摘要：煤矿井下主排水系统装置是每个矿井不可缺少的单元，现水泵开停仍采用人工完成，不能实现根据水位或其它参数远程监控开停水泵，更无实时数据的监测与管理。在煤矿机运岗位人员不断减员的情况下，利用监测监控系统控制水泵，具有节约人工，安装容易，操作简单，应用效果良好，值得推广。鉴于此，本文主要分析煤矿井下排水控制系统设计。
关键词：煤矿井下；排水控制系统；设计
我国是煤炭生产大国，近几年经济快速发展，对煤炭资源的消耗越来越大。煤炭在我国矿藏储量丰富，是我国工业生产的基础能源，尽管新能源不断涌现，但煤炭能源在我国重要地位不可取代。近几年，随着环保要求的提升和新技术的引入，我国开始大力提倡高效、清洁的利用煤炭资源，着重提升回收率、综合利用效率等，积极促进煤炭使用的可持续发展。煤矿生产企业可以分为六大系统，主要完成采煤作业、煤巷掘进、电力供应、物料周转、通风换气、排水，其中井下排水系统担负着井下积水排出的重要任务，排水系统能否正常运行直接决定了矿井能否安全生产，保证排水系统安全也就是保证煤矿安全生产。我国煤矿资源地理所处环境复杂，井下煤炭开采作业环境恶劣，特别容易诱发各类事故，保证煤矿安全运转一直是各方面关注的焦点，因此研究优化井下主排水系统，对提高其运行安全性的意义重大。
1、煤矿井下排水系统概述
煤炭在井下开采过程中，岩层的含水会不断涌出，地表水、水砂充填和井下供水也会逐渐向井下汇聚，据统计，矿井涌水量可达几百立方米/每小时，高峰期达到上千立方米/每小时，矿井水在井下流动汇集中，会产生严重安全隐患，可以引起矿井坍塌等灾难性后果。在我国，为预防矿井水灾的发生，每年投入大量人力物力维护矿井排水系统，有资料表明，开采1t煤炭，需要排出3.9t矿井水，涌水高峰期排水量甚至达到30.40t。另外，井下主排水系统采用大功率水泵，排水电动机功率最高达几百千瓦，其电能消耗约占煤矿生产的1/5，涌水量大的矿井达1/3。总之，保证矿山排水设备不仅仅要考虑排水系统可靠、高效的运转，也必须考虑排水系统能效问题，这对提高煤矿安全生产、降低生产成本具有重要意义。
2、煤矿排水控制系统总体方案的设计
井下排水控制系统是整个排水系统中的重要组成部分，也是影响整套排水系统是否正常运行的关键系统，其系统性能的好坏直接关系到井下水量的排出效果及井下作业安全。因此，以现有矿井中排水控制系统为设计基础，对其进行了改进设计。新型排水控制系统采用了PLC控制器进行控制，配备了远程控制模块、各类液位仪、触摸屏、行程开关、温度传感器、压力传感器等，通过PLC控制器中的数字量输入模块，可将水泵电机的开关信号、液位开关信号、真空泵球阀到位信号等进行汇总输入，通过PLC中的模拟量输入模块，可将井下温度传感器、出口压力传感器、液位传感器等设备采集的相关信号进行收集，通过在PLC控制器中的汇总、分析、处理后，将相关控制命令信号通过数字量输出模块输送至声光报警设备、水泵控制开关、水泵电机控制开关等设备上，实现对井下水量的检测及实时控制，其中，整套系统采用了RS485通讯方式进行信号传输，大大保证了整套系统中信号的传输速度及信号质量。由此，通过检测水泵及电机相关参数，实现系统的报警及自动保护功能，根据水泵的吸水情况，实现水泵启停及运行台数的自动控制。改进后的矿井排水控制系统结构框架图如下页图1所示。
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图1矿井排水控制系统结构框架图
3、煤矿井下排水控制系统设计
3.1、合理设计井下排水控制系统结构
煤矿井下排水系统基于计算机技术、智能控制技术、无线电通讯技术等技术设计而成，排水系统设计为三级，具体包括井下、地面以及远程监控系统三部分组成。井下监控系统主要由三部分组成：控制站、传感器和无线电台，井下监控系统负责水位监控，将监测信息传输给控制器，控制将采集信息通过无线电台传输到地面，此外控制系统也监控泵组电机电流等信息，避免电机超载运行。地面监控系统由交换机、无线收发模块和监控中心组成，负责数据处理和对井下排水系统控制。远程监控中心主要数据处理和储存功能、并建立数据库，生成信息报表等。
3.2、主控芯片选型设计
在监控系统改进设计中，配备了AVR单片机主控芯片，该芯片中集成了高于1200次的Flash存储程序，工作电流10～20mA，可完成对继电器、看门狗定时器等元器件的驱动和保护。AVR可通过汇编器进行程序编写，实现对排水系统各个环节的控制。芯片集成了多个A/D转换器、I/O接口，并且包含定时器和计数器，分别设置为8位和16位。在芯片引脚设计中，充分利用了ATMEGA169内部的嵌入功能，通过A/D转换器来实现模拟量采集，通过I/O接口来实现数字量的采集，利用I2C总线来实现与外部存储器的数据交换。
3.3、数据显示设计
数据显示界面是整个监控系统的关键部分，在该界面中，设计了5个显示功能，包括串口设置、端口号、数据位、停止位及校验位。当点击串口时，此时界面将会对下仓水位、水泵出水口、管路流量等信号进行实时显示，并绘制变化曲线，若各参数运行正常，则状态指示灯会显示运行正常，否则将会出现红色报警提示。其他功能按键的操作基本相同。
3.5、控制系统各类传感器的匹配设计
虽整个排水控制系统是排水系统的分系统，但其系统结构也相对复杂，需设计多种传感器来完成井下不同参数的信号采集与检测。故结构排水控制系统的功能特点，配备了流量检测器、压力传感器、温度传感器、液位传感器等，以分别实现对排水系统中不同信号参数的检测。其中，流量检测采用了西门子的 MAG3100 型，主要用于检测排水管道中的水流量情况，该元件可检测 0.3~20 m/s 范围内的流速，具有较强的抗干扰性及稳定性。
3.5、控制系统监控界面的设计
监控界面是整套排水控制系统的重要组成部分，故采用MCSG组态软件，开展了排水控制系统的监控界面的设计。通过该界面可将井下水管、各处压力、各开关状态、各阀的启停等状态进行直观显示；同时，与传统界面相比，在新的显示界面上增设了记录显示功能，通过该按钮可将整个排水控制系统的运行时间、设备运行状态、故障累计情况等信息进行实时记录和直观显示。另外，整个显示界面显示更加流畅、报警功能更加全面，操作人员能直接通过显示界面，对整个排水系统的运行情况进行信息的实时掌握和设备运行状态的准确把控，并能及时发现系统故障的发生位置和采取相应的故障解决措施，由此大大提高了排水监控系统的智能化、远程化控制程度。
总之，监控系统是矿井排水系统的重要分系统，保障系统的稳定性及可靠性，对提高井下排水作业安全有着重要作用。该研究对提高井下排水控制系统的稳定性及作业安全具有重要作用，也为后期开展系统的进一步改进设计提供了参考。
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