礦井井下水泵遠(yuǎn)程啟停改造分析

彭如斌(馬鋼（集團(tuán)）控股有限公司桃沖礦業(yè)公司,安徽蕪湖241233)

礦井井下水泵遠(yuǎn)程啟停改造分析

彭如斌
(馬鋼（集團(tuán)）控股有限公司桃沖礦業(yè)公司,安徽蕪湖241233)

【摘要】介紹了礦井井下水泵遠(yuǎn)程控制問題分析和解決方法,從井下環(huán)境和對(duì)系統(tǒng)的要求入手,分析改造過程中對(duì)控制系統(tǒng)的組成進(jìn)行了描述,并對(duì)控制系統(tǒng)功能和改造中的問題及解決方法進(jìn)行了詳述。

【關(guān)鍵詞】水泵；啟停；自動(dòng)控制

Analysis and Modification of Remote Startup and Stop Function of Downhole Water Pumps in Mines

Peng Rubin
(Taochong Mining Company of Magang(Group) Holding Co., Ltd., Wuhu, Anhui 241233, China)

【Abstract】Analysis and solutions for remote control problems of downhole water pumps in mines are introduced. Configuration of the control system during modification was analyzed starting with the requirement of underground condition on the system. Problems of control system functions occurring during the modification and solutions are also presented in detail.

【Keywords】water pump; startup and stop; automatic control

1　引言

馬鋼（集團(tuán)）桃沖礦業(yè)公司是一個(gè)有著百年開采的井下鐵礦山，其中井下-107 m水泵房，距離地表200 m，有1個(gè)水倉(cāng)，水泵排水是有底閥式排水，有4臺(tái)125D45水泵排水。配套電機(jī)為Y200L2-2，功率37 kW，電壓380 V，揚(yáng)程：86 m，流量：101 m3/h；井下-107 m涌水通過4臺(tái)離心泵集中排至-60 m水倉(cāng)，-57 m水倉(cāng)里的水通過3臺(tái)高壓泵（360 kW）將水排到90 m水倉(cāng)，經(jīng)沉淀處理后，部分用于井下采礦生產(chǎn)用水，多余部分排至選礦生產(chǎn)大塘（此水是作為循環(huán)水使用），目前-107 m水泵的啟動(dòng)方式為現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)按鈕控制，我礦打算將-107 m水泵房決定進(jìn)行自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)水泵自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制。

2　改造想法

要求對(duì)該泵站水泵及其附屬的設(shè)備等裝置實(shí)施PLC自動(dòng)控制及運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)，動(dòng)態(tài)顯示，并將數(shù)據(jù)傳送到“六大系統(tǒng)”監(jiān)控室，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及報(bào)警顯示。系統(tǒng)通過檢測(cè)水倉(cāng)水位和其它參數(shù)，控制水泵輪流工作與適時(shí)啟動(dòng)備用泵，合理調(diào)度水泵運(yùn)行，系統(tǒng)通過上位機(jī)以圖形、圖像、數(shù)據(jù)、文字等方式，直觀、形象、實(shí)時(shí)地反映系統(tǒng)工作狀態(tài)以及水倉(cāng)水位、通過通訊模塊與監(jiān)控主機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。要求系統(tǒng)必須具有運(yùn)行可靠、操作方便、自動(dòng)化程度高、能夠遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制的目的，并能節(jié)省水泵的運(yùn)行費(fèi)用。

3　改造目標(biāo)及要求

3.1要求-107 m水泵實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制，能在地表“六大系統(tǒng)”控制室遠(yuǎn)程啟停水泵，地表控制站與-107 m井下水泵房控制站之間利用現(xiàn)有的“六大系統(tǒng)”網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，

3.2水泵啟停和運(yùn)行信號(hào)用控制電纜送到-57 m水泵房，控制電纜長(zhǎng)350 m。在-57 m泵房?jī)?nèi)部制作安裝一個(gè)信號(hào)箱，信號(hào)箱要求有啟、停聲光報(bào)警和運(yùn)行指示功能。

3.3采用真空引水箱保持泵體內(nèi)始終充滿水，泵啟動(dòng)時(shí)無需再灌引水或抽真空。

3.4有底閥式排水改為無底閥式排水。

3.5制作水位標(biāo)尺，安裝于水倉(cāng)中，并安裝網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和投光燈，將標(biāo)尺水位畫面?zhèn)魉偷健傲笙到y(tǒng)”監(jiān)控室。

4　水泵自動(dòng)控制的系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳感器檢測(cè)子系統(tǒng)、前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、機(jī)房數(shù)據(jù)監(jiān)視與設(shè)備控制子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)組成。

4.1現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳感器檢測(cè)子系統(tǒng)

電量傳感器（監(jiān)測(cè)電壓、電流等數(shù)據(jù)）、閥門開閉傳感器和水倉(cāng)液位傳感器（實(shí)時(shí)采集水倉(cāng)液位高度）等組成，所有變送器均經(jīng)過防水處理，確保使用壽命長(zhǎng)、數(shù)據(jù)采集變換精度高、信號(hào)輸出穩(wěn)定。

4.2前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)各種傳感器檢測(cè)的參數(shù)數(shù)據(jù)傳送到上位工控機(jī)和PLC模塊，PLC與監(jiān)控間采用以太網(wǎng)通訊。

4.3機(jī)房數(shù)據(jù)與設(shè)備控制子系統(tǒng)

主要由PLC、電動(dòng)閥門、現(xiàn)場(chǎng)控制箱等組成。負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行本地顯示、超限報(bào)警、分析處理等操作；同時(shí)將機(jī)房或地表監(jiān)控室發(fā)來的控制命令下達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備，進(jìn)行設(shè)備控制操作。泵房設(shè)有獨(dú)立PLC控制柜，分別通過網(wǎng)線和光纖與泵房值班室和地表監(jiān)控交換信息。每臺(tái)水泵都要有一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)控制柜或箱，具有就地/遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換功能，有一套手動(dòng)連鎖控制回路，保障緊急情況使用。

4.4遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

負(fù)責(zé)將機(jī)房數(shù)據(jù)與設(shè)備控制子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)通過光纜上傳到監(jiān)控室，以便遠(yuǎn)程監(jiān)控。

5　系統(tǒng)功能

5.1為了防止因備用泵及其電氣設(shè)備或備用管路長(zhǎng)期不用而使電機(jī)和電氣設(shè)備受潮或其他故障未經(jīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作泵出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵時(shí)，而不能及時(shí)投入以至影響礦井安全，系統(tǒng)程序必須設(shè)計(jì)啟動(dòng)水泵為自動(dòng)輪換工作控制，控制程序?qū)⑺脝⑼４螖?shù)及運(yùn)行時(shí)間及流量等參數(shù)自動(dòng)記錄并累計(jì)，系統(tǒng)根據(jù)這些運(yùn)行參數(shù)按一定順序自動(dòng)啟停水泵，當(dāng)某臺(tái)泵或所屬閥門故障、系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，并在上位機(jī)上動(dòng)態(tài)閃爍顯示，記錄事故，同時(shí)將故障泵自動(dòng)退出輪換工作，其余各泵繼續(xù)按一定順序自動(dòng)輪換工作，延長(zhǎng)水泵的使用壽命。

5.2系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷和供電部門所規(guī)定的平段、谷段、峰段供電電價(jià)時(shí)間段，以“避峰填谷”原則確定開、停水泵時(shí)間，從而合理地利用電網(wǎng)信息，節(jié)約水泵運(yùn)行費(fèi)用。

5.3PLC自動(dòng)檢測(cè)水位信號(hào)，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，自動(dòng)投入和退出水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，合理地調(diào)度水泵運(yùn)行。

5.4系統(tǒng)通過圖形動(dòng)態(tài)顯示水泵、電動(dòng)閥和電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，采用改變圖形顏色和閃爍功能進(jìn)行事故報(bào)警。直觀地顯示電動(dòng)閥的開閉位置，實(shí)時(shí)顯示水泵流量情況和壓力值。

用圖形填充以及趨勢(shì)圖、棒狀圖和數(shù)字形式準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地顯示水倉(cāng)水位，并在啟停水泵的水位段發(fā)出預(yù)告信號(hào)和低段、超低段、高段、超高段水位分段報(bào)警，用不同音響形式中控室人員注意。在上位機(jī)上動(dòng)態(tài)監(jiān)控水泵及其附屬設(shè)備的運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)顯示水位、流量、壓力、溫度、電流、電壓等參數(shù)，超限報(bào)警，故障畫面自動(dòng)彈出，故障點(diǎn)自動(dòng)閃爍。要有故障記錄，歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。水泵房動(dòng)態(tài)模擬動(dòng)態(tài)顯示。

5.5系統(tǒng)通訊接口功能，PLC可同時(shí)與上位機(jī)及監(jiān)測(cè)監(jiān)控主機(jī)通訊，傳送數(shù)據(jù)，交換信息，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控、遙信功能PLC通過通訊接口和通訊協(xié)議，與上位機(jī)進(jìn)行全雙工通訊，將水泵機(jī)組的工作狀態(tài)與運(yùn)行參數(shù)傳至上位機(jī)，完成各數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示；同時(shí)，操作人員也可利用上位機(jī)將操作指令傳至PLC，控制水泵運(yùn)行。PLC同時(shí)將水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)傳至地面監(jiān)控室，管理人員在地面即可掌握井下主排水系統(tǒng)設(shè)備的所有檢測(cè)數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，又可根據(jù)自動(dòng)化控制信息，實(shí)現(xiàn)井下主排水系統(tǒng)的遙測(cè)、遙控、遙信，并為公司領(lǐng)導(dǎo)提供生產(chǎn)決策信息。上位機(jī)與監(jiān)測(cè)監(jiān)控主機(jī)均可動(dòng)態(tài)顯示主排水系統(tǒng)運(yùn)行的模擬圖、運(yùn)行參數(shù)圖表，記錄系統(tǒng)運(yùn)行和故障數(shù)據(jù)，并顯示故障點(diǎn)以提醒操作人員注意。

6　系統(tǒng)保護(hù)功能

6.1超溫保護(hù)

水泵長(zhǎng)期運(yùn)行，當(dāng)軸承溫度或定子溫度超出允許值時(shí)，通過溫度保護(hù)裝置及PLC實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警

6.2流量保護(hù)

當(dāng)水泵啟動(dòng)后或正常運(yùn)行時(shí)，如流量達(dá)不到正常值，通過流量保護(hù)裝置使本臺(tái)水泵停車，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為啟動(dòng)另一臺(tái)水泵。

6.3電動(dòng)閥門故障

監(jiān)視閘閥限位檢測(cè)，并參與水泵的聯(lián)鎖控制。

6.4壓力故障

主管路和泵出口壓力檢測(cè)。

6.5振動(dòng)保護(hù)

對(duì)設(shè)備振動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。

7　改造過程中的遇到問題及解決

7.1水泵啟動(dòng)過程中灌引水的解決

井下水泵都為有底閥排水，起動(dòng)前必須向泵內(nèi)灌注引水，在啟動(dòng)過程中，通過人工灌引注水辦法，使水泵處于真空狀態(tài)，然后才能啟動(dòng)水泵，可是實(shí)行自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制中，沒有人工來灌引注水，怎樣使水泵起來，我們首先考慮采用射流水泵的辦法抽真空，可是我們是井下礦山，井下排的是污水，含油、堿等各種廢棄物等，水泵盤根等損壞嚴(yán)重，水泵密封不好，密封螺絲上銹腐蝕嚴(yán)重漏水、滴水。如果采用射流泵的方案，則對(duì)水泵的密封要求很嚴(yán)格，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，我們沒辦法做到水泵嚴(yán)格密封性能，我們井下共4臺(tái)排水泵，每臺(tái)都需要射流泵抽真空，現(xiàn)場(chǎng)沒有位置安裝，且投資維護(hù)量都很大，我們經(jīng)過考察計(jì)算，可以制作一個(gè)不銹鋼真空引水箱保持泵體內(nèi)始終充滿水，泵啟動(dòng)時(shí)無需再灌引水或抽真空；真空引水箱上配置小型潛水泵、電磁閥和水位計(jì)，用來為水箱補(bǔ)水。水泵啟動(dòng)前，首先檢測(cè)水箱內(nèi)是否缺水。當(dāng)真空引水箱缺水時(shí)，先為水箱補(bǔ)充水，然后才能啟動(dòng)水泵，順利解決水泵啟動(dòng)之前的抽真空問題。

7.2真空引水箱補(bǔ)滿水的檢測(cè)

因?yàn)槲业V井下排水都是污水，含油、堿具有腐蝕性，無法保證排水泵密封性能，有跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，因此真空引水箱里面的水會(huì)損失，根據(jù)國(guó)家對(duì)井下礦山安全的管理規(guī)定，井下水泵排水都是有很大富余量，正常情況下水泵每天只要開5 h就滿足排水生產(chǎn)要求，所以每次啟動(dòng)排水泵都要為真空引水箱補(bǔ)水，但是怎樣檢測(cè)真空引水箱補(bǔ)滿水，就成了擺在我們面前一道難題，開始我們想到用水浮開關(guān)，水滿接點(diǎn)斷開，可是井下太潮濕又腐蝕，接點(diǎn)經(jīng)常銹蝕損壞，沒辦法我們購(gòu)買一體的水流開關(guān)檢測(cè)水流，但是水流開關(guān)必須要水流動(dòng)速度很大，水流開關(guān)才動(dòng)作，那么真空引水箱補(bǔ)水泵要開很長(zhǎng)時(shí)間，有時(shí)我們看到補(bǔ)滿，但是水流開關(guān)就是不動(dòng)作，還要補(bǔ)水泵還要開一段時(shí)間才動(dòng)作，且水流開關(guān)經(jīng)常損壞，可能水流開關(guān)對(duì)干凈自來水效果好壽命長(zhǎng)，最后在真空引水箱上面裝一個(gè)引水管對(duì)著井下水倉(cāng)，裝一個(gè)高清攝像頭，攝像畫面通過“六大系統(tǒng)”光纖接到中控室，只要引水管一出水，表示水箱補(bǔ)滿水，真空引水箱補(bǔ)滿水的檢測(cè)問題得到解決。

7.3井下水倉(cāng)水位的檢測(cè)

井下水倉(cāng)水位的檢測(cè)很重要，采用水位計(jì)檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)效果不好，不準(zhǔn)，還經(jīng)常損壞，因?yàn)榫率俏鬯€有漂浮物，接觸式水位計(jì)都不好，改為雷達(dá)水位計(jì)雷達(dá)反射，非接觸式的，但是和實(shí)際顯示有誤差，不準(zhǔn)，要定期校準(zhǔn)，校準(zhǔn)工作量人要下到水倉(cāng)中校準(zhǔn)，工作量大，于是改為制作水位標(biāo)尺，安裝于水倉(cāng)中，并安裝網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和投光燈，將標(biāo)尺水位畫面?zhèn)魉偷健傲笙到y(tǒng)”監(jiān)控室。20天左右在中控室畫面上對(duì)著水位標(biāo)尺，看看雷達(dá)水位儀誤差情況，在監(jiān)控軟件中將水位計(jì)算系數(shù)修改一下即可，很簡(jiǎn)單，此問題順利解決。

8　結(jié)束語(yǔ)

我礦對(duì)井下水泵的遠(yuǎn)程啟停已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但是和井下水泵無人職守自動(dòng)化控制還是有一段距離，如何延長(zhǎng)各種檢測(cè)元器件在井下潮濕、腐蝕氣體環(huán)境壽命是下一步考慮問題。礦井下還有很多設(shè)備的運(yùn)程控制可以利用“六大系統(tǒng)”網(wǎng)絡(luò)光纖進(jìn)行自動(dòng)化控制，達(dá)到節(jié)約人員成本目的，現(xiàn)在國(guó)家對(duì)井下礦山安全要求的加強(qiáng)，井下礦山必須建立“六大系統(tǒng)”，在考慮建設(shè)“六大系統(tǒng)”同時(shí)可以同步考慮利用“六大系統(tǒng)”網(wǎng)絡(luò)光纖對(duì)井下水泵、風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程控制，達(dá)到節(jié)約人員成本的目標(biāo)。

作者簡(jiǎn)介：彭如斌(1976-),男,2010年畢業(yè)于安徽工程大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè),工程師,現(xiàn)從事電氣技術(shù)管理工作。

收稿日期:2014- 12- 11

【中圖分類號(hào)】TH3

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【文章編號(hào)】1006-6764（2015）04-0061-03