主排水自動化控制系統設計探討

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摘要：為解決礦井主排水系統傳統人工操作方式繁瑣、自動化程度低的問題，保證主排水系統安全、高效、合理運行，設計及應用基于PLC控制器的中央泵房自動控制系統，依次設計系統硬件配置結構及軟件流程，實現排水量與涌水量的自動匹配，系統安全可靠、節能高效，每年可節省勞務費、電費及維護費532.72萬元。

關鍵詞：排水系統；PLC控制器；自動控制；節能高效

煤礦井下主排水系統常規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、勞動強度大及故障率較高等缺點，且無法實現涌水量與排水量的自動匹配。礦井必須實現井下排水的自動化控制，是實現安全、高產、高效礦井的必然要求。近年來，國內煤礦在水泵自動化控制研究方面主要集中在水泵選型、聯動及監控等方面，為井下實現自動化排水奠定了基礎。洛陽義安礦業有限公司結合礦井主排水現狀，基于PLC控制器對中央泵房集中控制系統進行設計及應用[1-5]，實現主排水系統安全、高效、合理的運行目標。

1PLC的礦井主排水控制系統設計

1.1主排水系統概況

義安礦業公司主排水采用一級排水系統，在副井底車場建立中央泵房，鋪設一趟Φ325mm×16mm、三趟Φ426mm×20mm排水管路，將礦井涌水經副井直接排到地面。排水泵房共有8臺PJ200B×9排水泵，每臺水泵額定流量420m3/h，揚程為790.5m，采用高壓軟啟動器一拖二控制啟動，其中1臺工作、6臺備用、1臺檢修，綜合排水能力2413m3/h。礦井主要水倉有2個，外水倉容量2329m3，內水倉容量1089m3，水倉總容量達3418m3。目前，礦井日常總涌水量約為205m3/h，常規采用1臺排水泵進行排水，滿足礦井排水需求。當礦井涌水量增大時，隨之開啟備用排水泵，且每臺排水泵均有獨立的離心排水設備及電控系統。排水泵配套選用YB710S2-4隔爆型電動機，額定電壓為6kV，功率為1400kW，轉速為1480r/min。

1.2主排水控制系統設計

控制系統是水泵排水自動化系統的一個核心組成部分，必須保證控制系統框架能滿足自動化整體設計的要求。系統主要具備以下4個功能：（1）通訊監控功能。采用通訊處理器建立點到點的通訊系統，遠程控制配備移動高清攝像頭，實現地面對井下的調度指揮。（2）控制功能。通過集中控制器PLC實現水泵房相關設備的實時控制及信號采集，達到自動化排水的目的。（3）參數監控功能。通過井下主排水自動化系統上位機監控排水管路流量、真空壓力、軸承溫度等參數。（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、實時流量、水位等進行實時監測，出現壓力、流量及水位超過限定值時，立即進行報警，避免事故的發生。（1）檢測保護單元對水泵自動控制系統的檢測保護功能進行設計，檢測單元由投入式液位傳感器、壓力變送器、超聲波流量計、溫度傳感器等組成。利用投入式液位傳感器實時檢測水倉水位，水位信號經轉換輸出成標準模擬量信號（4~20MA）交由控制箱作為主要控制信號，實現高水位起泵低水位停泵。利用壓力變送器檢測水泵內部的真空度及出水口壓力，真空度（壓力）信號、出水口壓力信號經轉換輸出成標準模擬量信號發送至控制箱，若達不到標準時則停泵并報警。利用超聲波流量計實時檢測水管內水流量，將檢測到的流量信號送至PLC控制器，可實現低流量報警并停泵。利用電機的溫度傳感器對電機前后軸的溫度進行實時檢測，當溫度超限時實現報警。（2）控制系統井下主排水自動化控制系統由自動化控制系統、故障診斷系統、監測監控系統及動態模擬顯示系統組成。系統通過安裝各類傳感器檢測得出管內水流量、電機溫度、出水口壓力、水倉水位等數據，數據通過工業環網傳輸至PLC控制箱，由PLC運算、分析及判斷，之后發出對應控制信號。同時，水泵、其他設備工作狀態及相關的實時數據會在上位機的10寸真彩觸摸屏進行顯示。若系統檢測出故障，在現場觸摸屏上會顯示故障信息并進行報警。當水泵運行時出現定子超溫、高壓開關故障、出水口壓力過低等異常情況，水泵將自動停止運行，同時能準確地顯示故障的位置、類型并發出聲光報警。井下主排水自動化控制系統硬件配置如圖1。如圖1所示，可編程控制箱作為系統主站，內置西門子S7系列PLC，通過接收采集現場信號，實現對現場設備的控制。考慮泵房硐室內設備布置狀況，采用I/O的方式采集數據及實現控制，選用帶TCP/IP的RJ45接口的CPU及西門子ET200M處理器。系統模塊化靈活性高，分為通訊、輸出、電源、輸入、模擬量采集等模塊。其中，通過數字量輸入模塊采集設備的運行狀態，開關量由斷路器狀態、控制命令、球閥到位信號及閘閥到位信號等，在I/O部分、PLC控制器兩側分別配置32路開關量輸入模塊1塊、2塊。建立R－F372、RS－232串聯通訊模塊，實現控制系統通訊功能。

1.3系統傳感器

傳感器的主要功能為采集設備運行的技術參數，主要檢測水倉水位、真空度、電機電壓、出水口壓力、流量等重要數據。傳感器選型時需考慮使用地點的溫度、電場、濕度及是否顫動等條件，即必須滿足使用地點的要求，挑選合適型號。系統傳感器根據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據庫，且自動生成數據曲線，通過分析數據曲線，當出現某一階段數據異常、波動幅度較大時，即表示設備運行狀態異常，則系統會立刻報警，保證系統運行的穩定性：另一類是全局傳感器，通過超聲液位儀對整個系統的參數進行檢查，輔助冗余雙傳感器，保證系統運行的精度。

2控制系統軟件設計

軟件設計必須具備以下功能：（1）自動輪換功能。當PLC控制器檢測到某設備故障信號時，系統依次進行聲光報警、屏幕顯示及記錄故障信息，同時停止運行故障泵或管路，其余各泵和管路按既定順序自動輪換工作。（2）手動一鍵控制功能。工作人員在操作臺上進行操作，人工手動控制單個設備的開啟、停止操作。（3）順序啟動。通過設定間隔時間按順序進行水泵的啟動和停止操作。（4）水位顯示。將水倉水位劃分為低、正常、高、上限、危險等五檔，通過水位傳感器確定水位檔次，并發出控制命令。（5）自動控制功能。當水位處于低位或不在低位而處于用電高峰時段時，則水泵自動停止運行；當水位處于高位或不在高位而處在用電低谷時段時，則水泵自動開啟。自動化控制系統軟件流程圖如圖2。系統開始運行時，首先進行自檢，若檢測出故障時，需人工手動操作、控制，僅當故障解決后或檢測無故障時，方可進入自動化流程。系統啟動后，如圖2所示，首先需要與高壓柜建立通訊，啟動I/O處理程序，通過分析確定自動、半自動及手動三種運行方式之一，工作人員查看控制顯示箱判斷當前運行模式。當選定自動化模式時，則系統進入自動化流程，若運行過程中出現問題時，系統將停止運行并進行報警；當選定為半自動模式時，通過人工操作確定泵號，之后進入自動模式；當選定為手動模式時，則PLC不參與系統運行。

3應用效果

基于PLC的主排水泵控制系統確實達到“自動化減人”的目的，實現根據水倉水位起停水泵，同時能夠準確地進行故障識別與報警，保證了主排水系統運行的安全性，提高水泵運行效率，降低維護成本，每年可節省相關費用532.72萬元。（1）實現自動化控制和視頻監控功能。全天可以減少崗位工4人，按每人工資5000元算，每月可以節省：4×0.5=2萬元，全年人工工資可節省24萬元。（2）控制水泵輪流工作與適時啟動備用水泵。每月可節省電費：12h×30d×1400kW×0.6元（峰谷差價）=30.24萬元，全年可節省電費362.88萬元。（3）提高水泵排水效率，每天可節省水泵運行時間3h。水泵單臺電機1400kW，每月節約排水電費：3h×30d×1400kW×0.7元=8.82萬元，全年可節省排水電費105.84萬元。（4）降低后期維護成本。每年大修水泵2臺和日常維修水泵8臺，每年可節約維修成本費用40萬元。

4結論

（1）洛陽義安礦業公司結合中央泵房主排水系統實際條件，依次設計系統硬件配置結構及軟件流程，成功應用PLC控制的自動化排水系統，實現排水量與涌水量的自動匹配，結合水倉水位變化充分提高井下主排水系統效率，能夠準確地進行故障識別與報警，達到安全可靠、節能高效、經濟合理的優化運行。（2）主排水自動化控制系統投入運行后，極大提高水泵運行效率，降低維護成本，每年節省勞務費、節省電費及維護費532.72萬元，經濟效益顯著。（3）常規煤礦井下主排水系統均可經改造后應用基于PLC控制的自動化排水系統，適用條件簡單，具有極大的推廣應用價值。

【參考文獻】

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［4］張東永.基于PLC技術的礦山排水系統的自動控制[J].礦山機械，2021，37（10）：108-111．

［5］王臻榮.煤礦井下排水泵房自動控制系統的設計及應用[J].能源技術與管理，2020，45（04）：183-185．

作者：張鈺煜 單位：洛陽義安礦業有限公司