主排水自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

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摘要：為解決礦井主排水系統(tǒng)傳統(tǒng)人工操作方式繁瑣、自動(dòng)化程度低的問題，保證主排水系統(tǒng)安全、高效、合理運(yùn)行，設(shè)計(jì)及應(yīng)用基于PLC控制器的中央泵房自動(dòng)控制系統(tǒng)，依次設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件配置結(jié)構(gòu)及軟件流程，實(shí)現(xiàn)排水量與涌水量的自動(dòng)匹配，系統(tǒng)安全可靠、節(jié)能高效，每年可節(jié)省勞務(wù)費(fèi)、電費(fèi)及維護(hù)費(fèi)532.72萬元。

關(guān)鍵詞：排水系統(tǒng)；PLC控制器；自動(dòng)控制；節(jié)能高效

煤礦井下主排水系統(tǒng)常規(guī)采用繼電器控制方法，主要依靠人工檢測控制，存在操作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大及故障率較高等缺點(diǎn)，且無法實(shí)現(xiàn)涌水量與排水量的自動(dòng)匹配。礦井必須實(shí)現(xiàn)井下排水的自動(dòng)化控制，是實(shí)現(xiàn)安全、高產(chǎn)、高效礦井的必然要求。近年來，國內(nèi)煤礦在水泵自動(dòng)化控制研究方面主要集中在水泵選型、聯(lián)動(dòng)及監(jiān)控等方面，為井下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化排水奠定了基礎(chǔ)。洛陽義安礦業(yè)有限公司結(jié)合礦井主排水現(xiàn)狀，基于PLC控制器對中央泵房集中控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)及應(yīng)用[1-5]，實(shí)現(xiàn)主排水系統(tǒng)安全、高效、合理的運(yùn)行目標(biāo)。

1PLC的礦井主排水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1主排水系統(tǒng)概況

義安礦業(yè)公司主排水采用一級排水系統(tǒng)，在副井底車場建立中央泵房，鋪設(shè)一趟Φ325mm×16mm、三趟Φ426mm×20mm排水管路，將礦井涌水經(jīng)副井直接排到地面。排水泵房共有8臺(tái)PJ200B×9排水泵，每臺(tái)水泵額定流量420m3/h，揚(yáng)程為790.5m，采用高壓軟啟動(dòng)器一拖二控制啟動(dòng)，其中1臺(tái)工作、6臺(tái)備用、1臺(tái)檢修，綜合排水能力2413m3/h。礦井主要水倉有2個(gè)，外水倉容量2329m3，內(nèi)水倉容量1089m3，水倉總?cè)萘窟_(dá)3418m3。目前，礦井日常總涌水量約為205m3/h，常規(guī)采用1臺(tái)排水泵進(jìn)行排水，滿足礦井排水需求。當(dāng)?shù)V井涌水量增大時(shí)，隨之開啟備用排水泵，且每臺(tái)排水泵均有獨(dú)立的離心排水設(shè)備及電控系統(tǒng)。排水泵配套選用YB710S2-4隔爆型電動(dòng)機(jī)，額定電壓為6kV，功率為1400kW，轉(zhuǎn)速為1480r/min。

1.2主排水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是水泵排水自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)核心組成部分，必須保證控制系統(tǒng)框架能滿足自動(dòng)化整體設(shè)計(jì)的要求。系統(tǒng)主要具備以下4個(gè)功能：（1）通訊監(jiān)控功能。采用通訊處理器建立點(diǎn)到點(diǎn)的通訊系統(tǒng)，遠(yuǎn)程控制配備移動(dòng)高清攝像頭，實(shí)現(xiàn)地面對井下的調(diào)度指揮。（2）控制功能。通過集中控制器PLC實(shí)現(xiàn)水泵房相關(guān)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制及信號采集，達(dá)到自動(dòng)化排水的目的。（3）參數(shù)監(jiān)控功能。通過井下主排水自動(dòng)化系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控排水管路流量、真空壓力、軸承溫度等參數(shù)。（4）故障診斷功能。通過壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器等對水泵出水口壓力、實(shí)時(shí)流量、水位等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，出現(xiàn)壓力、流量及水位超過限定值時(shí)，立即進(jìn)行報(bào)警，避免事故的發(fā)生。（1）檢測保護(hù)單元對水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的檢測保護(hù)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，檢測單元由投入式液位傳感器、壓力變送器、超聲波流量計(jì)、溫度傳感器等組成。利用投入式液位傳感器實(shí)時(shí)檢測水倉水位，水位信號經(jīng)轉(zhuǎn)換輸出成標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號（4~20MA）交由控制箱作為主要控制信號，實(shí)現(xiàn)高水位起泵低水位停泵。利用壓力變送器檢測水泵內(nèi)部的真空度及出水口壓力，真空度（壓力）信號、出水口壓力信號經(jīng)轉(zhuǎn)換輸出成標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號發(fā)送至控制箱，若達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)則停泵并報(bào)警。利用超聲波流量計(jì)實(shí)時(shí)檢測水管內(nèi)水流量，將檢測到的流量信號送至PLC控制器，可實(shí)現(xiàn)低流量報(bào)警并停泵。利用電機(jī)的溫度傳感器對電機(jī)前后軸的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，當(dāng)溫度超限時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警。（2）控制系統(tǒng)井下主排水自動(dòng)化控制系統(tǒng)由自動(dòng)化控制系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)模擬顯示系統(tǒng)組成。系統(tǒng)通過安裝各類傳感器檢測得出管內(nèi)水流量、電機(jī)溫度、出水口壓力、水倉水位等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)傳輸至PLC控制箱，由PLC運(yùn)算、分析及判斷，之后發(fā)出對應(yīng)控制信號。同時(shí)，水泵、其他設(shè)備工作狀態(tài)及相關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)在上位機(jī)的10寸真彩觸摸屏進(jìn)行顯示。若系統(tǒng)檢測出故障，在現(xiàn)場觸摸屏上會(huì)顯示故障信息并進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)水泵運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)定子超溫、高壓開關(guān)故障、出水口壓力過低等異常情況，水泵將自動(dòng)停止運(yùn)行，同時(shí)能準(zhǔn)確地顯示故障的位置、類型并發(fā)出聲光報(bào)警。井下主排水自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件配置如圖1。如圖1所示，可編程控制箱作為系統(tǒng)主站，內(nèi)置西門子S7系列PLC，通過接收采集現(xiàn)場信號，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制。考慮泵房硐室內(nèi)設(shè)備布置狀況，采用I/O的方式采集數(shù)據(jù)及實(shí)現(xiàn)控制，選用帶TCP/IP的RJ45接口的CPU及西門子ET200M處理器。系統(tǒng)模塊化靈活性高，分為通訊、輸出、電源、輸入、模擬量采集等模塊。其中，通過數(shù)字量輸入模塊采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，開關(guān)量由斷路器狀態(tài)、控制命令、球閥到位信號及閘閥到位信號等，在I/O部分、PLC控制器兩側(cè)分別配置32路開關(guān)量輸入模塊1塊、2塊。建立R－F372、RS－232串聯(lián)通訊模塊，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)通訊功能。

1.3系統(tǒng)傳感器

傳感器的主要功能為采集設(shè)備運(yùn)行的技術(shù)參數(shù)，主要檢測水倉水位、真空度、電機(jī)電壓、出水口壓力、流量等重要數(shù)據(jù)。傳感器選型時(shí)需考慮使用地點(diǎn)的溫度、電場、濕度及是否顫動(dòng)等條件，即必須滿足使用地點(diǎn)的要求，挑選合適型號。系統(tǒng)傳感器根據(jù)其功能及使用要求分為兩類，一類是局部傳感器，具備自我診斷、檢測功能，建立不同階段的診斷數(shù)據(jù)庫，且自動(dòng)生成數(shù)據(jù)曲線，通過分析數(shù)據(jù)曲線，當(dāng)出現(xiàn)某一階段數(shù)據(jù)異常、波動(dòng)幅度較大時(shí)，即表示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)異常，則系統(tǒng)會(huì)立刻報(bào)警，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性：另一類是全局傳感器，通過超聲液位儀對整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行檢查，輔助冗余雙傳感器，保證系統(tǒng)運(yùn)行的精度。

2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)必須具備以下功能：（1）自動(dòng)輪換功能。當(dāng)PLC控制器檢測到某設(shè)備故障信號時(shí)，系統(tǒng)依次進(jìn)行聲光報(bào)警、屏幕顯示及記錄故障信息，同時(shí)停止運(yùn)行故障泵或管路，其余各泵和管路按既定順序自動(dòng)輪換工作。（2）手動(dòng)一鍵控制功能。工作人員在操作臺(tái)上進(jìn)行操作，人工手動(dòng)控制單個(gè)設(shè)備的開啟、停止操作。（3）順序啟動(dòng)。通過設(shè)定間隔時(shí)間按順序進(jìn)行水泵的啟動(dòng)和停止操作。（4）水位顯示。將水倉水位劃分為低、正常、高、上限、危險(xiǎn)等五檔，通過水位傳感器確定水位檔次，并發(fā)出控制命令。（5）自動(dòng)控制功能。當(dāng)水位處于低位或不在低位而處于用電高峰時(shí)段時(shí)，則水泵自動(dòng)停止運(yùn)行；當(dāng)水位處于高位或不在高位而處在用電低谷時(shí)段時(shí)，則水泵自動(dòng)開啟。自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖2。系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行自檢，若檢測出故障時(shí)，需人工手動(dòng)操作、控制，僅當(dāng)故障解決后或檢測無故障時(shí)，方可進(jìn)入自動(dòng)化流程。系統(tǒng)啟動(dòng)后，如圖2所示，首先需要與高壓柜建立通訊，啟動(dòng)I/O處理程序，通過分析確定自動(dòng)、半自動(dòng)及手動(dòng)三種運(yùn)行方式之一，工作人員查看控制顯示箱判斷當(dāng)前運(yùn)行模式。當(dāng)選定自動(dòng)化模式時(shí)，則系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)化流程，若運(yùn)行過程中出現(xiàn)問題時(shí)，系統(tǒng)將停止運(yùn)行并進(jìn)行報(bào)警；當(dāng)選定為半自動(dòng)模式時(shí)，通過人工操作確定泵號，之后進(jìn)入自動(dòng)模式；當(dāng)選定為手動(dòng)模式時(shí)，則PLC不參與系統(tǒng)運(yùn)行。

3應(yīng)用效果

基于PLC的主排水泵控制系統(tǒng)確實(shí)達(dá)到“自動(dòng)化減人”的目的，實(shí)現(xiàn)根據(jù)水倉水位起停水泵，同時(shí)能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行故障識別與報(bào)警，保證了主排水系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，提高水泵運(yùn)行效率，降低維護(hù)成本，每年可節(jié)省相關(guān)費(fèi)用532.72萬元。（1）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和視頻監(jiān)控功能。全天可以減少崗位工4人，按每人工資5000元算，每月可以節(jié)省：4×0.5=2萬元，全年人工工資可節(jié)省24萬元。（2）控制水泵輪流工作與適時(shí)啟動(dòng)備用水泵。每月可節(jié)省電費(fèi)：12h×30d×1400kW×0.6元（峰谷差價(jià)）=30.24萬元，全年可節(jié)省電費(fèi)362.88萬元。（3）提高水泵排水效率，每天可節(jié)省水泵運(yùn)行時(shí)間3h。水泵單臺(tái)電機(jī)1400kW，每月節(jié)約排水電費(fèi)：3h×30d×1400kW×0.7元=8.82萬元，全年可節(jié)省排水電費(fèi)105.84萬元。（4）降低后期維護(hù)成本。每年大修水泵2臺(tái)和日常維修水泵8臺(tái)，每年可節(jié)約維修成本費(fèi)用40萬元。

4結(jié)論

（1）洛陽義安礦業(yè)公司結(jié)合中央泵房主排水系統(tǒng)實(shí)際條件，依次設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件配置結(jié)構(gòu)及軟件流程，成功應(yīng)用PLC控制的自動(dòng)化排水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)排水量與涌水量的自動(dòng)匹配，結(jié)合水倉水位變化充分提高井下主排水系統(tǒng)效率，能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行故障識別與報(bào)警，達(dá)到安全可靠、節(jié)能高效、經(jīng)濟(jì)合理的優(yōu)化運(yùn)行。（2）主排水自動(dòng)化控制系統(tǒng)投入運(yùn)行后，極大提高水泵運(yùn)行效率，降低維護(hù)成本，每年節(jié)省勞務(wù)費(fèi)、節(jié)省電費(fèi)及維護(hù)費(fèi)532.72萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。（3）常規(guī)煤礦井下主排水系統(tǒng)均可經(jīng)改造后應(yīng)用基于PLC控制的自動(dòng)化排水系統(tǒng)，適用條件簡單，具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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作者：張鈺煜 單位：洛陽義安礦業(yè)有限公司