基于PLC技術(shù)的礦井水泵房自動排水系統(tǒng)設(shè)計

劉保東劉 霖

(1.開灤(集團)有限責(zé)任公司唐山礦業(yè)分公司,河北省唐山市,063000; 2.鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院,河南省鄭州市,450001)

基于PLC技術(shù)的礦井水泵房自動排水系統(tǒng)設(shè)計

劉保東1劉 霖2

(1.開灤(集團)有限責(zé)任公司唐山礦業(yè)分公司,河北省唐山市,063000; 2.鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院,河南省鄭州市,450001)

針對唐山礦排水系統(tǒng)自動化水平低、耗能高以及應(yīng)急能力差等問題,以S7－300及其擴展組建的控制體系為系統(tǒng)核心,設(shè)計了以節(jié)能降耗和安全排水為主要目的的礦井自動化排水系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)控制要求,介紹了系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn)和系統(tǒng)故障防護,最后闡述了系統(tǒng)運行效益。實際應(yīng)用表明,系統(tǒng)通過對泵房最大涌水量、水倉水位變化以及設(shè)備狀態(tài)等系統(tǒng)模擬量的采集與處理,實現(xiàn)了對水泵自動切換和安全排水的控制。

PLC 礦井水泵房 自動排水系統(tǒng) 安全節(jié)能

開灤(集團)有限責(zé)任公司唐山礦業(yè)分公司(以下簡稱唐山礦)現(xiàn)有主排水泵房5個,分布在A區(qū)的902水泵房、11水平水泵房和12水平水泵房以及B區(qū)的705水泵房和905水泵房。其中902水泵房負責(zé)將9水平涌水直接排至地面,屬于直接排水方式;12水泵房負責(zé)將A區(qū)12水平涌水排至11水平水倉,11水平水泵房負責(zé)將A區(qū)11水平和12水平涌水排至地面,905水泵房負責(zé)將B區(qū)13水平和14水平涌水排至707水倉,705水泵房負責(zé)將B區(qū)12水平、13水平和14水平涌水排至地面,905水泵房、705水泵房、12水平水泵房以及11水平水泵房屬于分段排水方式。

隨著礦井開采的不斷加深,排水功率也不斷加大,目前排水電機功率可達1600 k W,排水系統(tǒng)長期處于持續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài),功率高、管路復(fù)雜、生產(chǎn)設(shè)備更新較慢以及系統(tǒng)效率較低直接給礦井安全造成威脅。另外,傳統(tǒng)排水自動化水平較低,人工需求大,目前水泵司機在冊人數(shù)已經(jīng)不能滿足泵房正常運轉(zhuǎn)的需要,多方面因素致使排水成本居高不下。因此,設(shè)計一套安全可靠以及節(jié)能降耗的自動化排水系統(tǒng)顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)控制要求

唐山礦A區(qū)12水平的正常涌水量為1.27 m3/min,最大涌水量為1.72 m3/min,水泵的額定流量為4.67 m3/min,所以12水平水泵房為工作泵1臺,備用泵1臺,檢修泵2臺。綜合12水平排水系統(tǒng)的特點和功能要求,一套安全且高效的控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能:

(1)滿足泵房實際運行中的監(jiān)視、控制和操作功能。自動化系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集、分析和傳輸設(shè)備運行參數(shù),能夠定期對各個設(shè)備的檢測數(shù)據(jù)進行采集和分析,方便檢測設(shè)備的運行狀態(tài)以及數(shù)據(jù)的歸檔記錄。具有遠程數(shù)據(jù)傳輸功能,可以將關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸至中心調(diào)度,以便實現(xiàn)泵房的綜合管理和遠程調(diào)度,檢測和分析泵房各個控制點的參數(shù)。監(jiān)控畫面必須實時顯示主要設(shè)備的運行狀況,同時能夠?qū)崿F(xiàn)運行過程中設(shè)備狀態(tài)分析和事故報警。可根據(jù)不同時期的設(shè)備運行情況設(shè)定各個參數(shù)的上、下限值,提高自動化系統(tǒng)監(jiān)控功能的靈活性和實效性。自動化系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)操作遠方、就地的兩地選擇性,并根據(jù)實際運行情況選擇在遠方或就地位置對設(shè)備進行操作。

(2)實現(xiàn)泵房的躲峰填谷。將一天的用電時間劃分為峰段和谷段,在峰段時間盡可能的不啟動或少啟動水泵,避免對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊,充分利用水倉的有效容積進行蓄水;在谷段時間統(tǒng)籌啟動水泵進行集中排水。谷段時,實現(xiàn)輪流啟動水泵排水,根據(jù)水位信號停止水泵。峰段時,通過程序控制確保泵房排水安全的前提下,盡量避免頻繁啟停水泵,造成水泵壽命的縮短及電能的浪費。

2 系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)組成

本系統(tǒng)主要由礦用隔爆兼本安型可編程控制器(PLC)、本安型控制顯示臺、本安型液晶顯示屏和各種傳感器及電動球閥組成?？删幊炭刂破魇蔷驴刂频暮诵脑O(shè)備,需要完成對井下實時數(shù)據(jù)信息的收集、分析和控制,同時與地面上位機進行信息通訊,將井下數(shù)據(jù)傳遞到地面顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖

2.2 系統(tǒng)硬件連接

本系統(tǒng)中央處理單元選用的是西門子S7－300 PLC。S7－300是模塊化的PLC系統(tǒng),提供了多種性能遞增的CPU和豐富的I/O擴展模塊,增加了系統(tǒng)擴展的靈活性。系統(tǒng)硬件連接示意圖如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及接口

本系統(tǒng)擁有ProfiBUS－DP通訊、以太網(wǎng)通訊和MODBUS通訊3種通訊接口,其中防爆箱中CPU上集成的ProfiBUS－DP通訊接口作為主站與各個就地箱中的遠程I/O模塊進行ProfiBUSDP通訊,防爆箱中的MODBUS－DP模塊和流量采集箱中的流量模塊進行MODBUS通訊,防爆箱中的交換機通過雙絞線與井下礦方交換機進行連接,井下PLC上的以太網(wǎng)模塊以及井上監(jiān)控室的兩臺工控機通過RJ45接口分別連接到交換機上,通過以太網(wǎng)進行通訊。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

主程序設(shè)計以水位變化為主,結(jié)合躲峰填谷,在安全排水的前提下實現(xiàn)排水系統(tǒng)的整體節(jié)能降耗。泵房每天實際泵點大約5～6個,而且24 h涌水量相對穩(wěn)定,根據(jù)泵房的這一特點,每天設(shè)定4個排水時間段,每段大約排水1.5 h。為了保證排水系統(tǒng)的安全運行,在非排水時間段內(nèi)實時監(jiān)測水倉水位變化,在到達設(shè)定危險水位時,優(yōu)于時間設(shè)定選擇開起水泵。主程序流程示意圖如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)硬件連接示意圖

圖3 主程序流程示意圖

3 系統(tǒng)故障防護

12水平泵房自動化排水系統(tǒng)可實現(xiàn)對水泵啟、停的自動控制,過程的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測以及故障防護。實時監(jiān)測過程中控制系統(tǒng)對水倉水位、流量、壓力、溫度、真空度以及各種閥門的狀態(tài)量等實時參數(shù)進行在線監(jiān)測,不斷通過CPU進行運算處理和實時融合,運用模糊理論得出最終結(jié)果,從而對排水設(shè)備進行可靠的保護。

4 系統(tǒng)運行效益

12水平泵房自動化改造自2015年3月開始,歷時3個月改造完成,截至2016年10月已運行1年4個月,真正實現(xiàn)了泵房的無人值守,也為唐山礦帶來了可觀的社會和經(jīng)濟效益:

(1)降低事故率。實現(xiàn)自動化排水以后,不需要人工操作,減少了人為事故,降低了泵房事故率。

(2)積累經(jīng)驗。本次泵房自動化改造這一成功案例,順應(yīng)了唐山礦科技興礦的需要,為后續(xù)的自動化改造提供了成功的經(jīng)驗。

(3)減少崗位操作人員。在實現(xiàn)自動化排水之前每天主要有2班、每班2個司機進行手動操作,在減少崗位操作人員方面,按節(jié)約4名司機計算,每年大約節(jié)約工資為:司機人數(shù)×司機月工資×12＝4×3600×12＝172800元。

(4)實現(xiàn)無高峰段排水,節(jié)省電費。實現(xiàn)泵房自動化以后,由PLC控制代替人工操作,排水時間嚴格按照躲峰填谷執(zhí)行,每天可減少高峰泵點0.5 h,目前峰段電費為0.7739元/k Wh,谷段電費0.3250元/k Wh,每年節(jié)約電費約為:每天節(jié)約電費×365 d＝0.5 h× (0.7739～0.3250)元/k Wh×150 k W×365 d＝12288.64元。

[1] 武強,劉伏昌,李鐸.礦山環(huán)境研究理論與實踐[M].北京:地質(zhì)出版社,2005

[2] 史麗萍,劉志遠,梁經(jīng)宛等.礦井排水智能控制方法[J].煤礦安全,2012(1)

[3] 劉華波,何文雪,王雪.西門子S7－300/400 PLC編程與應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010

[4] 寇彥飛,楊潔明,寇子明.基于安全節(jié)能的礦井自動化排水控制系統(tǒng)設(shè)計[J].煤炭工程,2016(1)

[5] 肖利平.基于PLC技術(shù)的煤礦井下帶式輸送自動控制系統(tǒng)的研究[J].中國煤炭,2014(5)

Design of automatic drainage system of mine water pump room based on PLC technology

Liu Baodong1,Liu Lin2
(1.Tangshan Mining Branch Company,Kailuan Group Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063000,China; 2.School of Electrical Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou,Henan 450001,China)

Aiming at the problem of mine drainage system＇s low automatic level,high energy consumption and poor emergency response capability of Tangshan Mine,taking control system that made up of S7－300 and its extension as the core,a mine automatic drainage system with main purpose of energy-saving and cost-reducing was designed.The system control demand was analyzed and the realization of system control functions and system emergency protection were introduced,and then the running benefits were elaborated.The practical application results showed that the system could control the water pump＇s automatic switchover and safe water-repellent via collecting and processing system analog quantities such as pump room＇s maximum water inflow, water sump＇s water level change,equipment status and so on.

PLC,mine water pump room,automatic drainage system,safety and energysaving

TD744

B

劉保東(1968－),男,河北遷西人,開灤(集團)唐山礦業(yè)分公司機電科科長,高級工程師,工程碩士,主要從事礦井機電方向的研究。

(責(zé)任編輯 路 強)

劉保東,劉霖.基于PLC技術(shù)的礦井水泵房自動排水系統(tǒng)設(shè)計[J].中國煤炭,2017,43(1):79－81,93. Liu Baodong,Liu Lin.Design of automatic drainage system of mine water pump room based on PLC technology[J] .China Coal,2017,43(1):79－81,93.