1 引言

近几年来，兖州矿业（集团）有限责任公司及其下属厂矿针对煤矿水泵在运行实践中发现的问题，从设备的监测和自动化控制等方面总结经验教训，提出技术改造措施和解决方案并进行实施，取得了良好的效果，保障了矿井水泵的安全、优质运行。

2 煤矿井下主排水泵实现自动控制

煤矿井下排水泵房原先采用继电器控制，水泵的开停及切换由人工完成，严重阻碍管理水平与经济效益的提高。煤炭工业济南设计研究院有限公司对兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿的主排水泵进行自动控制设计，迄今为止运行情况一直良好。

该矿是我国第一对设计生产能力5Mt/a的特大型现代化矿井，正常涌水量550m3/h，最大涌水量650m3/h。按照现代化矿井要求，设计选用5台D500-57×10水泵，配备JSQ-1512-4、6kV、1250kW电动机，排水管路3趟。正常涌水时，2台工作、2台备用、1台检修。整个自动控制系统划分为自动注水、闸阀操纵、轮换工作、水位自动监控、参数显示、故障保护和电动机自动控制7个环节。

   离心式水泵只有在泵壳内充满水的情况下才允许启动。如果泵壳内未充满水、真空度不够就会造成不上水、转动部件烧坏或者气蚀等故障。所以，启动之前的注水是水泵工作的关键操作程序之一。此项课题采用自灌式注水方式，利用射流喷管抽取形成真空，具有提高水泵效率和吸水高度、省去水泵底阀、结构简单、不占泵房空间、维修量小等优点。在根据水位高低需要启动水泵时，首先打开射流喷管两端的电磁阀，然后打开井底压风或者洒水管路上的电磁阀，利用压风或者洒水通过射流喷管形成射流，依靠射流的吸力使得泵体内形成真空，再由大气压力将吸水井内的水压入到泵内，待到充满泵体之后即可以启动水泵。

根据水泵操作规程的规定，为了减小启动时的功率，离心式水泵一定要关闭出水闸阀之后才能够进行启动；当水泵停车的时候，为了避免发生水锤事故，必须先关闭闸阀，缓慢减小流速，最后才能够停车。因此，闸阀的操纵顺序为：当泵体内充满水后，先启动水泵的电动机，然后打开水闸阀；停止的时候，先关闭出水闸阀，最后才停止水泵电动机。

为了防止因为备用泵或者备用管路长期不用而使得电动机受潮或者存在其它故障而没有被发现的现象，造成紧急状态需要投入而不能够投入的情况，自动控制系统按照“工作制”来设计以达到有故障早发现、早处理，以免影响矿井的安全生产。此系统根据水泵的开启次数和管路的使用次数，自动按照一定的顺序轮换开启水泵和使用管路。当其中的某一台水泵或者其所属阀们故障、检修和管路漏水的时候，系统会发出警报，同时此水泵或者此趟管路退出轮换，而其余各台水泵和管路仍然按照“轮换工作制”来运行。

济三矿水泵自动控制系统可以实现以下功能：自动完成水泵的轮换工作，延长水泵的使用寿命；根据电网的负荷信息，以“移峰填谷”大原则确定开、停水泵的时间，达到节能的目的；通过专用通信模块将PLC所有信息经矿井监测监视系统传输到地面调度室，管理人员在地面工作站对井下水泵运行情况进行监视和控制，提高系统运行的技术经济水平；实时监控并模拟井下水泵房的工作状态和数据，显示各种模拟画面，提供各种运行及故障信息，还可以打印各类运行报表、事故记录、历史数据、统计报表等，控制方式可分为自动、半自动和手动检修3种方式。自动方式时，不需要人员参与，依靠PLC和各种传感器的工作即可完成；半自动方式由人工选择开哪台水泵和开几台水泵，但是水泵的启动和工作仍然由PLC自动完成；手动检修为故障或者检修状态下的工作方式，包括PLC故障、泵阀故障或者检修两种情况。PLC故障时，全部设备均为手动运行，由操作人员控制相应按钮完成；泵阀故障或检修时，这台泵阀由自动工作状态中切除，故障排除或检修完成之后，手动试车，确认无故障后立即可以参与整个自动轮换工作。在处理这台水泵时，不影响其余水泵的正常工作。

3 煤矿井下排水泵自动控制控制和监测

兖州矿业（集团）公司机械制修厂和济宁三号煤矿利用ControlNet现场总线技术与自动控制技术，对煤矿井下采区泵房设备进行控制、测量、保护，同时与地面监控主机进行数据通信，实现井下采区泵房自动控制和监测。

该矿井下涌水量较大，特别是西部采区。-665m泵房位于西部采区，泵房安装3台主排水泵，配套电动机500kW，2条排水管路。正常涌水时1台工作、1台备用、1台检修。-665m泵房原水位监测、水泵开停及选择切换均由人工完成，控制和管理方式落后，自动化程度低，亟待进行更新。-665m泵房自动控制系统由地面监控主机及传输、就地控制箱及操作台、各种测量传感器组成，可实现数据自动采集、自动轮换工作、自动控制、动态显示及故障记录报警和通讯接口等功能。系统通过检测水仓水位和其它参数，控制水泵轮流工作与适时启动备用泵，合理调度3台水泵运行。系统通过上位机显示屏以图形、图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时地反映系统工作状态以及水仓水位、电动机工作电流、轴承温度、排水管流量等参数，并通过ControlNet通讯模块、光纤与地面监测监控主机实现数据交换。

（1）数据自动采集与检测。

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、排水管流量、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磁力启动器的状态、电动闸阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态、电磁阀状态、泵电动闸阀的工作状态。

（2）自动轮换工作。

为保证备用泵及其电气设备或备用管路能够随时投入使用，程序设计3台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。

（3）自动控制。

系统控制设计选用美国AB公司Controllogix型PLC为控制主机，模块化结构，由PLC机架、电源、CPU、数字量I/O、模拟量输入、通讯等模块构成。PLC自动化控制系统根据水仓水位的高低、井下用电负荷的高低峰和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段等因素，建立数学模型，合理调度水泵，系统PIE在用电低峰和全天中电价最低时开启水泵，用电高峰和电价高时停止水泵运行，以达到避峰填谷及节能的目的。

（4）动态显示。

就地操作显示选用美国AB公司PanelView工业图形显示器，系统通过图形动态显示水泵、真空泵、电磁阀和电动闸阀的运行状态，采用改变图形颜色和闪烁功能进行事故报警，直观显示电磁阀和电动闸阀的开闭位置，实时显示水泵抽真空情况、压力值及电机电流等。   

（5）通讯接口。PLC通过ControlNet通讯模块，将水泵机组的运行状态与参数经光缆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。

4 煤矿井下排水泵PLC自动监控系统

兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿和济南煤炭科学研究所应用高可靠性S7-300PLC对井下泵房进行改造，自动化程度高，自动、就地手动、远程控制3种方式互为备用；4台电动机循环工作，在保证有备用的情况下延长电动机使用寿命；完善的故障判断功能，为操作人员迅速排除故障提供方便；系统输出数据完整、准确，方便管理。

兴隆庄矿综合自动化控制已经形成统一的网络管理平台。为了使信息化平台连在一起，分布在全矿井下各种设备的自动化“独立岛”必须保证可靠地运行。“独立岛”之一的十采区泵房担负着井下3个采区的排水任务，4台200D43×8多级泵，配套电动机功率500kW；2台真空泵用于水泵启动时抽真空用，极限真空8000Pa，流量3m3/min，转速1450rpm，功率5.5kW。

（1）PLC隔爆控制箱。

采用S7-300型可编程控制器，模块式结构，系统容量大、扩充方便，各种功能模块齐全、指令功能强，高速、坚固、通信能力强，操作方便，特别适用于工业环境以及电气干扰环境。PLC由电源模块、中央处理单元CPU315C-2DP、以太网通信模块CP343-1、数字量输入输出模块SM323、数字量输出模块SM322、数字量输入模块SM321、模拟量输入模块SM331、STYB输入模块。通过IM153-1扩展1个从站，从站由3块模拟量输入模块SM331组成。PLC自动检测水位信号，根据水位高低自动投入和退出水泵运行的台数，合理调度水泵的运行。系统将PLC中处理以后的现场运行数据送就地人机界面显示，同时将人机界面输入的控制命令送到PLC，控制设备运行，并且根据排水的压力、流量、电流、电压、振动、温度等信息判断水泵、电动机的运行是否正常。

（2）高压开关计算机保护单元。

采用山源ZBB型计算机综合保护装置，以DSP芯片为CPU，采用交流采样直接测量电网二次侧交流信号，具有遥测、遥信、遥控功能，配置的人机接口可远程设置综合保护整定参数，由大尺寸液晶屏实时显示监测的电压、电流、有功功率、功率因数和电度参数，指示灯实时显示运行状态、分闸状态、故障状态等信息。

（3）地面监控站。

区队设置监控分站选用IPC610计算机，并配以上位机组态软件，动态监控水泵及其附属设备的运行状况，实时显示水位、流量、压力、温度、电流、电压等参数，超限报警，故障点自动闪烁；具有故障记录、历史数据查询等功能，实现遥测、遥控。井下主站将水泵监控信息通过十采三横交换机接入矿井千兆网，直接进入矿井调度室信息化平台，由信息处理中心统一组态后被各有关部室调用。

（4）变送器。

将现场参数转化为可采集的电信号。系统中设置液位、温度、振动、流量、压力、真空度、阀门开度等变送器，电量参数通过与山源分站的通讯获得。

5 煤矿井下水泵房无人值守系统

兖州矿业（集团）公司北宿煤矿的-290m水泵房设有3台MDM280-43×3型水泵，转速1480r/min，扬程129m，流量280m3/h；配套YBK2315L1-400PLC型电动机功率160kW，供电电压660V，电流166A。这个煤矿对井下水泵房进行改造，实现了无人值守。

（1）改造方案。

在每台水泵的出水管路上增加1个电动闸阀执行机构与电动闸阀矿用隔爆型电动机；原有的射流抽真空机构保留，分别加入2个气用、水用电磁阀，增加1个水压传感器、1个负压传感器；每台水泵增加2个温度传感器和1个振动传感器检测轴温和振动的情况；在主出水管路增加2台流量传感器用于检测水流量；在水仓设置2台非接触式水位传感器，检测水仓水位；增加1套西门子S7-300PLC作为整个系统的核心实现输入、输出功能，增加1个触摸屏实现就地参数设置和状态监测、现场手动开停等相应功能；增加1台工控机，在地面实现水泵运行的检测和控制。

（2）系统组成。

控制系统以PLC+触摸屏+地面工控机为控制中心，通讯方式采用井下PLC+以太网通讯模块+NET软件直接上传地面控制室。这个系统保留了设备原先的手动控制方式，手动控制具有优先控制权，即使系统出现故障也可以保证在手动控制方式下实现水泵的正常工作。

①PLC柜。数据采集的各种信号统一接入PLC控制柜、PLC配置模拟量采集模块、开关量采集模块和以太网通讯模块，将数据传送至地面控制计算机。主要采集的模拟量数据有水位、主电动机电流和排水管流量等，数字量数据有水泵工作状态、电动阀门状态和水泵出水口压力等。选用西门子S7-300PLC作为整个控制与显示的核心设备，用于水位、流量、压力和轴温等各个参数的显示，内置的CPU模块、电源模块和MMC卡等主要用于驱动触摸屏的显示，通过触摸屏可以控制水泵的开启与停止等操作，并且能够查询到相关参数的历史记录，使得整个系统的运行更加稳定、可靠。

②馈电开关。具有电压、电流、功率因数、有功功率和无功功率等参数的采集功能和通讯传输的功能，将采集到的各个参数通过RS485接口传输至PLC。

③地面监控主机。地面监控指挥部分由计算机、管理软件和网络传输部分组成，通过计算机网络同步显示现场的工况。远端监控具有开放的接口，可以扩展功能或者接入其它系统。软件中嵌入大量的控制策略，可以根据实际情况做出不同的决策，极大提高系统的自动化和智能程度。根据不同时期的具体情况可以调整软件运行参数，以适应复杂的情况，提高系统的适应性。

④水位传感器。采用非接触式超声波液位传感器和投入式传感器，具有水位标尺。传感器采取1用1备的运行方式，确保系统的正常运行。

6 煤矿工业用水水泵监控系统

兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿东风井设有工业用水的水泵房3处，配置37kW中型水泵5台，供井下生产和地面工业、生活用水，经过二十多年的运行已经落后。为此，他们和兖州矿业（集团）公司济南煤炭科学研究所研制出水泵监控系统，满足了对水泵主要参数监测与控制的要求。

（1）结构原理。

此水泵监控系统由可编程控制器、触摸屏、通讯模块、液位变送器、电磁流量计、电量变送器等组成。水泵监控系统安装在集控室内，采用西门子公司S7-300系列CPU315-2DP型PLC为监控核心，扩展2个SM331-7KF02-OAB型模拟量输入模块及2个S7 321-1BH02-OAAO型开关量输入模块、1个SM322-1BH01-OAAO型开关量输出模块。在集控室集中监控加压泵房3台加压泵和东、西水源井的设备运转状况，监控各台水泵的电压、电流、流量、出口压力图及水仓液位等参数，并且利用其对流量、电流的监测和PLC对水泵性能进行智能判断，避免水泵长期处于低效率运行。这个系统可以实现远程集中控制/就地自动控制/水位控制。采用水位控制时，系统根据设定的水仓水位自动控制水源井水泵以及加压泵的开、停台数，确保水仓首先满足井下生产用水，在水位达到要求的情况下方可以给地面的用户供水。系统通过PLC DP口PrifoBu总线与上位机进行通讯。

（2）主要功能。

水仓水位的连续检测，达到设定的高水位时停止水源井工作，水位降到设定的低水位时启动水源井工作；自动控制水塔的水位，上下限检测；具有远程集中控制/就地自动控制的功能；水源井的出水流量计量；根据水仓、水塔水位信号实现相应设备的自动开停；水仓水位降到保护液位（低于设定启动水源井水位）时，停止相应的加压泵工作。采用工业控制计算机作为上位机，水泵房水泵等监控以PLC为核心。工业控制计算机与PLC通过RS-485进行数据通讯，传送监测数据以及控制信息；采用触摸屏显示各种模拟图以及数据、曲线。使用工业IPC做“高层面监控”、PLC做“物理层面”控制、采样和IPC做主控机，在恶劣的环境中运行可靠，而且在数据管理、人机界面、显示屏幕、软/硬件支持、内存容量、运行速度等方面大有改善，通讯方面提供RS232/422/485接口，可以连接LAN网络。项目实施之后，实现自动开停机、无人值守以及水量监测，37kW水泵少运行5h/a。

（3）运行特点。

操作控制按钮组合化、人性化设计，维修与操作人员可以根据需要随时修改可调参数以及转换控制方式；采用4～20mA标准电流信号的免维护传感器直接采集现场信号，配以两线制RVVP屏蔽电缆单独输送，消除现场电磁系统对测量的影响；利用有无监测电流来确定开关状态和设备运行状态，使触点开关变成无触点数字信号，进一步提高系统的准确性与可靠性；自动控制方式与手动控制方式具有电气、机械互锁的功能，在控制系统发生故障以及PLC系统掉电的情况下自动转入手动控制。

7 分散深井泵的水源井群监控系统

由兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿煤泥热电厂研究的水源井群监控系统，主要是对较为分散的深井泵进行数据采集和集中监控，既可以在井旁近距离控制，也可以在中央监控室通过电脑监控。

（1）数据监控中心的功能。

该系统由监控中心和各个水源监测点组成，采用先进的自动控制技术、无线数传通信网和计算机技术实现对水源井群集中远程监视和控制功能，保证供水质量，满足用水量的需求。通过无线网络对深井泵进行启停控制，同步监测配电变压器以及深井泵的运行状态，采用可编程的人机操作显示器代替传统由按钮开关、旋转开关、转换开关、指示灯、屯压表、屯流表组成的控制面板，用软接点和图形实物代替实际的硬件接线和实物，使得整个控制系统运行更为可靠；监控软件具有画面组态灵活、实时数据显示、历史数据存储分析、多种曲线和报表、作为监控子站连接到上级主站等功能。配置灵活，具有很强的现场适应能力；可以实现远程测量和控制、电动机保护、故障报警、监视触发等功能，记录电动机电流与功率、出水流量、水压等；现场监测系统运行的各项模拟数据可以在任何需要的时候进行实时查询，数据能一次全部查询显示，也能够分项查询显示；可以根据需要随时查询各台设备的运行状态和报警信息，并且对监控全网当前未消除的报警进行分类统计和显示，打印输出；监控中心工作站可以根据需要，按照任意给定的时间段，分项调看服务器的存储数据，生成EXCEL表格、时间曲线图，并且能够打印输出；可以根据需要，按照值班人员、维护人员和系统管理员三种级别授予不同的操作权限，对不同的用户分配不同的用户名和登录、退出密码。

（2）远程监控终端的功能。

远程监控终端分布在独立的水源井泵房，是由数据采集控制设备和GPRS数传单元所构成的，可以将采集到的实时数据通过无线方式上传到数据监控计算机上。远程数据采集器RTU是采用单片微机技术设计的新型数据采集传送设备。可以采集工业现场的变送器输出的各种模拟量、数字量、脉冲信号；可以输出控制信号，继电器输出；可靠的通信功能可以使其方便地与上位机通讯实现工业组态、数据监控。配合GPRS无线路由终端组成数据遥测遥控、采集系统。各个水源监测点的数据采集终端可检测压力、流量、温度、电压、电流、启停状态等不同类型的信号。电源、信号入出1：1，均有保护措施，并且与主控电路隔离。正常运行的时候输入通道采集模拟信号4～20mA或者1～5VDC信号、脉冲信号，内部的MD转换芯片将模拟信号工程量化转换为数字信号；软件支持模拟量校验功能。带隔离输出24V变送器电源给变送器供电。晶体管输出，通过隔离继电器等实现控制功能；由上位机控制调节AO输出，满足现场调节的要求。具有看门狗及数据掉电保护的功能，可以长期保存设定参数及历史数据。

8 煤矿矿井水处理的泵阀自动监控系统

兖州矿业（集团）公司杨村煤矿研究的矿井水处理的泵阀自动监控系统,采用485通讯总线，将恒压供水、净化药品制备、自动加药和运行过程集中监控与泵、阀状态控制4个相对独立的子系统有机联系起来，实现优化控制，简捷、实用、科学。其中，将处理之后的矿井水作为生活用水，确保水质是矿井水处理自动监控系统开发的关键。

（1）设计原则。

综合考虑到可靠性、开发周期、功能成本以及扩充灵活等因素，他们选用了西门子S7-200系列PLC作为子系统的控制单元；采用485通讯总线，将恒压供水、净化药品制备、自动加药和运行过程集中监控与泵、阀状态控制4个相对独立的子系统联系起来，实现恒压供水以及供水计量；ClO2制备、余氯监测以及加氯的自动控制；混凝剂、絮凝剂配制以及投加量的自动控制；系统运行过程集中监控以及泵、阀状态的控制；上位微机系统；时钟校正；运行状态监测；显示、记录、监测数据；统计报告、报表打印输出。

（2）子系统特点。

①恒压供水系统。干式磁传远水表将对应流量的脉冲信号传至PLC计数器/定时器，由PLC进行实时流量以及日流量累积计算并显示。数据随时传输给操作台，由上位PC记录存储；经过RS485通讯接口，将系统状态、运行工况、供水量等参数实时传至操作台；1台PLC管理2套独立的供水系统，1套供水系统设备故障的时候可以打开管线之间的旁通阀，为故障系统应急供水。

②自动加药排泥控制系统。采用以原水流量、浊度为主变量，辅以出水浊度微调和异常报警、关出水阀的双闭环控制系统。将实验室提供的数据量化为数学模型存在PLC程序中，实际投加量用变频器指令按照比例调整以适应温度等因素的影响。实际运行的出水浊度稳定在3MTU内。水中悬浮物由于混凝剂、絮凝剂的作用经过斜管沉积在澄清池底部，在泥斗附近设置排污电动阀排至煤泥池。电动阀3h排泥1次，浊度50NTU左右开启约3min。加药控制器运行中监测计量泵、电动阀、储药槽液位等外部设备状态，如果有异常情况就实时声光报警并且在操作台的上位机显示。

③系统监控及泵、阀集中控制。设在操作台，完成对自动加药、恒压供水、自动加氯等子系统工作状态及设备状态的显示；对水处理系统中的3台提升泵、4台吸泥泵、2台污泥泵、1台集水泵及进清水池电动阀运行控制及状态监测；将系统运行中的设备状态、数据等信息存贮并且通过RS232/RS485通讯接口传送给上位机。系统对泵、阀的控制设置了“手动”、“自动”模式。“手动”主要用于设备检修。在“自动”方式下提升泵开2备1，故障、停机的时候人工切换，低液位联锁，其余的情况下各台泵均由液位进行控制。操作台上设有状态指示灯、7路液位显示光柱仪、操作功能键以及多路数据显示数码管做人机操作界面，可以脱离上位机独立运行，并且可以存贮24h的供水数据。

④ClO2制备及自动加氯系统。ClO2制备为2套，开1备1，原料为氯酸钠及盐酸。加氯控制以进清水池的流量作前馈。余氯含量的取样点设置在供水泵出水口，余氯值为0.3～1mg/L。

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