罗克韦尔自动化变频器在煤矿中的应用

一、矿井综合自动化
大柳塔煤矿是中国神华集团神府东胜煤炭有限责任公司所属的一座特大型现代化矿井，地处蒙陕交界的毛乌素沙漠边缘，大柳塔煤矿开发建设以来，依托优势资源，依靠科技进步，立足“高起点，高技术，高质量，高效率，高效益”的建设方针，在全国煤炭界率先全套引进国外先进技术和装备，所辖两井均装备国际先进水平的生产系统。2000年通过综合自动化改造，将信息技术、高科技应用到矿井的生产管理中，实现了工业控制系统和管理信息系统数据之间的双向数据传递，实现了数据采集离散化、设备控制分布智能化、生产管理信息化、安全自动监测监控化、办公管理自动化。在生产规模、机械化、自动化程度上跃居国内领先水平。
大柳塔综合自动化选用美国ROCKWELL公司先进的工业控制系列产品， ROCKWELL的网络采用三层结构（见图1）：1．在信息层采用以太网（EtherNet），用于全矿的数据采集和程序维修；2．在自动化和控制层采用控制网（ControlNet）、DH+和远程I/O，实现实时I/O控制、控制器互锁和报文传送；3．设备层：使用DeviceNet (设备网)网络，它将低层的设备直接联接到低层控制器上，这种联接无需通过I/O模块。成本低、信息集成效率高。入网设备包括DNB扫描模块、POWERMONITOR II（PM II）和PM3000电力监测单元、FLEX I/O离散模块、MCC电机控制中心、1336PLUS变频器、SMC软启动、DSA设备启动适配器等。     
整个网络以光纤为传输介质ControlNet主干网络结构，再配合LINIE、RS232串行通讯，增大网络的辐射面。

图1
通过自动化改造，大柳塔煤矿生产系统中的主运输、供水、排水、通风、供电均实现了无人值守，生产以及各系统的设备运行状态、工况参数实现了数字化传送，在调度集控室以及矿领导和部门的计算机上可以直观的了解到所有数据。调度集控室只有一名操作员便可对全矿进行生产协调指挥，对供电、主运输等系统进行操作控制。（见图2）

图2
二、矿井水的综合利用
在矿井水的综合利用以前，井下生产用水，消尘消防用水依靠地面工业用水，经加压泵加压来满足，随着矿井开掘的加深，供水距离随之加长， 逐步不能达到所需的压力。一方面由于矿区地处毛乌素沙漠边缘，随着矿区的开发，水资源显得尤为珍贵。另一方面，由于矿区煤层浅埋深、薄基岩、上覆厚松散层的特征，煤层回采顶板垮落后，赋存在第四系砂砾层和风化基岩中的浅层地下水大量涌入采空区及工作面，再由排水系统和污水排出井口处理，造成水资源的极大浪费，还得投入大量的人力物力。
鉴于以上原因，矿上采取了高效、低成本的矿井水净化复用技术。选用12601首采工作面顺槽作为2-2煤层采空区矿井水的集水区域。充分利用ROCKWELL产品统一的平台及高性能全方位控制的特点，在集水点建立变电硐室（见图3）。安装三台80DLX10型立式离心泵，扬程200米，流量50m3/h。驱动电动机为YB250M-4，功率55KW，。一号加压泵通过AB公司的1336PlusⅡ变频器控制，作为系统的主泵。由DCM(Devicenet Communications Module)进入DEVICENET模块。二、三号泵作为辅助泵，采用SMC Dialog plus软启动器，进入DEVICENET模块（见图4）。通过流量和压力反馈的信号，进入PLC系统，集成到矿工控网络，根据生产需求，将压力传感器设定为18Kg/cm2,流量设定为80m3/h，或按要求在上位机通过PID进行实时参数调节，对三台泵自动开启或关闭。改造后的水泵可达到三遥控制，恒压供水，可方便地组成供水闭环控制系统，整套系统能根据管网压力的变化进行智能化和数字化的控制，以保障系统的响应速度、供水质量和稳定性，从而达到最佳的节能效果。多泵型产品投资，避免单泵电机深度调速造成水泵、节省投资，提高运行效率。

图3
因生产任务需求，每日24小时运行，自投用以来，运行稳定。报警准确及时。满足供水设备的各种要求，并能达到最佳的节能效果。

图4
剩余的水经10寸钢管自流到井口，与矿区自来水网相接，满足部分工业及生活用水。
三、矿井水复用的经济效应极其显着。
1、使用变频调速和软启动器，能充分降低启动电流，提高绕组承受力，保护电动机免受瞬时启动的冲击，延长其工作寿命。提高电动机及负载设备的工作精度。
2、供水实现无人值守，减少岗位工5人。除正常保养，其余维护量极小。稳定可靠的恒压闭环供水系统，保障了大功率采掘设备的冷却需求，延长设备使用寿命。
3、完全满足煤矿这种高危行业需要，保证井下消防消尘用水需求，减少事故发生，保障职工身心健康。
4、节约资源。大柳塔井每小时矿井水流量为280m3左右，矿井用水按平均70 m3/h计算，全年为L＝70×24×365＝569400 m3 ，每年可节约水费50万元。根据已知风机、泵类在不同控制方式下的流量－负载关系曲线和现场运行的负荷变化情况进行计算。按2台电动机计算，每天连续24小时运行，其中每天20小时运行在90%负荷，4小时运行在50%负荷，则每年的节电量为66000kW?h ，则每年可节约电费2.18万元。
5、减少了地表水体水量的利用，减缓地下水位的下降，有利于地表生态环境的维持与改善；维持表土层的保水能力，防止水土流失；富余的矿井水通过静压自排到地面，与矿区自来水网相接，经过滤处理应用于矿区生活用水及工业用水，缓解供水紧张局面，有利于周边地区的绿化与生态改善。产生良好的社会效益。