煤矿无人值守主排水系统的设计及实现.pdf

第 2期( 总第 1 7 7 期 ) 2 0 1 3年 4月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEE RI NG& AUTOM ATI ON NO ． 2 Apr ． 文章编号 ： 1 6 7 2 - 6 4 1 3 ( 2 0 1 3 ) 0 2 - 0 1 5 6 — 0 2 煤矿无人值守主排水 系统的设计及实现 连 红 飞 ( 潞安矿业集 团 王庄煤矿 ，山西 长 治0 4 6 0 3 1 ) 摘要 ：详 细介 绍 了煤 矿无人值守主排水系统的设计及各项功 能的实现过程 ，对设备 的选 型、参数 的选取等进 行 了分 析 ，对 设计系统及应考虑 的一些 问题也进行 了论述 。系统采用 P L C作为控 制核心 ，配套各种 适应于 现场条件 的传感器 、电控 阀等设备 ，实现 了煤矿主排水 系统 的无人值 守化，保 证 了矿井的安全。 关键 词 ：排水 系统 ；无人值 守；设计 中图分类号 ：TD 7 4 文献标识码 ：A 0 引言 多年来 ， 煤矿井下主排水 系统一直采用人工启停 水泵的作业程序 。由于煤矿井下环境恶劣， 劳动条件 差 ， 直接影响矿工的身体健康 。此外 ， 还经常出现诸如 未及时开泵导致水淹大巷或者由于操作不熟练损坏水 泵等问题 。解决上述 问题 的根本 出路在于实现主排水 系统的无人值守化 。本文以潞安矿业集团王庄矿新井 主排水系统为例， 对煤矿无人值守主排水系统的设计 、 选型等进行 了分析 、 论述， 供 同行借鉴 。 1选 型设 计 矿井原始设计参数如下 ： 井 口轨面标 高( m) ： +9 2 2 ； 水泵房底板标高( m) ： +4 7 9 ； 正常 涌水 量 ( m。 ／ h ) ： 7 4 ； 最大 涌水 量 ( m。 ／ h ) ： 6 1 3 ； 井筒 垂 深 ( m) ：4 4 3 ； 地面 处 理站 与井 口的高差 ( m) ： 2 。 无人值 守主排水系统为机 电一体化 系统 ， 涉及 到 机械 、 电气 、 控制等多个专业 ， 需从各方面进行 系统分 析。图 1为水泵控制系统示意图 。 1 ． 1 主排 水 泵 工作泵的排水能力应满足 ： Q≥ 1 ． 2 Q 。 ⋯⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯( 1 ) Qm , ≥ 1 ． 2 Q最 大 。 ⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯( 2 ) 其中： Q为水泵正常排水量 ， I n ／ h ； Qm 为水泵最大排 水量， 1 3 2 。 ／ h ； Q正为矿井 正 常涌水 量， 取为 7 4 m。 ／ h ； Q 最 大为矿井最大涌水量， 取为 6 1 3 r ~／ h 。将已知参数代 人式( 1 ) 、 式( 2 ) 计算得 Q=8 6 ． 8 ／ h ， Q =7 3 5 ． 6 ／ h 。 水泵扬程 H( m) 应满足 ： H≥ H +H +△ H1日 管 。 ⋯⋯ ⋯⋯⋯ ⋯⋯( 3 ) 其中： H 为排水高度 ， 取为 4 4 5 m； H 为吸水高度， 取 为 4 ． 7 m； △H1日 管为管路阻力损 失， 经计算△H1日 管一 2 2 ． 7 r l l 。经计算得 H一4 7 2 ． 4 12 2 。 根据计算 ， 选用 MD 4 5 0 —6 0 8型矿用耐磨多级 离心泵 3台， 1台工作， l台备用 ， 1台检修 。正常涌水 时 1台水泵工作 ， 最 大涌水时 2台水泵同时工作。水 泵技术参数如下 ： 扬程为 4 8 0 1 2 "1 ， 流量为 4 5 0 IT I 。 ／ h ， 电 机功率为 9 0 0 k w ， 额定电压为 6 0 0 0 V， 额定 电流为 1 05 ． 4 A L- _ [ 受 匦 匝圃匿 匦 匝函 由于主排水泵必须抽真空灌 满水后才能启动， 因 此保证水泵可靠的灌水非 常重要。本 系统选用气、 水 两用射流阀作为主排水泵的抽真空设备。并且 ， 给射 流阀设计 了两趟抽真空用动力源， 即一趟静水管路 ， 提 供静压水动力 源； 一趟压缩 空气管路 ， 提供 空气动力 源 。两路动力源互为备用 ， 为气、 水两用射流阀提供主 排水泵抽真空用动力源， 保证水泵 能可靠抽真空并安 全启动 。射流阀的启 闭靠安装 于其前端 的电动球阀实 收稿 日期 ：2 0 1 2 — 1 0 — 1 6 ；修 回 日期 ：2 0 1 2 一 1 0 — 2 6 作者简介 ：连红飞 ( 1 9 7 2 一 ) ，男 ，山西屯 留人 ，工程师 ，本科 ，现从 事煤矿机电技术和管理工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 2期 连红飞 ： 煤矿无人值 守主排水 系统的设计及 实现 1 5 7 1 ． 3 管路 控 制 阀 主排水系统要求两趟 出水管 ， 而在实际使用过程 中利用哪一趟出水管必须 由阀门来控制。为实现 自动 化控制， 选用电控液动 闸阀， 型号为 Z P Z ， 压力为 6 ． 4 MP a ， 额定电压 6 6 0 V， 数量 1 1个， 每 3个 为一组 ， 每 组控制一台主排水泵及具体 由哪一趟 出水管出水 ， 另 外两个闸阀为两趟出水管的总控制阀门。 1 ． 4 电动 阀控 制开 关 系统涉及到的电控液动闸阀较多 ， 共计 1 1 个 。为 便于集中控制， 节省 占地面积 ， 选用 2台八组合开关 ， 实现对 1 1 个电控液动 闸阀的控制。具体名称为组合 式真空 电磁启动器， 型号为 Z I 一1 2 0 0 ／ 1 1 4 0 —6 ， 额 定电压为 1 1 4 0 ／ 6 6 0 V， 单路额定 电流为 4 0 0 A， 额定 总 电流 为 1 2 0 0 A。 1 ． 5 水泵启 动设 备 考虑到水泵功率为 9 0 0 k V， 若直接启动 ， 其 电气 冲击和机械冲击较大 ， 故选用软启动设备。 为保证设备的容量富裕 ， 软启动器应 比电机功率 大几个功率等级 ， 选择 Q J GR一2 5 0 ／ 6型隔爆 真空交 流软启 动器 ， 其额定电压为 6 0 0 0 V， 额定电流为 2 5 0 A， 额定功率为 2 1 7 0 k W。 设备可设置启动曲线， 启动电流控制在 1 ． 5倍～2 倍的额定电流 ， 启动结束后 ， 软启动器内部旁路接触器 吸合， 将软启动装 置旁路 。软启 动器设备有软停车功 能 ， 可有效防止水锤效应。 系统采用一拖一方案 ， 即一台软启动器拖动一 台 主 排水 泵 。 1 ． 6 控 制 系统 在井下泵房集控室设 P L C集中控制站 。整个集 中控制系统由 P L C集控部分、 就地控制 部分 、 现场设 备 3大部分组成。 ( 1 )P L C柜 ： 选 用 西 门子 公 司 S 7 —3 0 0 P L C， 实现 对主排水系统的逻辑控制， 柜体为隔爆型。此外 ， 通过 矿井以太 网， 将主排泵房 内的各种信号传至矿井调度 指挥中心 ， 实现水泵 的远程监控。 集 中控制台采用本质安全型或隔爆型， 液晶屏 、 指 示灯 、 按钮 、 转换开关、 继 电器、 电源开关 、 蜂鸣器等都 安装在集中控制 台内， 由集 中操作 台完成整套 系统 的 控制与监视 。 ( 2 )就地控制箱 ： 主要 由按钮、 指示灯等组成 ， 每 个就地控制箱备有急停按钮与相关按钮等 ， 负责手动 开关阀门、 启停水泵 。每台水泵配置一台防爆就地控 制箱 ， 主要在设备检修时使用。 ( 3 )现场传感器 ： 包 括超声水位计 、 流量传感器 、 管路静压传感器、 电机温度传感器等 ， 所检测的参数主 要有水仓水位 、 水泵进水管排真空完成状态 、 水泵出水 口压力 、 水泵轴温、 电机温度、 排水 管流量及设备工作 状态 等等 。 2 无人 值守化 控 制功 能的 实现 采用 P L C系统 自动控制水泵 的启停及 闸阀的开 关， 并具有 自诊 断功能， 实现 了主排水系统的无人值 守。其控制原则主要有 ： ①根据“ 水位控制” 原则， 自动 实现水泵的轮换工作； ②结合水仓水位和全矿电力负 荷信息 ， 以“ 移峰填谷” 的原则确定开、 停水泵时间。 P L C采集各种信号 ， 根据水 位情况、 是否用 电高 峰等因素， 自动启停水泵及其 阀门。水泵控制过程可 概括为 6 个环节， 即 自动注水环节 、 闸阀操作环节、 水 位 自动监控环节、 参数传示环节 、 故障保护环节和水泵 启停环节。 ( 1 )自动注水环节 ： 水泵 只有在其叶轮完全淹没 于水中的情况下， 泵体 内部才能造成必要 的真空度 以 实现正常排水 ， 因此 ， 启动前的注水是水泵工作的重要 操作项 目之一。排水泵的灌注引水方式采用 Z P B G型 气水两用喷射泵配套电动球 阀实现 自动控制 ， 以排水 管路中的压力水为能源 ， 同时以压力空气为备用能源。 ( 2 )闸阀操作环节 ： 本 系统各 闸阀均为电控液动 闸阀， 泵房内设置 2台组合开关对各电动 阀进行启停 控制。阀门可采用手动／ 自动两种方式控制 ， 在 自动状 态下， 通过 P L C对阀门进行集 中控制和监视 ； 在手动 控制方式下 ， 可在就地箱上对各阀门进行操作 。 ( 3 )水位 自动监控环节 ： 水位 自动监控环节 的任 务是根据水位 的高低 自动准确发 出启 、 停水泵命令 。 本系统选用两台西门子 p r o b e型超声波液位传感器， 分别 吊挂安装 于主、 副水仓 ， 实现对水位的监测 。 ( 4 )参数传示环节 ： 在操作 台模拟屏上可模拟显 示水仓水位、 水泵流量、 水泵压力及 电动机 、 电磁阀和 电动 阀的各种工作状态。 ( 5 )故障保护环节包括： ①流量保护： 当水泵启动 后或正常运行 中， 如流量达不到正常值 ， 可通过流量保 护装置使本 台水泵停车， 或转为启动另一台水泵 ； ②电 动机 故障 ： P L C监 视水泵 电机欠压、 过 流、 短路等 故 障， 由高压开关柜的综合保护器提供一组公用的故障 输 出接点 ， 并参与控制。 ( 6 )主排水泵 的启停 ： 采用水位控制和移峰填谷 相结合的原则 自动启停水泵。为了防止设备长期不用 出现故障而未被发现， 系统根据水泵的启停次数 自动 轮换启停水泵。 3结语 王庄矿新井无人值守主排水系统于 2 0 1 1 年 1 1 月 投运 ， 正常运转至今 ， 为同类系统的设计积累了一定 的 经验 ， 同时， 为煤矿实现无人值守化、 运行 自动化、 矿井 数字化奠定了基础 ， 有效地保证 了矿井的安全 。 ( 参考文献和英文摘要转第 1 6 0页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 O 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 3年第 2期 也可手工编排并修改推焦计划 。 ( 4 )显示记录部分 ： ① 可随时查询每一个炭化室 在推焦结束后 自动形成 的记录； ② 自动计算生产序数 值 K 、 K： 、 K。 ； ③ 自动生成班组统计报表 ； ④打印上述 报表 。 ( 5 )其他系统 ： 包括推焦统计、 焦炉状态、 数据输 出、 操作 日志和数据储存 。①推焦统计 ： 显示各种记录 的 13、 月、 年推焦统计记录， 并进行打印 ； ②焦炉状态 ： 主要设置 的是各焦炉的平煤时 间和装煤重量 ， 这些 时 间将会随着系统的运行和推焦 的进行 自动更新 ， 但 由 于可能是第一次运行 ， 或者由于某些原因而使平煤 时 间没有保存则可以通过这里进行修改 ； ③数据输出 ： 将 推焦数据导 出( 文本 与 E X C E L表格两 种格式) ， 用 于 与其他软件 的数据交换或用于数据的备份 ； ④操作 日 志： 记录某一时间段对推焦联锁控制系统操作的记录； ⑤数据储存 ： 将数据库进行备份。 ( 6 )退 出 ： 通过 密码 验证全 面退 出控 制 系统 。 3 结 束语 焦 炉 四车 联锁 自动对 位 的 研究 是 复 杂 的 工 程 ， 在 克服 多方 面制 约及 困难 的情 况下 ， 在 6 m 焦 炉上 成 功 实现了四车联锁对位 自动控制 。在控制系统 中， 由于 所采用的炉号识别和位置检测技术准确、 稳定、 可靠， 有力地保证了系统在实际运行中的可操作性 。 焦炉 四车联锁定位控制 的实施杜绝 了推焦事故 ， 避免了因联锁对位造成的设备损坏 ； 提高 了炼焦生产 工艺操作水平 ， 确保 了焦炉严格按计划结焦时间组织 生产 ， 改善了焦炉加热制度， 提高了焦炉生产效率和焦 炭质量 ， 并对延 长焦炉使用寿命 也有着积极 的作 用。 同时， 焦炉作业 自动记录统计可减少管理统计人员 ， 降 低了工人 的劳动强度， 具有明显的经济效益。 参考文献 ： [ 1 ] 刘改贵， 刘清泉． 感应无线技术在焦炉车辆上的应用[ J ] ． 燃 料与化工 ， 2 0 0 2 ， 3 3 ( 4 ) ： 1 7 6 — 1 7 7 ． E 2 3 陈进． 感应无线技术在工业移动机车 自动化中的应用 [ J ] ． 自动化技术与应用 ， 2 0 0 6 ， 2 5 ( 4 ) ： 3 3 — 3 6 ． [ 3 ] 潘 立 慧 ， 魏 松波 ． 炼焦 新技 术 [ M] ． 北 京 ： 冶金 工业 出版 社 ， 2 0 0 6 ． Ap pl i c a t i o n o f Fo u r Ve hi c l e I n t e r l o c ki ng Po s i t i o ni ng S y s t e m i n 6 m Co k e Ov e n ZHAO Fa ng ．LI Zho ng - hu ( 1 ． S c h o o l o f I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g，I n ne r M o n g o l i a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l og y ， Ba o t o u 01 4 0 1 0，Ch i n a ； 2 ． Ba o t o u I r o n a nd St e e l Vo c a t i o n a l Te c hn i c a l Co l l e ge ，Ba o t o u 0 1 4 0 1 0，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：F o u r - v e h i c l e i n t e r l o c k i n g p o s i t i o n i n g s y s t e m u s i n g wi r e l e s s s e n s i n g d e t e c t i o n t e c h n o l o g y c a n ma k e l a r g e mo b i l e e q u i p me n t p o s i t i o n i n g a n d c o mmu n i c a t i n g wi t h t h e g r o u n d，a d a p t i n g t o t h e h a r s h e n v i r o n me n t ． Th i s p a p e r d e s c r i b e d t h e b a s i c p r i n c i p l e s ， o v e r a l l s t r u c t u r e o f f o u r - v e h i c l e i n t e r l o c k i n g p o s i t i o n i n g s y s t e m ，a n d p u t e mp h a s i s o n t h e p o s i t i o n i n g s y s t e m i n 6 m c o k e o v e n ． Ke y wo r d s ：f ou r v e h i c l e s i n t e r l o c k i n g；a u t o ma t i o n；p o s i t i o n i n g s y s t e m ( 上 接第 1 5 7页 ) 参考文献 ： [ 1 ]陶权 ， 吴 尚庆． 变频 器应 用技术E M] ． 广州 ： 华南 理工 大学 出版 社 ， 2 0 0 8 ． [ 2 3 汪德成 ． 矿山流体机械[ M] ． 北京 ： 煤 炭工业 出版社 ， 1 9 9 1 ． E 3 ] 常慧玲． 传感 器与 自动 检测[ M] ． 北京 ： 电子工业 出版社 ， 2 00 9． De s i g n a n d Re a l i z a t i o n o f Un a t t e nd e d M a i n Dr a i n a g e S y s t e m i n Co a l M i n e LI AN Ho ng - f e i ( Wa n g z h u a n g Mi n e ，Lu ’ a n Mi ni n g I n du s t r y Gr o up，Cha n g z h i 0 4 6 03 1 China ) Ab s t r a c t ：Th i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e d e s i g n o f u n a t t e n d e d ma i n d r a i n a g e s y s t e m f o r c o a l mi n e ，d e s c r i b e s t h e r e a l i z a t i o n o f s y s t e m f u n c t i o n s ．a n d d i s c u s s e s t h e s e l e c t i o n o f e q u i p me n t ，t h e d e t e r mi n a t i o n o f p a r a me t e r s a n d s o me i s s u e s t o b e c o n s i d e r e d ．Th e s y s t e m a d o p t s PLC a s t h e c o n t r o l c o r e ，ma t c h i n g t h e s e n s o r 。e l e c t r i c c o n t r o l v a l v e a n d s o o nr e a l i z i n g t h e u n a t t e n d e d o p e r a t i o n o f d r a i n a g e s y s t e m i n c o a l mi n e ．p r o mo t i n g mi n e s a f e t y ． Ke y wo r d s ：d r a i n a g e s y s t e m ；a n a t t e n d e d o p e r a t 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