自動控制系統(tǒng)在礦井排水中的應(yīng)用

姜建軍，劉利波，王啟健，于曉剛

（招金礦業(yè)股份有限公司，山東 煙臺 265400）

礦井井下排水系統(tǒng)在礦井安全問題中占有重要地位。礦井涌水如果不能及時排出，將對礦井生產(chǎn)和工作人員安全構(gòu)成威脅。排水系統(tǒng)耗電大，因此有效地控制排水系統(tǒng)是降低生產(chǎn)成本的重要途徑。目前大部分礦山井下排水系統(tǒng)由人工控制，其效率低，操作人員多，嚴(yán)重影響企業(yè)生產(chǎn)管理和經(jīng)濟(jì)效益的提高?？删幊绦蚩刂破?PLC)的廣泛應(yīng)用使井下排水的自動化控制成為可能。

一、排水現(xiàn)場概況

礦區(qū)給排水屬于多級排水形式，主要用于礦區(qū)內(nèi)生產(chǎn)用水。排水系統(tǒng)現(xiàn)階段主要對一級、二級兩條豎井進(jìn)行排水自動化改造，采用無底閥式。在一級豎井－80m中段設(shè)有3臺水泵，2用1備，參數(shù)如下。水泵型號：200D-43×4；電機(jī)功率:200kW；電壓：400V；轉(zhuǎn)速：1 480r/min；吸水管徑：φ200mm×6mm；排水管徑：φ200mm×8mm。

二、排水自動控制系統(tǒng)設(shè)計思路

加強(qiáng)管理、節(jié)約能源、降低勞動強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)排水泵房的無人值守和自動排水。

1.排水安全可靠，節(jié)能增效

通過對液位、電流、時間等指標(biāo)的綜合檢測，實(shí)現(xiàn)對井下排水的自動控制。

2.排水的自動控制

在集水倉設(shè)液位計，排水管道安裝電動閥，負(fù)壓罐安裝電磁閥、液位計等，通過PLC完成自動控制。電動機(jī)采用軟啟動器。

3.工作方式及原理

工作方式分自動、手動和遠(yuǎn)程控制3種。通過在控制柜上設(shè)置轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行3種方式轉(zhuǎn)換。電動閥1#、2#、3#分別安裝在水泵的主排水管路上，其中3#水泵作為備用設(shè)備。3臺電磁流量計分別安裝在3臺水泵的吸水管路上。

(1)自動方式

PLC通過液位計檢測集水倉液位是否滿足排水條件；確定各電動閥是否處于關(guān)閉狀態(tài)；負(fù)壓罐和系統(tǒng)在無故障的情況下方可啟動工作水泵，工作水泵空載運(yùn)行正常后，依次開啟水泵的所屬電動閥，并根據(jù)電機(jī)的工作情況控制電動閥的開閉。如果集水倉的水量超過上限或排水期間水位反而有所上升時則啟動3#水泵并打開3#電動閥。在排水期間，當(dāng)PLC檢測水泵、液位、閥門工作狀態(tài)發(fā)生異常時，則認(rèn)為故障，PLC會自動關(guān)閉故障設(shè)備，打開備用設(shè)備。

(2)手動方式

要求操作員根據(jù)現(xiàn)場情況、儀表顯示及操作規(guī)程啟動水泵，主要用于手動及異常操作時，以恢復(fù)水泵正常運(yùn)行。

(3)遠(yuǎn)程控制

地表監(jiān)控室監(jiān)控人員依據(jù)攝像頭的實(shí)時監(jiān)控及儀表顯示，根據(jù)需要，通過安裝在地表的控制按鈕實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。水泵運(yùn)行后，可按照自動方式正常運(yùn)行。

4.液位與時間雙控制

排水時間和水倉液位的檢測對安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。在水倉安裝性價比較高的超聲波液位計，并采用冗余硬件設(shè)計，計算機(jī)程序能夠分析某個液位計是否存在故障并報警，確保人工及時更換以維護(hù)排水系統(tǒng)的安全性。在水位監(jiān)測上設(shè)工作水位和報警水位兩種，工作水位設(shè)定排水、停機(jī)的液面高度；報警水位用于啟動應(yīng)急備用設(shè)備并報警。

集水倉液位計設(shè)上上限、上限、下限3個工作水位，正常情況下，如集水倉內(nèi)液位不超過上限時，為充分利用夜間的用電谷段，工作水泵在允許的時間范圍內(nèi)啟動，排水至液位下限時，水泵停止。當(dāng)異常情況——涌水量特別大時，集水倉內(nèi)液位達(dá)到上限時，無論用電波峰或波谷，工作水泵均啟動排水；當(dāng)液位達(dá)到上上限時，備用水泵啟動排水。

程序根據(jù)井下涌水量對水泵開啟時間進(jìn)行設(shè)定，平段和谷段時間內(nèi)水泵按照時間設(shè)定開停，高峰用電時，采用液位控制水泵，這樣可以節(jié)省電費(fèi)。

5.電動機(jī)工作狀態(tài)的檢測

電動機(jī)的啟動，必須在電動閥關(guān)閉的情況下進(jìn)行，當(dāng)電動機(jī)的額定空載電流達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的SV值并保持時，系統(tǒng)無故障則認(rèn)為電機(jī)正常啟動。電動機(jī)的主回路保護(hù)要求具有短路、過載、缺相及欠壓等。

電動機(jī)故障監(jiān)測：系統(tǒng)安裝電能變送器、電壓變送器、電流變送器，電動機(jī)運(yùn)行時能隨時將電動機(jī)電能、電流、電壓信號輸入計算機(jī)，進(jìn)行檢測分析。通過PLC實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)電流過高或水泵存在不排水的其它故障，報警系統(tǒng)發(fā)出聲光報警信號并根據(jù)要求及時停車維修。

6.水泵工作狀態(tài)的測控

工作效率的測控，是通過在吸水管道上安裝的電磁流量計，測得水流量，并與額定流量相比，得出其工作效率。

水泵的正常工作通過電流、電壓、工作狀態(tài)、液位的軟件控制來實(shí)現(xiàn)，并通過儀表直觀反映。當(dāng)水泵啟動時，電動閥處在關(guān)閉狀態(tài)，啟動正常后通過PLC對電動閥的開關(guān)控制來實(shí)現(xiàn)水泵的正常工作。

低壓開關(guān)柜合閘回路與控制柜的控制回路相串聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)緊急停車。

電能測量采用低壓計量方式與系統(tǒng)數(shù)據(jù)累計方式兩種。PLC處理電能變送器的電信號，并通過上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)報表打印。

維持水泵的正常工作與負(fù)壓罐密不可分。采用無底閥排水首先要保證負(fù)壓罐的液位。負(fù)壓罐的工作設(shè)備包括電動球閥、液位計和真空泵，檢測設(shè)備由液位計檢測負(fù)壓罐的密封情況。

在排水泵正常工作期間，集水倉水位應(yīng)稍微下降或保持不變。如在水泵排水期間，集水倉水位仍然上升，則說明涌水量變大，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，并在水位達(dá)到上限時啟動備用水泵。

7.電機(jī)及水泵的遠(yuǎn)程監(jiān)控及保護(hù)

通過在配電室內(nèi)設(shè)置電壓、電流、流量顯示以監(jiān)示水泵的工作狀態(tài)，可根據(jù)不同的情況進(jìn)行聲光報警及事故保護(hù)停車，避免設(shè)備事故的發(fā)生。

8.數(shù)據(jù)采集

主要由上位機(jī)來完成排水量、工作時間、電壓、電流、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等指標(biāo)的小時統(tǒng)計、日統(tǒng)計和月統(tǒng)計?？刂葡到y(tǒng)的日報表及月報表數(shù)據(jù)存放在控制器內(nèi)，水泵和其他附屬設(shè)備的運(yùn)行畫面經(jīng)過組態(tài)在上位機(jī)實(shí)時顯示，并可以在組態(tài)畫面上運(yùn)行設(shè)備，調(diào)用水泵的運(yùn)行時間和其他主要數(shù)據(jù)，通過上位機(jī)將數(shù)據(jù)整合傳送并進(jìn)行報表遠(yuǎn)程打印。

控制系統(tǒng)可進(jìn)行水泵開停時間、集水倉液面高度、報警高度等參數(shù)的動態(tài)調(diào)節(jié)。

9.系統(tǒng)特點(diǎn)

在中段設(shè)集中控制柜，由于PLC的應(yīng)用，能夠極大提高生產(chǎn)效率及降低勞動強(qiáng)度。每個設(shè)備點(diǎn)的狀態(tài)能及時通過檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳遞給微機(jī)進(jìn)行處理。各個中段之間采用profibus通信方式，便于集中管理。系統(tǒng)設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)通用接口，為系統(tǒng)的擴(kuò)展提供有力保障。

為了便于調(diào)試維護(hù)及生產(chǎn)需要，各控制柜通過轉(zhuǎn)換開關(guān)可以將運(yùn)行方式轉(zhuǎn)為手動控制，每個設(shè)備點(diǎn)能夠獨(dú)立進(jìn)行操作，解決了技改工程中生產(chǎn)與施工的矛盾。

三、系統(tǒng)的監(jiān)控

攝像部分是電視監(jiān)控系統(tǒng)的前沿部分，它把監(jiān)視內(nèi)容轉(zhuǎn)換為圖像信號并發(fā)送到監(jiān)視器上。攝像部分產(chǎn)生的圖像信號質(zhì)量將影響整個系統(tǒng)的質(zhì)量。

1.控制部分

在控制中，閉路電視系統(tǒng)中的信息量與信息處理的工作量都很大，因此其控制臺的操作一般通過計算機(jī)以用戶軟件編程的全鍵盤方式來完成視頻切換、報警處理及設(shè)備狀態(tài)自檢等工作。數(shù)字視頻監(jiān)控報警系統(tǒng)采用計算機(jī)多媒體技術(shù)，CCD攝像機(jī)為監(jiān)控探頭，攝像機(jī)將獲取的視頻信號傳輸?shù)街鳈C(jī)，主機(jī)里的高速圖像處理器進(jìn)行數(shù)字化處理，將視頻信號形成的圖像與背景圖像進(jìn)行分析比較，同時主機(jī)自動采集報警圖像并存入計算機(jī)。事后用戶可隨時查閱報警現(xiàn)場的圖像。系統(tǒng)將電視監(jiān)控系統(tǒng)與報警合二為一，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)視、報警與圖像記錄的同步進(jìn)行。在系統(tǒng)中沒有錄像機(jī)和視頻分配器，一切報警記錄都在計算機(jī)的硬盤內(nèi)，所有操作都根據(jù)屏幕上的軟件提示動作。

2.顯示與記錄

顯示與記錄設(shè)備安裝在控制室內(nèi)，主要有監(jiān)視器、硬盤錄像機(jī)和一些視頻處理設(shè)備。本系統(tǒng)采用的是硬盤錄像機(jī)，視頻壓縮采用增強(qiáng)型MPEG-4固定碼流、可變碼流幀率及硬件壓縮技術(shù)，24路視頻信號獨(dú)立同步硬件實(shí)時壓縮、錄像及回放，無滯后；可實(shí)現(xiàn)手動錄像、定時錄像、報警連動錄像、動態(tài)檢測錄像等多種錄像模式，并具有預(yù)錄功能。

為實(shí)現(xiàn)閉路監(jiān)控全礦覆蓋，閉路監(jiān)控系統(tǒng)可由4路擴(kuò)展為24路，可以很方便的增加視頻設(shè)備。

四、恒壓供水系統(tǒng)

恒壓供水系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、壓力變送器、液位傳感器、動力及控制線路及泵組組成。用戶通過控制柜面板的指示燈、按鈕及轉(zhuǎn)換開關(guān)來了解和控制系統(tǒng)的運(yùn)行。通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力變送器，把4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號送入PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID運(yùn)算并與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，對比較信號作出判斷后將結(jié)果送至變頻器。變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)供水量。在變頻器設(shè)置中設(shè)定一個上限頻率和下限頻率檢測，當(dāng)用水量大時，變頻器迅速上升到上限頻率，此時，變頻器輸出一個開關(guān)信號給PLC；當(dāng)用水處于低峰時，變頻器輸出達(dá)到下限頻率，變頻器也輸出一個開關(guān)信號給PLC；PLC通過設(shè)定的內(nèi)部程序驅(qū)動I/O端口開關(guān)量的輸出來實(shí)現(xiàn)切換交流接觸器組，以協(xié)調(diào)投入工作的水泵電機(jī)臺數(shù)，并完成電機(jī)的啟停、變頻與工頻的切換。通過調(diào)整投入工作的電機(jī)臺數(shù)和控制電機(jī)組中一臺電機(jī)的變頻轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力始終穩(wěn)定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。變頻器采用ABB專用水泵變頻器，可編程控制器選用西門子S7-313C2DP型，作為井下排水系統(tǒng)上位機(jī)，并可參與井上供水控制。如井下排水產(chǎn)生故障，系統(tǒng)可報警提示并切換備用水源。

五、結(jié)語

PLC自動控制系統(tǒng)優(yōu)越性在于采用了先進(jìn)的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)之間的通信，控制執(zhí)行功能主要由PLC完成，上位機(jī)則完成信息處理和圖像顯示。PLC和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)、分工合作，使得系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定。系統(tǒng)根據(jù)峰谷用電、采用時間和水倉液位雙控制，給出相應(yīng)的可靠性設(shè)計，更有利于了企業(yè)的調(diào)荷節(jié)電；同時解決了由于通信、傳感器的不穩(wěn)定導(dǎo)致控制系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定問題，實(shí)現(xiàn)了井下排水系統(tǒng)的無人值守、減員提效和調(diào)荷節(jié)電。