啟動(dòng)泵組時(shí)沖擊帶來(lái)的影響，在具體應(yīng)用中應(yīng)減少或避免同時(shí)啟動(dòng)2個(gè)高液位水倉(cāng)的現(xiàn)象[7]。

4節(jié)能優(yōu)化

在實(shí)際應(yīng)用中，井下排水與排風(fēng)系統(tǒng)均處于不斷運(yùn)行狀態(tài)，所以，不僅主扇耗電量相對(duì)較大，水泵占據(jù)份額同樣不容忽視。若原有設(shè)備不進(jìn)行改造，節(jié)能還能夠利用運(yùn)行策略來(lái)實(shí)現(xiàn)，其一，將峰谷電價(jià)差異充分利用起來(lái)，使設(shè)備盡可能在谷區(qū)工作；其二，對(duì)泵租啟停液位區(qū)間加以優(yōu)化。分析現(xiàn)場(chǎng)得到的歷史數(shù)據(jù)，得出抽水效率較高的定速泵組，則自動(dòng)啟停泵組邊界即為液位上限與下限，進(jìn)而令設(shè)備正常運(yùn)行得到保障。由于峰谷電價(jià)定價(jià)存在一定差異，所以在峰電價(jià)時(shí)應(yīng)盡量使水倉(cāng)安全運(yùn)行得到保障，在谷電價(jià)時(shí)盡量采取空倉(cāng)運(yùn)行這一方式，換而言之，結(jié)合實(shí)際情況，在白天將液位下限與上限之間的區(qū)間盡可能擴(kuò)大，在夜間則適當(dāng)縮小，令其區(qū)間有所增大。為保證夜間與白天泵組均能正常運(yùn)行，應(yīng)將二者有機(jī)結(jié)合在一起。與普通運(yùn)行方式相比，該策略有效減小了液位區(qū)間，增加了啟停水泵次數(shù)，進(jìn)而影響到開(kāi)關(guān)設(shè)備壽命，所以對(duì)泵組運(yùn)行液位區(qū)間進(jìn)行優(yōu)化時(shí)應(yīng)將設(shè)備壽命考慮在內(nèi)[8]。

5結(jié)語(yǔ)

本文在改變儀表與自動(dòng)化設(shè)備時(shí)，主體設(shè)備并未發(fā)生變化，并且經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，主體設(shè)備不發(fā)生改變來(lái)改造儀表與自動(dòng)化設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)的管理更為便利，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人值守與一鍵啟動(dòng)的運(yùn)行方式，不僅如此，在改進(jìn)自動(dòng)控制策略時(shí)將峰谷電價(jià)策略與水泵自身運(yùn)行特性考慮在內(nèi)，進(jìn)而優(yōu)化了實(shí)際耗電量，其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值相對(duì)較高。