礦山排水系統(tǒng)自動控制探討

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摘要：根據(jù)常見的礦山排水方式、排水系統(tǒng)組成單元、離心式水泵排水工藝、控制系統(tǒng)主要功能、控制方案及實現(xiàn)方式，以某金屬礦山井下排水系統(tǒng)遠程集控改造為背景，設(shè)計了礦山排水控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PLC、檢測單元和執(zhí)行單元改造、WinCC軟件為建設(shè)平臺，通過水倉水位、主管道壓力和流量、閥門開度感知等數(shù)據(jù)，遠程自動對喂水泵、離心泵、電動閘閥和流量開關(guān)進行控制，實現(xiàn)了礦山排水系統(tǒng)的自動控制。

關(guān)鍵詞：礦山排水；PLC；自動輪換

排水系統(tǒng)作為井下礦山“八大”系統(tǒng)之一，在礦井安全生產(chǎn)中有著舉足輕重的作用，排水系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運行是礦山正常生產(chǎn)和防止“淹井”的先決條件。因此，《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》將排水系統(tǒng)負荷列為井下礦山一級負荷，并對水泵房水泵配置提出了同一水泵房必須配置3臺同型號水泵，以滿足“一用、一備、一檢修”的要求。水泵控制系統(tǒng)作為排水系統(tǒng)的控制核心，其先進性、可靠性和穩(wěn)定性對整個排水系統(tǒng)的正常運行有至關(guān)重要的作用。目前大多數(shù)國內(nèi)礦山井下排水系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的繼電器手動控制，泵站的啟停和調(diào)度完全依賴于工人的經(jīng)驗和手工操作，自動化程度較低，可靠性差。筆者借助某礦井下泵站升級改造，通過采用PLC、計算機等先進技術(shù)設(shè)計了一套礦山井下泵站無人值守的排水控制系統(tǒng)，并通過現(xiàn)場應(yīng)用表明系統(tǒng)的自動化、信息化水平有了顯著提升。

1礦山排水控制系統(tǒng)

1.1礦山排水系統(tǒng)

金屬非金屬地下礦山常見的排水方式主要有自流式和揚升式。自流式排水一般僅用于平硐開拓的礦山；揚升式排水需要借助水泵將礦井涌水揚送至地面或坑外，適用于豎井或斜井開拓的礦山。揚升式排水系統(tǒng)分為集中排水系統(tǒng)和分段排水系統(tǒng)。集中排水系統(tǒng)是指礦井上部涌水通過自流至井底主排水泵房的水倉中，然后由主排水設(shè)備集中排至地面；分段排水系統(tǒng)是指深井開采時，若水泵的揚程不足以把水直接排至地面，可在礦井中部設(shè)置泵房和水倉，把水先排至中部水倉，再排至地面。地下礦山排水系統(tǒng)主要包括水泵房、排水設(shè)備、管線及水倉等。水泵常采用吸入式吸水，即水泵位于水倉上方，靠水泵產(chǎn)生的負壓引水。海拔較高的區(qū)域常采用安裝在排水泵吸水管路上的喂水泵喂水。離心式排水系統(tǒng)如圖1所示。排水設(shè)備主要由水泵(一般為離心式水泵)、電動機、喂水泵、檢測器件、驅(qū)動及控制單元、管路及管路附件等組成。

1.2離心式水泵自動排水工藝

離心式水泵自動排水工藝如圖2所示。喂水倉液位計實時監(jiān)測水倉水位信息，當(dāng)水位達到系統(tǒng)設(shè)定的水位值時，PLC打開喂水管調(diào)節(jié)閘閥、溢流水管放氣閥，啟動喂水泵對主排水泵注水、排氣；離心泵泵腔注滿水后，水通過溢流閥外側(cè)的流量開關(guān)流出，待泵腔中充滿水且無氣泡時，關(guān)閉溢流水管路電動閥，啟動離心泵電動機，喂水泵繼續(xù)為離心泵喂水，開啟出水口處電動閥，將水排至地表廢水池。當(dāng)喂水倉水位下降到設(shè)定的停泵水位時，系統(tǒng)按照邏輯程序依次停止喂水泵和離心泵，關(guān)閉喂水和排水管路電動閥，停止排水，并打開泄水管路電動閥，將排水管路內(nèi)存水排到井下中心水倉，完成一次排水。逆止閥可依靠管路回流而自動關(guān)閉閥瓣切斷水流，避免由于“水錘”現(xiàn)象造成閘閥和離心泵因受到排水管中的水力沖擊而損壞。

2系統(tǒng)功能需求

礦山排水系統(tǒng)設(shè)計本著“技術(shù)先進、可靠”和“自動化減人”的設(shè)計原則，具有以下功能[1-5]。(1)具有現(xiàn)場手動、現(xiàn)場自動、遠程手動和遠程自動4種控制方式，以滿足系統(tǒng)維護檢修、應(yīng)急啟停和無人值守的要求。(2)具有完善的狀態(tài)檢測和系統(tǒng)保護及報警，對各水泵電動機電流、電動機溫度、軸承溫度、水泵振動、電動調(diào)節(jié)閥開度、排水流量、壓力、水倉水位等參數(shù)進行實時監(jiān)測，并依據(jù)檢測數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)對系統(tǒng)設(shè)備的過流、速斷、超溫保護和故障停車。(3)具有6臺水泵“自動輪換使用”管理功能，實現(xiàn)對6臺水泵均衡、合理使用，防止某臺水泵過度使用，影響使用壽命。(4)上位機能以動畫圖形動態(tài)模擬水泵運行情況和電動閥門的開閉情況。現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的圖形、數(shù)字和文字顯示功能，同時具備顯示顏色與參數(shù)閾值動態(tài)變化，突出預(yù)警的易見性。(5)能夠自動建立數(shù)據(jù)庫，對電流、水位、流量、溫度等工藝參數(shù)和電氣參數(shù)自動生成趨勢曲線并歸檔。(6)具有泵站運行時刻及累計運行時間、運行狀態(tài)、設(shè)備運行參數(shù)、故障數(shù)據(jù)的記錄和查詢功能，并可生成運行報表，具備存儲和打印功能。(7)具有用戶權(quán)限管理功能，將用戶設(shè)置為工程師、操作員、普通用戶3級訪問權(quán)限，根據(jù)不同權(quán)限分別授予程序修訂、系統(tǒng)操作、參數(shù)修改和監(jiān)視的權(quán)利。

3控制系統(tǒng)方案設(shè)計

礦山排水控制系統(tǒng)由現(xiàn)場檢測儀表、人機交互裝置、可編程控制器及其輸入輸出模塊、執(zhí)行設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)施和上位機及軟件組成[6-8]，其控制方案如圖3所示。礦山排水控制系統(tǒng)采用了傳感器＋PLC＋觸摸屏/上位機控制架構(gòu)[9]，分為3級。現(xiàn)場級由閥門、泵和儀表構(gòu)成；控制級由PLC、接觸器和中間繼電器等組成，完成信號的處理；監(jiān)控級由上位機、上位機組態(tài)軟件、柜裝觸摸屏和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成，可監(jiān)視系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并遠程啟停設(shè)備。礦山排水控制系統(tǒng)設(shè)計了現(xiàn)場手動、現(xiàn)場自動、遠程手動和遠程自動4種控制功能。手動時，各臺設(shè)備均可在現(xiàn)場操作箱、觸摸屏和集控室上位機單獨操作、啟停設(shè)備；自動時，控制系統(tǒng)根據(jù)水倉液位檢測信號，并結(jié)合溫度、液位、壓力、流量等各種傳感器完成喂水泵自動喂水、閘閥和排水泵的自動啟停和系統(tǒng)保護及報警，同時，根據(jù)預(yù)定的“自動輪換”原則實現(xiàn)6臺水泵的“自動輪換”排水。

4控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1控制單元硬件設(shè)計

控制單元核心采用PLC系統(tǒng)，考慮到泵站水泵較多，控制架構(gòu)采用主、子站形式，PLC主站選用了西門子S7-300，2個子站選用ET200。PLC硬件配置如圖4所示。系統(tǒng)硬件主要包括電源模塊PS307、CPU模板315-2PN/DP、FEPROM952-1KL00-0AA0、機架390-1AE80和195-1GG30、子站IMF153、DI模板SM321、DO模板SM322、AI模板SM331、AO模板SM332、MOXAEDS-316交換機、TP1500Comfort6AV2124觸摸屏、DC24V/10A明緯電源、中間繼電器和UPS電源。CPU自帶2個Profinet和Profibus-DP通信口，分別作為編程和組網(wǎng)通信使用；MOXAEDS-316交換機采用Profinet通信協(xié)議完成PLC主、子站之間的組網(wǎng)，并以以太網(wǎng)方式通過礦區(qū)環(huán)網(wǎng)將信息傳送至地面集控室。現(xiàn)場柜裝觸摸屏TP1500Comfort6AV2124通過MOXAEDS-316交換機與PLC通信；負載DO通道增設(shè)了中間繼電器來滿足負載對高帶載能力的要求。

4.2檢測單元

控制系統(tǒng)檢測單元主要包括靜壓式液位計、溢流水流量開關(guān)、壓力變送器、電動機及水泵軸承溫度傳感器、電動機電樞熱敏電阻、水泵振動傳感器和電磁流量計。(1)液位計用于水倉高、低水位的檢測，為泵站排水系統(tǒng)的啟停提供控制信號。為了確保水位信息的絕對準確、可靠，防止排水系統(tǒng)由于液位“失真”誤啟動，采用冗余設(shè)計，每個水倉布置了2臺液位計。(2)溢流水流量開關(guān)用于離心泵腔體排氣及溢流管中水量的檢測。當(dāng)喂水泵啟動、電動閥打開向離心泵腔體喂水時，控制系統(tǒng)同時會打開離心泵腔體溢流管上的溢水閥(兼做放氣閥)，泵體內(nèi)的空氣隨著腔體內(nèi)水量的增加逐步排出，泵腔注滿水排空了空氣后，水從溢流閥外側(cè)的流量開關(guān)流出，通過檢測流量開關(guān)檢測流量，就可判斷泵腔內(nèi)是否充滿水。根據(jù)現(xiàn)場試驗，流過流量開關(guān)的水流量≥1.0L/min時，水流開關(guān)輸出“通”信號，離心泵腔體內(nèi)注滿水，離心泵就可啟動排水。(3)溫度傳感器安裝在水泵、電動機軸承和電動機電樞上，用于測量水泵、電動機軸承和電動機電樞溫度，實現(xiàn)溫度預(yù)警和保護。(4)壓力傳感器用于檢測水泵排水口壓力。(5)振動傳感器安裝于水泵軸承兩側(cè)，用于檢測軸承振動位移。(6)電磁流量計安裝在主排水管道上，用于測量流量瞬時值和累積值。

4.3執(zhí)行單元

控制系統(tǒng)執(zhí)行單元主要包括各類電動閥、潛水泵和離心泵。(1)電動閥作為排水系統(tǒng)主要的被控對象和執(zhí)行器件，主要用于控制喂水管路、排水管路和溢流水管路的通斷。設(shè)計選用了自帶“開到位”和“關(guān)到位”反饋信號的電動閥。(2)潛水泵主要用于完成離心泵啟動前的注水和排水過程中連續(xù)向離心泵喂水。(3)離心泵主要用于完成水倉廢水的排出。

5軟件設(shè)計

5.1PLC控制

控制系統(tǒng)編程選用SETP7v5.6。5.1.1控制方式根據(jù)排水系統(tǒng)維護和運行需求，系統(tǒng)具有現(xiàn)場手動、現(xiàn)場自動、遠程手動和遠程自動4種控制方式，以滿足維護檢修、應(yīng)急啟停和無人值守的要求。(1)手動控制要求水泵操作人員結(jié)合現(xiàn)場或上位機監(jiān)控平臺實時情況、儀表顯示數(shù)據(jù)、排水設(shè)備控制程序等要求啟停水泵。每臺設(shè)備均需操作人員在現(xiàn)場操作箱上或上位機上單獨操作。(2)自動控制通過喂水倉液位計檢測到的水倉液位情況，自動啟停排水設(shè)備。喂水倉液位按高度由高至低依次為H(上限水位)、M(開泵水位)、L(停泵水位)3擋水位。當(dāng)檢測水位達到M(開泵水位)時，PLC循環(huán)掃描各輸入點狀態(tài)和信息滿足下列條件時方可啟動水泵。①電動閘閥無故障；②啟動設(shè)備具備啟動條件；③溫度無異常。具備以上條件后先打開喂水管電動閥，溢流水管電動閥開啟喂水倉潛水泵，向離心泵腔體內(nèi)喂水，當(dāng)溢流管流量開關(guān)動作后，根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控壓力和流量判斷啟動是否成功。當(dāng)水倉液面達到H液位警戒值時，備用泵自動開啟1臺；當(dāng)水倉水量減少，水倉液位低于L液位時，控制系統(tǒng)自動停止所有工作水泵，并使各閥門恢復(fù)到泵啟動前原始狀態(tài)，排水結(jié)束。5.1.2安全聯(lián)鎖報警保護和故障處理泵站除設(shè)置了啟動方式(就地\遠程)閉鎖開關(guān)外，系統(tǒng)還設(shè)計了電流保護、溫度保護、水泵振動保護、流量保護、壓力異常保護、電動閥開\關(guān)到位保護、水位超限及水位傳感器故障報警保護、排水量異常報警保護等，并根據(jù)各類保護信息對系統(tǒng)安全運行的影響程度，將異常信息劃分為提醒報警和故障停泵2個級別。系統(tǒng)運行時，PLC將實時采集的電流、溫度、壓力、振動和喂水倉液位等信息與PLC系統(tǒng)預(yù)設(shè)的保護值進行比較，當(dāng)超過第1設(shè)定值時，系統(tǒng)給出聲光報警，當(dāng)超過第2設(shè)定值時，系統(tǒng)及時停泵并報警。立即停泵的故障主要有出水壓力達不到、出水閥開超時、溢流管流量開關(guān)故障、水泵前后軸溫度過高、水泵前后軸振動過大、電動機前后軸溫度過高、電動機電樞溫度過高、喂水泵和排水泵電動機電流過高等。例如：在PLC軟件中，電動機電樞溫度保護設(shè)計為高溫報警和超高溫故障，電動機電樞溫度大于85℃時，系統(tǒng)進行高溫報警。當(dāng)電動機溫度繼續(xù)升高達到120℃時，系統(tǒng)就會立即執(zhí)行停泵程序，并進行超高溫報警。5.1.3按周自動輪換調(diào)度為了防止某臺水泵過度使用影響使用壽命，合理地利用6臺排水泵和3臺喂水泵，采用按周輪換調(diào)度。以3周為一個輪換周期。第1周將1、4號排水泵和1號喂水泵作為首啟泵，2、3號排水泵為1號排水泵備用，5、6號排水泵為4號排水泵備用，2、3號喂水泵為1號喂水泵備用；第2周將2、5號排水泵和2號喂水泵作為首啟泵，1、3號排水泵為2號排水泵備用，4、6號排水泵為5號排水泵備用，1、3號喂水泵為2號喂水泵備用；第3周類似。

5.2上位機組態(tài)軟件設(shè)計

組態(tài)軟件選用WinCC7.0中文版。WinCC7.0可通過系統(tǒng)的工控組態(tài)界面，在線實時監(jiān)控排水系統(tǒng)的運行狀態(tài)[10]。上位機監(jiān)控系統(tǒng)主畫面如圖6所示。監(jiān)控畫面[5]主要包括排水工藝、關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)控實時曲線、故障報警等。畫面主要顯示喂水泵、排水泵、電動閥門等設(shè)備的工作狀態(tài)和運行方式，以現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，以圖形、數(shù)字和文字的形式實時顯示水泵電動機電壓、電流、溫度、水量、水位等主要參數(shù)，并提供語音報警等功能。同時具備顏色顯示與參數(shù)閾值動態(tài)變化，而且通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理功能，實現(xiàn)了報警和故障信息、水泵開停時刻、排水運行時長、水泵排水量、電動機溫度、電流和水倉液位等信息和數(shù)據(jù)的匯總和存檔，便于排水系統(tǒng)管理和故障追溯、分析處理。另外，通過系統(tǒng)基本設(shè)置、權(quán)限管理和用戶登錄，滿足不同用戶不同的操作權(quán)限和管理需求。

6結(jié)語

礦山排水控制系統(tǒng)通過實際生產(chǎn)檢驗，運行穩(wěn)定、可靠。水泵在自動控制方式下，PLC對檢測單元信息進行實時監(jiān)測、分析和診斷，并根據(jù)邏輯控制程序?qū)λ谩㈦妱訄?zhí)行器進行操作和保護，并自動啟停設(shè)備和發(fā)送報警、故障信息，實現(xiàn)了井下排水泵站遠程自動控制。該系統(tǒng)建成后取消了井下水泵房水泵操作人員，改善了工人勞動環(huán)境，且能夠自動按照輪回制度調(diào)度泵站，使6臺水泵均衡使用，達到了無人值守的目的，延長了設(shè)備使用壽命，提高了設(shè)備使用效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本，符合目前礦山“四化”建設(shè)和“降本增效”的要求，達到了智能化采礦。

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作者：張東永 單位：金川集團股份有限公司二礦區(qū)