主排水泵房自動(dòng)控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

李向陽

摘 要：針對(duì)目前煤礦井下主排水系統(tǒng)仍多采用繼電器控制，水泵的開停及選擇切換均由人工完成，隨著礦井自動(dòng)化建設(shè)平臺(tái)的搭建，我礦主排水實(shí)施了自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)了井下排水無人操作、自動(dòng)排水，同時(shí)兼?zhèn)溥h(yuǎn)程操作和監(jiān)控功能，并根據(jù)避峰就谷的原則達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

關(guān)鍵詞：排水自動(dòng)化；遠(yuǎn)程控制；節(jié)能降耗

中圖分類號(hào)：TD744 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）01-0047-01

1 主排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

二礦現(xiàn)有-130泵房、-280泵房、-450泵房、-700泵房4個(gè)主排水泵房。此前，除了-130泵房、-280泵房能夠基本實(shí)現(xiàn)水泵集中控制之外，-450泵房、-700泵房由于建設(shè)較晚，尚未實(shí)現(xiàn)水泵的集中控制。-2015年6月，經(jīng)過前期的充分論證后，二礦開始對(duì)井下主排水泵房進(jìn)行改造，構(gòu)建主排水泵房自動(dòng)控制系統(tǒng)。改造前，-130泵房、-280泵房已能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化排水，-450泵房和-700泵房由于建設(shè)較晚尚未實(shí)現(xiàn)泵房的自動(dòng)化控制。此次改造主要是在-450泵房和-700泵房安裝水泵集控設(shè)備，完善-130泵房、-280泵房的原有水泵集控系統(tǒng)，從而建立一個(gè)統(tǒng)一集中控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)井下主排水泵房的自動(dòng)化控制，為礦井的安全高產(chǎn)高效奠定基礎(chǔ)。

2 設(shè)計(jì)原理

二礦主排水集控系統(tǒng)充分利用先進(jìn)的PLC控制、傳感器監(jiān)測(cè)、信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)井下水泵排水系統(tǒng)的安全生產(chǎn)調(diào)度指揮的計(jì)算機(jī)化和網(wǎng)絡(luò)化。以“建設(shè)三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系”和“實(shí)現(xiàn)管控一體化”為目標(biāo)，建立對(duì)水泵排水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、控制、管理一體化的、基于網(wǎng)絡(luò)的大型開放式分布控制系統(tǒng)，形成井下水泵排水系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的過程控制自動(dòng)化、數(shù)據(jù)分析智能化，將井下水泵的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、控制方式從原先的井下集中于調(diào)度指揮集控中心，通過對(duì)井下水泵排水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)集中控制、集中調(diào)度、集中指揮[1]。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)模擬顯示主排水系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài)，如：排水壓力、排水流量、水泵真空度、閥門開度等?？蓪?shí)時(shí)顯示各設(shè)備的故障信息，能夠盡量避免因操作失誤而導(dǎo)致的設(shè)備損壞。且當(dāng)故障發(fā)生后，系統(tǒng)能夠自動(dòng)切除故障，并按故障級(jí)別分別發(fā)出相應(yīng)報(bào)警，將故障影響時(shí)間縮短到最小，大大提升主排水系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。（2）實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵開停的集中控制，具備多種開泵方式。每臺(tái)水泵具有“就地手動(dòng)控制、就地自動(dòng)控制、就地閉鎖、遠(yuǎn)程手動(dòng)、遠(yuǎn)程自動(dòng)、遠(yuǎn)程全自動(dòng)控制”多種工作方式。即能夠?qū)崿F(xiàn)水泵地面集中控制、水泵的自主自動(dòng)化開?？刂啤⑺矛F(xiàn)場(chǎng)的手動(dòng)控制、水泵現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)狀態(tài)下的控制，具有較高的可靠性。（3）具有較強(qiáng)的組網(wǎng)能力。系統(tǒng)采用西門子PLC，控制能力強(qiáng)、靈活度高且具有較好的可擴(kuò)展性。系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以方便地滿足各種應(yīng)用類型和應(yīng)用規(guī)模的需要，不但可以滿足當(dāng)前系統(tǒng)應(yīng)用的需要，還可以在將來需要的時(shí)候隨時(shí)方便地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)規(guī)模。上位機(jī)組態(tài)軟件提供了標(biāo)準(zhǔn)的OPC開放接口，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，方便日后接入礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。系統(tǒng)具備現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)整定功能，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況修改參數(shù)：如警戒水位、排水壓力閾值、射流水壓力閾值、峰谷電價(jià)時(shí)間、射流閥與真空閥的啟動(dòng)間隔時(shí)間、水泵開度與水泵啟動(dòng)開停時(shí)間等參數(shù)，具有較好的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性與先進(jìn)性[2]。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)組成

（1）地面自動(dòng)化控制中心。地面監(jiān)控站設(shè)置在集中控制中心，通過工作站對(duì)井下泵房相關(guān)設(shè)施進(jìn)行集控和監(jiān)視。主要設(shè)備、設(shè)施包括工作站、顯示器、不間斷電源、語音報(bào)警裝置等。（2）數(shù)據(jù)傳輸線路。單泵、現(xiàn)場(chǎng)操控及顯示裝置與主控設(shè)備之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)雙向傳輸。主控設(shè)備與礦井機(jī)房及調(diào)度中心通過環(huán)網(wǎng)或光纜實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)雙向傳輸。（3）泵房監(jiān)控單元。泵房監(jiān)控單元由礦用隔爆兼本安型監(jiān)控分站、信號(hào)采集裝置、傳感器等組成，主控制站作為井下控制部分的通信核心，完成分站監(jiān)控信息與地面控制中心的監(jiān)控信息交互傳遞。同時(shí)，通過在現(xiàn)場(chǎng)的操作顯示屏，為井下巡檢人員提供整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；（2）數(shù)據(jù)采集與檢測(cè)。系統(tǒng)采集與檢測(cè)數(shù)據(jù)：模擬量為電機(jī)電流、電機(jī)溫度、水泵軸溫、閘閥開度、出水口壓力、水倉水位、排水管流量、真空度；數(shù)字量有：電動(dòng)閘閥的開關(guān)限位、電磁閥狀態(tài)、電機(jī)運(yùn)行返回、電機(jī)故障點(diǎn)、電動(dòng)閥的工作狀態(tài)與開關(guān)限位、射流泵工作狀態(tài)。

4.3 KXJ660礦用隔爆兼本安型可編程控制器

礦用隔爆兼本安型可編程控制器是一種新型的監(jiān)控設(shè)備，可用于煤礦井下有瓦斯煤塵爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所，作為各種設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、控制裝置，也可作為冶金礦山、露天煤礦、港口碼頭、選煤廠、發(fā)電廠等惡劣環(huán)境中的監(jiān)測(cè)控制裝置。利用本產(chǎn)品可以通過開關(guān)量輸入接口、模擬量輸入接口將現(xiàn)場(chǎng)不同用途的開關(guān)量信號(hào)和傳感器的模擬量信號(hào)取入，經(jīng)過可編程可編程控制器內(nèi)部程序的處理和邏輯運(yùn)算，將控制信息用開關(guān)量輸出接口輸出，控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的開停，同時(shí)將必要的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)[3]。

性能指標(biāo)：（1）額定輸入電壓：AC660/127V；輸入功率：不大于100VA；（2）本安開關(guān)量輸入：16路接點(diǎn)型開關(guān)量信號(hào)輸入；（3）開關(guān)量輸出（非本安）：16路接點(diǎn)型開關(guān)量信號(hào)輸出；（4）本安模擬量輸入：8路電流信號(hào)輸入；（5）按鈕：5個(gè)鍵，分別對(duì)應(yīng)啟動(dòng)、停止，3個(gè)備用；（6）指示燈：6個(gè)指示燈，分別對(duì)應(yīng)啟動(dòng)指示燈、停止指示燈，4個(gè)備用。

4.4 自動(dòng)控制功能

系統(tǒng)根據(jù)工況設(shè)定，以及時(shí)間、水位、煤礦用電負(fù)荷等參數(shù)自動(dòng)開啟、停止水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)、并能實(shí)現(xiàn)泵閥的聯(lián)鎖起動(dòng)，對(duì)運(yùn)行中的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，通過接口向上傳送數(shù)據(jù)。

5 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

二礦主排水集控系統(tǒng)綜合利用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、PLC控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了井下水泵排水系統(tǒng)的集中控制和集中指揮，同時(shí)結(jié)合傳感器檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析加強(qiáng)了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)的投運(yùn)使井下水泵排水系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的聯(lián)系得到加強(qiáng)，做到信息數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)流程，控制系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)、相互融合，實(shí)現(xiàn)了指揮與調(diào)度的數(shù)字化管理，實(shí)時(shí)觀看與生產(chǎn)有關(guān)的各種信息，同時(shí)針對(duì)上位機(jī)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和分析處理，為分析及決策指揮提供實(shí)時(shí)和可靠的手段，系統(tǒng)在提高系統(tǒng)安全可靠性及運(yùn)行效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提升礦井排水保障能力等方面效果明顯。

-130、-280、-450、-700四個(gè)水泵房都已實(shí)現(xiàn)無人值守，啟停水泵可由地面人員統(tǒng)一操作。按照井下各水泵房三班工作制來算，每個(gè)水泵房每班可以節(jié)省2個(gè)人的工資支出，共計(jì)8人，按照井下輔助工年平均工資3500元計(jì)算，每月可節(jié)省支出：8×3×3500=84000元。每年可節(jié)省支出：12×84000=1008000元。地面控制室可以很直觀的看到各個(gè)水倉的水位，實(shí)行“避峰填谷”，調(diào)度各水泵在用電的“谷段”和“平段”時(shí)間段，將水倉的水位排至設(shè)定的低位，以便水倉能夠騰出盡可能大的容積，使其在“峰段”容納更多的礦井涌水而不用啟動(dòng)水泵，降低用電量。按照一個(gè)泵房水泵房開1臺(tái)泵，泵的功率710kw，峰谷差價(jià)0.869元，平均開泵180分鐘計(jì)算：每天可節(jié)約電費(fèi)：710×0.869×3×4=7403.88元。年節(jié)約電費(fèi)7403.88×365=2702416.2元。每年總共節(jié)省支出：1008000+2702416.2=3710416.2元。

參考文獻(xiàn)

[1]晁勤，傅成華，王軍，等.自動(dòng)化控制原理（第三版）[M].重慶大學(xué)出版社，2010.

[2]戴緒愚，張開遜，等.現(xiàn)代高科技叢書——自動(dòng)化技術(shù)[M].上海科技出版社，1994.

[3]王萬良.自動(dòng)控制原理[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.endprint