礦井排水泵自動(dòng)化智能化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 晨

（山西潞安化工集團(tuán)漳村煤礦， 山西 長治 046032）

引言

礦井排水最主要的設(shè)備就是煤礦的主排水泵，該系統(tǒng)憑借人工操作，并不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匹配涌水量和排量，因此，如何使礦井水泵的自動(dòng)化控制系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)將是研究的最主要課題，在此之前，李畢針對(duì)如何選擇礦井的主排水泵對(duì)型號(hào)進(jìn)行過詳細(xì)研究，由于要考慮較大的涌水量，因此，在對(duì)水泵進(jìn)行選擇時(shí)，不僅要選擇流量比較大的設(shè)備，而且還把在選擇水泵期間計(jì)算所有參數(shù)的方法給提出來[1]。白秀雷提出多功能水泵聯(lián)動(dòng)閥門，而且水泵聯(lián)動(dòng)閥門是新型的，經(jīng)過對(duì)其進(jìn)行仿真分析，得知多功能水泵聯(lián)動(dòng)閥所擁有的優(yōu)點(diǎn)是較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，較好的結(jié)構(gòu)成效，并以此為基礎(chǔ)來優(yōu)化礦井與井下的排水系統(tǒng)所具有的結(jié)構(gòu)，而且使其可靠性得到提高。在本文中，以PLC 控制器為基礎(chǔ)礦井的主排水泵控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，使自動(dòng)化控制得以實(shí)現(xiàn)，并為礦井的防水提供參考。

1 現(xiàn)存狀況與問題

礦井現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備具有穩(wěn)定性與可靠性，在關(guān)于礦井的集約化與自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)方面的需求又有所增加，而且設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)的狀況也是礦井所需要的，包括對(duì)主排水系統(tǒng)的監(jiān)控。在煤礦井下中，之前的主排水泵房控制系統(tǒng)所選取的操控技術(shù)就是固有的繼電器，人工對(duì)水泵進(jìn)行切換與開啟、停止操控，無法根據(jù)參數(shù)或水倉的水位來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并且有很多缺點(diǎn)存在于系統(tǒng)中，如高能耗、較低的維護(hù)與管理水平、較大的勞動(dòng)強(qiáng)度等，不能使自動(dòng)匹配涌水量和排量得以實(shí)現(xiàn)。為了使系統(tǒng)能夠自我診斷實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的自動(dòng)化，使設(shè)備的運(yùn)行得到保證，電氣改造主排水泵控制系統(tǒng)可以選取電氣原件如傳感器與PLC 可編程控制器繼而把礦井集約化、自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)得到提升的措施給提出來。

2 PLC 礦井主排水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)對(duì)礦井排水時(shí)，排水系統(tǒng)內(nèi)的排水泵只有1臺(tái)，那么礦井排水所需要排出的量根本就不能完成，若是排水泵的數(shù)量增加了，盡管可以對(duì)開采礦井的所有需要得到滿足，可是就會(huì)浪費(fèi)管路資源，因此在通常狀況下，排水泵被用于礦井正常運(yùn)行的數(shù)量是1臺(tái)，若有比較大的涌水量在礦井出現(xiàn)時(shí)，就會(huì)把排水泵中的剩余1 臺(tái)進(jìn)行啟用，使2 臺(tái)泵同時(shí)工作的模式開始實(shí)行。此外，把1 臺(tái)水泵作為備用泵設(shè)置到礦區(qū)，因此，在排水系統(tǒng)內(nèi)，需要的水泵一共是3 臺(tái)，而且各個(gè)排水泵均存在離心排水設(shè)備與電控系統(tǒng)。

以下就是PLC 礦井主排水控制系統(tǒng)的主要功能：控制功能，排水功能的自動(dòng)化是由PLC 的控制而實(shí)現(xiàn)；通信監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，可以由傳輸光纜與傳感器來實(shí)現(xiàn)，使井下被井上所有調(diào)度與指揮得以實(shí)現(xiàn)；診斷故障功能，動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)的電流、電壓、溫度等，可以由電流傳感器、溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)，若有電流、電壓、溫度比限定值大時(shí)，就會(huì)有報(bào)警發(fā)出，防止有事故發(fā)生；監(jiān)控參數(shù)系統(tǒng)，監(jiān)控參數(shù)，如管道壓力、排水量、溫度等，可以由人機(jī)界面來進(jìn)行。

因?yàn)榈V井中采用該設(shè)備，因此當(dāng)對(duì)水泵進(jìn)行配套設(shè)備的選擇時(shí)，要把防爆考慮進(jìn)去，在本文中，選定的三相異步電機(jī)一共有3 臺(tái)，其電動(dòng)機(jī)型號(hào)、功率、轉(zhuǎn)速、額定電壓分別是 YB25604-8900kW、900kW、1480r/min、10kV[2]。

2.1 檢測(cè)單元

設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的所有檢測(cè)元件，在系統(tǒng)內(nèi)，超聲波流量計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器、水位傳感器等都是檢測(cè)單元。超聲波傳感器被用于水位傳感器，超聲波傳感器的工作原理就是超聲波被探頭所發(fā)送出來，就會(huì)得到不一樣的超聲波數(shù)據(jù)被，按照聲波不能在空氣內(nèi)良好傳播，就會(huì)把探頭與水位的距離給給出來，把配水箱布置到超聲波傳感器中，而且數(shù)量是2 個(gè)，避免水位太高。PT100 無源接觸式傳感器被溫度傳感器所使用。水管里面的全部壓力信號(hào)被壓力傳感器所轉(zhuǎn)化，就會(huì)把壓力信號(hào)給的出來，PLC 控制器就接收其信號(hào)，進(jìn)而能夠判斷電動(dòng)閥的停止與開啟。

2.2 控制系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)顯示、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警與自動(dòng)控制構(gòu)成了中央水泵。排水管的壓力、電機(jī)的溫度、水倉的水位等系統(tǒng)中的有關(guān)數(shù)據(jù)可以被自動(dòng)監(jiān)測(cè)出來，PLC 控制器就接收所傳遞過來的數(shù)據(jù)，并判斷其信號(hào)，把控制指令給發(fā)出來，進(jìn)而使排水泵的控制能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化。與此同時(shí)，上位機(jī)的主界面中會(huì)顯示著以下參數(shù)，如排水管的壓力、電機(jī)的溫度、水倉的水位等，若有故障被檢測(cè)系統(tǒng)所檢測(cè)出來，不僅會(huì)有報(bào)警發(fā)出，而且還會(huì)有故障界面彈出，故障的有關(guān)數(shù)據(jù)被留存，用來對(duì)故障進(jìn)行分析。圖1 就是中央水泵的自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件配置圖。

從圖1 中可以看出，在系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件就是PLC，其作用是存儲(chǔ)與處理所監(jiān)控的有關(guān)數(shù)據(jù)，控制指令被運(yùn)算邏輯所輸送出來，使對(duì)水泵進(jìn)行開啟與停止得到控制。把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所具有的特征考慮進(jìn)來，并對(duì)采集數(shù)據(jù)與控制的方式進(jìn)行選擇，而且選擇的是I/O，對(duì)CPU 的選擇，要選擇的接口是有SINECL2-DP的CPU315-2DP，在本文中，遠(yuǎn)程處理的關(guān)鍵為選擇的是西門子的ET200M。

圖1 中央水泵的自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件配置圖

采集設(shè)備狀態(tài)的是數(shù)字量輸入模塊，控制命令、閘閥到位信號(hào)、斷路器狀態(tài)、球閥到位信號(hào)等構(gòu)成了開關(guān)量，把2 塊開關(guān)量輸入模塊分別布置到PLC 控制器的2 邊，開關(guān)量輸入模塊是32 路的。把1 塊開關(guān)量輸入模塊布置到I/O 其中一部分中，開關(guān)量輸入模塊是32 路的。當(dāng)使用到現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，通信可以由串聯(lián)RS-485、RS-232 通信模塊來實(shí)現(xiàn)。

2.3 系統(tǒng)傳感器

傳感器主要作用就是采集水泵正常運(yùn)行時(shí)的技術(shù)參數(shù)。電機(jī)電壓、溫度、壓力值、功率、水倉水位等均為系統(tǒng)所應(yīng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)中最主要的部分。按照現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀況來對(duì)傳感器進(jìn)行選擇[3]。

局部傳感器與全局傳感器構(gòu)成了傳感器，在檢查整個(gè)系統(tǒng)的全部數(shù)據(jù)使選取超聲液位儀的是全局傳感器，而且全局傳感器還與冗余結(jié)合雙傳感器，進(jìn)一步提升準(zhǔn)確度與可靠性。在檢驗(yàn)系統(tǒng)使用自我診斷的是局部傳感器，對(duì)比相鄰階段的有關(guān)數(shù)據(jù)，就會(huì)有數(shù)據(jù)曲線的形成。要按時(shí)分析數(shù)據(jù)曲線，若其中任意一階段的數(shù)據(jù)發(fā)生波動(dòng)比較大時(shí)，就會(huì)馬上報(bào)警，使系統(tǒng)正常運(yùn)行更加可靠與精準(zhǔn)。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件時(shí)，下面幾項(xiàng)功能是一定要具備的：備用選用與自動(dòng)解除，能夠當(dāng)做備用機(jī)組的是排水泵的任意一臺(tái)，而且當(dāng)水泵處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)能夠?qū)嵤┣袚Q，若有故障發(fā)生在其中的任意1 臺(tái)排水泵中時(shí)，能夠盡快把備用解除，使運(yùn)行始終是正常的；啟動(dòng)時(shí)可以使用手動(dòng)，能夠供給界面用于人工操作，能夠人工開啟設(shè)備中的部分設(shè)備；啟動(dòng)時(shí)可以按順序，由于對(duì)啟動(dòng)時(shí)間設(shè)定了間隔啟動(dòng)，所以，使順序啟動(dòng)電機(jī)得以實(shí)現(xiàn)；顯示水位，若水倉水位比某個(gè)數(shù)值高與低時(shí)，就會(huì)把水位顯示出來；自動(dòng)控制，當(dāng)監(jiān)管是沒有人時(shí)，仍能自己運(yùn)轉(zhuǎn)，若有較高的水位出現(xiàn)時(shí)，那么就要馬上進(jìn)行抽排，若有較低的水位出現(xiàn)時(shí)，那么就要馬上進(jìn)補(bǔ)水。系統(tǒng)自動(dòng)控制軟件流程圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)自動(dòng)控制軟件流程圖

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)若有故障存在時(shí)，就會(huì)使系統(tǒng)實(shí)施手工操作，若故障不存在或排除故障之后，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行的操作是半自動(dòng)、自動(dòng)。當(dāng)啟動(dòng)系統(tǒng)之后，首先要做的就是聯(lián)通開關(guān)柜，并把I/O 處理程序啟動(dòng)，對(duì)運(yùn)行方法的選擇要依據(jù)判斷來進(jìn)行，而且選擇的方法有3 種，運(yùn)行模式的判斷可由控制板安裝按鈕的實(shí)際位置來進(jìn)行，若運(yùn)行模式是自動(dòng)操作，系統(tǒng)是自動(dòng)運(yùn)行的，使輪換工作得以完成，若有故障發(fā)生時(shí)，就會(huì)有停止報(bào)警發(fā)出來，若運(yùn)行模式是半自動(dòng)操作，想要排水泵中的哪臺(tái)運(yùn)行要由人工來進(jìn)行選定，接下來在把自動(dòng)模式開啟，在對(duì)手動(dòng)模式進(jìn)行選定時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行都沒有PLC 的參加。

4 應(yīng)用效果分析

井下中央水泵控制系統(tǒng)經(jīng)過改造與優(yōu)化，基于用電所具有的峰谷與水倉水位是高是低的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，系統(tǒng)對(duì)水泵的運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)操控，減少了維護(hù)成本、電費(fèi)與人工費(fèi)用，在1 年節(jié)省了35 萬元。也可以節(jié)省改造排水系統(tǒng)方面的有關(guān)費(fèi)用。某礦自動(dòng)化排水與人工手動(dòng)排水的費(fèi)用比較表如表1 所示。

表1 人工手動(dòng)排水和自動(dòng)化排水費(fèi)用比較 萬元

當(dāng)改造系統(tǒng)之后，在真正運(yùn)行時(shí)得知，以PLC 為基礎(chǔ)的主排水泵控制系統(tǒng)，能夠使自動(dòng)匹配涌水量和排量得以實(shí)現(xiàn)，使主排水泵能夠有效的運(yùn)行，防止浪費(fèi)其功率，而且在對(duì)水泵的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)之后，可以使其可以故障報(bào)警和故障識(shí)別的更準(zhǔn)確，當(dāng)運(yùn)行時(shí)，識(shí)別的故障與報(bào)警分別是21 條與2 次，使主排水控制系統(tǒng)更加安全，保障礦井生產(chǎn)更加安全。