礦用水泵電控裝置研究與設(shè)計

江國俊

(山西煤炭運銷集團(tuán)保安煤業(yè)有限公司，山西 陽泉 045000)

1 引言

井下排水系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)中四大系統(tǒng)之一，擔(dān)負(fù)著井下積水排除的重要任務(wù)。尤其是一些繼電器控制線路、集成電路板等控制方式，存在著電氣設(shè)備陳舊、線路老化、自動化集成水平低、維修困難等問題，在很大的程度上制約著煤礦的安全、企業(yè)自動化地實現(xiàn)。而且在生產(chǎn)過程中存在著極大的安全隱患等。針對這些現(xiàn)狀，必須進(jìn)行全面的、合理的、規(guī)范的自動化設(shè)計，以徹底消除設(shè)備的安全隱患。網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、信息化已經(jīng)成為大中型煤礦建設(shè)的重要內(nèi)容，隨著可編程控制器(PLC)在工業(yè)中應(yīng)用的越來越廣泛，基于PLC的集中控制系統(tǒng)已經(jīng)成為企業(yè)的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中建設(shè)的亮點。

2 技術(shù)方案

2.1 現(xiàn)場情況

保安礦副井井底車場內(nèi)設(shè)中央水泵房，有內(nèi)、外水倉各一條，水倉實際有效容量為1626m3，水倉配有3臺MD280-65×10型水泵，2趟排水管路DN200，三臺泵罐水管道分別引自主排水管路，罐水管道DN40，閥門、閘門均為手動閥。水泵電機(jī)功率：630KW，6000V；水泵無底閥，采用手動射流泵和潛水泵形式注水，管道及表計均無預(yù)埋探頭。

2.2 系統(tǒng)概述

根據(jù)排水控制方式，在泵房變電所內(nèi)設(shè)置一套排水自動化系統(tǒng)，通過一套礦用隔爆PLC控制箱對各水泵、閘閥、射流泵、球閥等進(jìn)行集中控制，并實時監(jiān)控各設(shè)備運行狀態(tài)、排水壓力、流量、水位、電機(jī)運行狀態(tài)、泵體溫度、閘閥開度、閥門開關(guān)到位狀態(tài)等參數(shù)，并通過井下礦井自動化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控。

在地面監(jiān)控調(diào)度中心設(shè)井下泵房遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)上位機(jī)1臺，具有現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、遠(yuǎn)程操作等功能。監(jiān)控主機(jī)通過以太網(wǎng)，與水泵房的自動化系統(tǒng)PLC主機(jī)進(jìn)行通訊聯(lián)絡(luò)，采集泵房內(nèi)各臺排水泵的運行狀態(tài)、排水系統(tǒng)傳感器信息及相關(guān)的電量信息，泵房設(shè)置彩色低照度高清網(wǎng)絡(luò)攝像儀4臺，通過工業(yè)以太網(wǎng)上傳至地面調(diào)度中心的硬盤錄像機(jī)，硬盤錄像機(jī)對各個泵房監(jiān)控到的畫面進(jìn)行存儲和畫面控制，硬盤錄像機(jī)連接液晶顯示器，從而進(jìn)行實時視頻監(jiān)控。

3 系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 上位機(jī)的設(shè)計

3.1.1 顯示功能

⑴工況圖：動態(tài)顯示井下泵房所有設(shè)備的運行工況，以及水流量的大小和涌水量的大小。

⑵故障及保護(hù)顯示：實時顯示各水泵中傳感器采集的數(shù)據(jù)，對真空度、流量、軸承溫度、水位等故障類型進(jìn)行診斷分析顯示。圖1為上位機(jī)監(jiān)控主界面。

⑶可實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)回顯、歷史趨勢分析，利用直方圖等圖形對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。

3.1.2 控制功能：

根據(jù)水倉水位和礦井整體涌水量及避峰填谷要求，自動控制水泵的開停，效率高的泵為主運行泵，效率低的泵的輪換運行，保持完好即可。

3.1.3 報表功能：

把需要的工況數(shù)據(jù)如電流，溫度等做成報表的格式，供操作人員查詢參考。圖2監(jiān)控數(shù)據(jù)界面。

圖1 上位機(jī)監(jiān)控主界面

圖2 監(jiān)控數(shù)據(jù)界面

3.2 下位機(jī)的設(shè)計

在本次設(shè)計中選用的是西門子公司S7-300系列PLC，水泵自動化控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場層(遠(yuǎn)程IO)，控制層(PLC)和管理層(工控機(jī))組成的三級控制系統(tǒng)來實現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動控制。礦用工控機(jī)利用友好人機(jī)界面實現(xiàn)人機(jī)對話和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，PLC作為控制器完成邏輯處理和控制任務(wù)，遠(yuǎn)程IO實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和上傳。

排水泵房自動化控制系統(tǒng)具有如下特點：

系統(tǒng)為模塊化結(jié)構(gòu)：完成控制和參數(shù)采集等功能。所有模塊均為固態(tài)電路，具備標(biāo)準(zhǔn)化和熱插拔式結(jié)構(gòu)。具有相應(yīng)的聯(lián)鎖和保護(hù)功能，以免造成損壞或引起故障。

數(shù)字量輸入/輸出模塊：輸入信號類型為DC24V。輸出增加繼電器隔離，繼電器選用魏德米勒的中間繼電器，具有指觸防護(hù)功能，能夠長期穩(wěn)定地工作。

輸入模塊(AI)：標(biāo)準(zhǔn)4-20mADC，各通道間隔離，模擬量在進(jìn)入模塊之前應(yīng)先經(jīng)過隔離器。

I/O模塊具有容錯功能，模塊可集中或分散布置，I/O模塊均配置預(yù)接線端子，便于維護(hù)和接線。通過編程軟件可以很方便地找出硬件錯誤。

3.3 傳感器的設(shè)計

3.3.1 水位檢測傳感器

在內(nèi)、外水倉內(nèi)各設(shè)置物位儀傳感器，浮球液位開關(guān)，用來監(jiān)測水倉水位的變化，當(dāng)傳感器出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)自動發(fā)出聲光報警。

3.3.2 流量監(jiān)測傳感器

在每臺水泵的出水管路設(shè)置超聲波流量傳感器，用來監(jiān)測管路流量的變化；出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)自動發(fā)出報警信號。

3.3.3 壓力傳感器

每臺水泵出水口處設(shè)置壓力變送器(測量正壓)，在每臺水泵的抽氣出口處一個壓力變送器(測量負(fù)壓)。

3.3.4 溫度傳感器

系統(tǒng)具有電機(jī)繞組溫度和軸承溫度監(jiān)測的功能，在每臺電機(jī)軸承各設(shè)置溫度監(jiān)測的傳感器一個，用來監(jiān)測電機(jī)溫度并發(fā)出超限報警。

4 系統(tǒng)功能

4.1 系統(tǒng)工作流程：水泵房自動化監(jiān)控可按以下5個環(huán)節(jié)順序進(jìn)行操作：

4.1.1 水位實時檢測

水位信號是水泵自動化系統(tǒng)中非常重要參數(shù)，水位實時檢測是根據(jù)水位高低的變化自動發(fā)出“開/?！彼玫拿?，水位傳感器的可靠性和準(zhǔn)確性將直接影響整個系統(tǒng)的性能。為此設(shè)置了液位傳感器，將水位變化的準(zhǔn)確值傳入PLC，在系統(tǒng)程序中將兩套水位信號加以比較，并實時顯示。如果液位傳感器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會自動將信號屏蔽并及時報警。程序中將水位控制分為4個檔，分別為H1、H2、H3、H4。1檔最低，4檔最高。當(dāng)水位升到水位2時，若處于用電低谷低計費階段，可以立即啟動；若處于用電高峰高計費階段，則暫緩啟動。當(dāng)水位繼續(xù)上升到水位3時，則不論電網(wǎng)如何，必須啟動水泵。若水位繼續(xù)上升至水位4時，則表明一臺水泵的排水量已不足以排出礦井的出水，另外一臺泵應(yīng)立即投入運行，同時系統(tǒng)聲光報警。無論在那種電價階段運行，水位都必須在下降到水位1以下時，方可停泵。按水倉6M計算，危險水位：5.5M，高水位：4.5，經(jīng)濟(jì)水位：3.5m，低水位：1.0M正壓、負(fù)壓：根據(jù)水倉水位和揚程的高低判斷。(圖3水位實時檢測)

圖3 水位實時檢測

4.1.2 抽真空、自動注水

在水泵腔內(nèi)無水情況下起動，由于空氣密度比水小得多，即使水泵滿轉(zhuǎn)速運行，也不可能把水吸入到泵腔內(nèi)；而且在無水情況下，由于“填函”中的密封填料與泵軸的干摩擦，會造成定子與轉(zhuǎn)子之間的熱咬合，因此水泵起動前必須首先進(jìn)行抽真空或自動注水。

4.1.3 電機(jī)起動與閘閥操縱

水泵電機(jī)容量大，耗電量高，屬一級負(fù)荷，對控制系統(tǒng)的安全性、可靠性要求較高。若因水泵長期不用，電機(jī)受潮或有其它故障而未被發(fā)現(xiàn)，在緊急情況下，需要投入?yún)s不能投入時，會影響整個系統(tǒng)的安全。故水泵房的電機(jī)按照“輪換工作制”的方式進(jìn)行工作，使故障早發(fā)現(xiàn)、早處理，確保礦井的安全。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某臺電機(jī)及其所屬閘閥故障時，該泵組自動退出循環(huán)。電機(jī)起動時，因為離心式水泵軸功率特性曲線，在零流量時具有最小起動電流，為了降低起動電流，水泵操作規(guī)定：離心式水泵一定要關(guān)閉出水閘閥進(jìn)行起動；當(dāng)水泵停機(jī)時，為防逆止閥突然關(guān)閉，水流速度劇烈變化，造成水擊事故，必須先關(guān)閉出閥，緩慢減小水流流速，最后停機(jī)。

4.1.4 參數(shù)通信與屏幕顯示

在檢測水位的同時，電動機(jī)電流，電動閘閥和電磁閥的開關(guān)狀態(tài)、排水流量、水倉水位、水泵壓力、真空度、電量等參數(shù)都送到PLC，在安操作臺實時顯示系統(tǒng)參數(shù)并通過網(wǎng)絡(luò)傳送到地面上的礦井自動化系統(tǒng)，使用戶直觀的了解泵房的運行情況并方便地查詢和資源使用。

4.1.5 故障預(yù)防檢測

水泵正常排水后，對電動機(jī)電流、電壓，電動閘閥和電動球閥的開關(guān)狀態(tài)、排水流量、水倉水位、水泵壓力、真空度等參數(shù)的實時監(jiān)控，以及它們之間固有的約束關(guān)系，形成一個完善的故障預(yù)測閉鎖環(huán)。