井下排水自動系統(tǒng)設計

吳義虎

1 概述

1.1 井下排水自動化系統(tǒng)的重要性

排水系統(tǒng)作為礦山生產(chǎn)的八大系統(tǒng)之一是我們礦山企業(yè)安全生產(chǎn)的有力保障。目前國內(nèi)的礦山井下排水系統(tǒng)的自動化水平還不是很高，制約著礦山生產(chǎn)的安全性和高效性。本文提及的礦井泵房PLC自動化系統(tǒng)能解決這些突出存在的問題。

2011年來由發(fā)改委、電監(jiān)會聯(lián)合出臺的《電力需求側(cè)管理辦法》，對用電企業(yè)采取分時計價繳納電費，其中峰谷用電價差明顯。根據(jù)不完全統(tǒng)計，井下排水所需要的用電量占礦山在生產(chǎn)中的總電能耗的17.9%-42.8%。因此，面對資源品質(zhì)不高的礦山企業(yè)，井下排水系統(tǒng)的成本效益也逐漸引起了廣泛關(guān)注。

傳統(tǒng)排水系統(tǒng)選擇的井下水泵能耗高，啟動頻繁，選型的水泵在啟動前吸水管路的充水，通常采用是抽真空吸水的方法來實現(xiàn)的。而且大多數(shù)都采用老式繼電器的控制方法，在實際操作過程中工作人員需要目視信號判斷檢測后，再啟停排水系統(tǒng)。選用此類控制方式線路設計相對比較復雜，設備運行的可靠性也不高，工人操作較繁瑣，對設備的磨損和能耗都影響很大，不適應礦山發(fā)展的需要。

本設計選用西門子S7-300系列PLC以及水位、壓力、流量等傳感器來實現(xiàn)井下自動排水控制，可根據(jù)井下水量大小以及“避峰就谷”原則來選擇開動水泵的臺數(shù)，達到節(jié)約能源和減少排水成本的目的。為了確保井下排水的安全性和穩(wěn)定性，設計選擇主、備雙排水設計，其中排水泵和排水管線均采用“自動輪換”機制，避免了設備磨損和井下環(huán)境潮濕等因素對系統(tǒng)的影響，來實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的控制功能。

1.2 現(xiàn)場基本情況

2 礦井下排水系統(tǒng)組成概況

2.1 離心式水泵工作原理

井下排水系統(tǒng)使用的水泵種類繁多，我們設計選用普通的離心排水泵，此類水泵主要由起動設備、電動機、離心式水泵、管路、管路附件及監(jiān)測儀表等組成。如圖1所示。

2.2 離心式水泵的啟停過程

2.2.1 離心式水泵的啟動過程

系統(tǒng)先通過水位傳感器監(jiān)測到水倉水位高度，當水位到達設定值時，PLC將發(fā)送數(shù)字開信號給射流泵電磁閥，通過射流泵為離心泵泵體注水。當水泵入口處的真空變化時，配水設施中的水會注入到離心水泵的腔體中直至注滿，當水泵入口處的真空度達到要求后，接通水泵機組中的電動機觸點來開啟水泵。電機啟動后，水泵出口壓力會慢慢增加。當達到某一數(shù)值后將不再增加，在滿足預先設定的壓力值后，為水泵開啟其出口處的電動閥門，水泵機組于是進行排水。同時，關(guān)閉射流泵，停止為其引水。

2.2.2 離心式水泵的停機過程

水倉在水泵排水的作用下水位逐漸下降，當達到設定水位時，先關(guān)閉排水管的閘閥，防止排水管中井水倒流，隨即關(guān)閉水泵電機，并停止其他排水工作。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 可編程控制技術(shù)

3.1.1 PLC的主要特點

1）PLC（ Programmable Logic Controller）即可編程邏輯控制器特點

（1）靈活，通用。

（2）抗干擾，運行可靠性高。

（3）編程簡單，使用方便。

（4）接線簡單。PLC只需將數(shù)字、模擬輸入輸出設備與其相應端子聯(lián)接接線，工作量較小。

（5）功能強大。

2）PLC的主要功能

PLC是現(xiàn)今應用面最廣的自動化控制設備之一。PLC技術(shù)發(fā)展非常迅速，其在自動化領(lǐng)域和計算機集成制造過程中都占有極高的地位。如今PLC的系列功能，不僅是替代傳統(tǒng)的繼電器邏輯功能，還包括了一些復雜的順序控制和邏輯運算。

3.1.2 PLC的基本工作原理

PLC運行工作時，內(nèi)部需要進行系列的驗證和運算操作，過程大致分為四種類型：其中公共操作包括以故障診斷、通信處理為主，聯(lián)系工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)字模擬信號的輸入和輸出操作，執(zhí)行各用戶已經(jīng)設定的程序操作，以及對外部設備的中間操作，例如：外部設備的中斷請求。控制過程示意圖如圖2所示。

3.2 PLC控制系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)由現(xiàn)場檢測儀表、觸摸裝置、可編程控制器及其輸入輸出模塊和執(zhí)行設備等部分組成，其工作結(jié)構(gòu)連接如圖3所示。

3.2.1 控制系統(tǒng)的輸入/輸出點數(shù)統(tǒng)計

通過粗略統(tǒng)計，該系統(tǒng)需要添加模擬量輸入通道需要49路，數(shù)字輸出34路，數(shù)字輸入50路，分配情況見表1，表2，表3。

3.3 軟件流程圖

從現(xiàn)場實際情況和系統(tǒng)設計功能分析，系統(tǒng)的軟件流程圖繪制如圖4：

從上圖4中可以看到，在系統(tǒng)通電啟動后，首先PLC與觸摸裝置和上位機通訊，然后系統(tǒng)進行現(xiàn)場設備的模擬量數(shù)值和數(shù)字量分析，開始系統(tǒng)自檢與門處理程序。在現(xiàn)場控制柜上的切換旋鈕選擇遠程自動、就地自動和手動三種運行方式來進行相應操作。如果控制旋鈕切換到PLC遠程自動運行方式，則PLC按程序制定的流程順序執(zhí)行。程序?qū)⒆詣油瓿膳潘ぷ饕约白詣虞啌Q，如遇故障，系統(tǒng)報警并停止?？刂菩o切換至半自動運行方式，那么操作人員此時可以在觸摸屏上選擇水泵投入工作，PLC則按照水泵的序號自動完成啟動，運行和停止。切換按鈕切換至手動方式，則PLC不參與過程控制，由操作人員手動逐一操作整個系統(tǒng)的設備運行。

4 結(jié)束語

經(jīng)濟效益：礦山井下自動排水系統(tǒng)，有效地解決了礦山人員和電力投入費用，達到了減員增效和節(jié)能降耗的目的?！氨芊鍝窆取狈謺r開停泵實現(xiàn)了經(jīng)濟運行，每年節(jié)省的電費也很可觀，經(jīng)濟效益尤為顯著。

社會效益：

1）井下排水泵房基本做到了無人值守運行，保障了井下職工的人身安全和勞動效率。

2）自動化的應用也大大提升了現(xiàn)代化礦山信息化管理的水平。

[責任編輯：朱麗娜]