九里山礦排水自動控制系統(tǒng)的推廣與應用

馮紀成 鄭文杰

摘 要：現(xiàn)我礦采用可編程序控制器（PLC）控制取代繼電器控制，取代以往人工操作，能實現(xiàn)地面的遠程監(jiān)視、控制，對設備的運行狀態(tài)、運行過程進行自動檢測、自動控制，使設備達到最佳工作狀態(tài)，從而達到有效地節(jié)約能源、降低勞動強度、降低運行成本等目的。

關鍵詞：PLC；遠程控制；經濟性

1 現(xiàn)有煤礦井下排水系統(tǒng)

井下中央泵房共有水泵21臺，工作水泵10臺、備用水泵8臺和檢修水泵3臺，每臺水泵使用對應的高壓真空電磁啟動器。

水泵啟動前，先通過人工操作將出口管路閘閥打開，然后將水泵上射流管打開，通過射流管的射流水使吸水管路抽成真空狀態(tài)，進而充滿進水管路，然后啟動水泵。在水泵運行期間，操作人員需經常巡查水位變化情況，根據(jù)水位情況開停水泵。

由于現(xiàn)泵房內設備的操作運行以及水倉水位的觀察，均采用人工操作方式，操作過程繁瑣、勞動強度大、水泵啟動時間長、自動化程度低、不適應現(xiàn)代化礦井管理需要。

2 針對現(xiàn)有排水系統(tǒng)的改進

針對礦井的實際要求，我礦井中央泵房安裝排水自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)應滿足水泵機組起停、故障診斷和數(shù)據(jù)處理上完全自動化，不需要人工干預，從而達到節(jié)約能源和人力資源的功能。

本控制系統(tǒng)采用礦用一般型測控裝置，測控裝置PLC采用西門子S7-300系列，采用射流引水?，F(xiàn)場安裝六臺防爆攝像儀，用于監(jiān)視21臺水泵的開停狀態(tài)。泵房配備一臺TH1-24本安型操作臺，21臺就地控制箱與2臺PLC控制主站相結合，完成泵、電動閘閥和電動球閥的就地控制，改造引水方式，在原來的射流閥和排氣閥上分別接電動球閥以達到電控的要求，同時配備水位、流量、溫度、壓力、負壓等傳感器。

⑴對井下水泵房設備運行實行在線監(jiān)控，具有自動、手動控制水泵的啟停及閘閥的開、關，并具有自診斷功能，可實現(xiàn)水泵房的無人值守。

⑵控制系統(tǒng)通過以太網接入礦井工業(yè)以太干網，實現(xiàn)水泵監(jiān)控子系統(tǒng)與全礦井的監(jiān)控系統(tǒng)信息共享，同時可以實現(xiàn)廠家的遠距離的在線監(jiān)測與維護指導。

⑶集中控制器采用西門子S7-300系列工業(yè)級PLC控制軟件，結合礦井涌水量大小和電力削峰填谷原則，實現(xiàn)井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的最優(yōu)控制；集中控制器還收集井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的報警、信息顯示、報表統(tǒng)計等數(shù)據(jù)情況。

⑷在井下泵房內操作臺上，電視屏幕能清晰出顯示運行水泵狀況、水倉水位高低、管路閘閥的開合、排水管路的使用等情況。

⑸根據(jù)水位控制原則，自動實現(xiàn)水泵的輪換工作。

⑹結合井底水倉水位高低和電力負荷信息，以“避峰填谷”原則確定開、停水泵時間。

⑺水泵監(jiān)控子系統(tǒng)有三種控制形式，就地控制、井下控制臺、地面遠程控制。

就地控制：由操作人員根據(jù)水倉水位高低的顯示、涌水量大小等實際生產需要，確定開泵臺數(shù)，通過就地設備控制箱上的操作按鈕完成電機及其閥門的開、停，即PLC完成單臺水泵抽真空、啟泵、開液壓閥等自動控制，并完成運行停止。

半自動控制：為了方便人員操作，減少人員及人員的勞動強度，可以在井下操作臺及地面控制主機上單獨控制系統(tǒng)中的各設備。為保證井下操作和地面控制互不干涉，在井下操作臺上設置轉換開關，當轉換開關在近控時，由井下操作臺控制水泵運行，而地面無法干涉水泵的操作，反之當轉換開關在遠控時，井下操作臺無法操作。

自動控制：在自動狀態(tài)下，由地面控制主機收集各水泵及閘閥工作狀況、各種故障、水倉水位高低等因素，按照事先編制的流程及PLC閉鎖程序順序控制水泵及閘閥的開啟。在正常水位時，各臺水泵自動輪換工作，當水倉水位超高或突出涌水時，自動投入必要數(shù)量的水泵運行。

⑻實施監(jiān)測水泵各工況參數(shù)，包括水位、電壓、電流、壓力、功率、溫度、振動、真空度等。當水泵出現(xiàn)故障時，能夠及時報警，并能夠自動開啟備用水泵。

根據(jù)水泵使用臺數(shù)和水位變化率的情況可判斷礦井涌水情況，從而確定水泵增加臺數(shù)。

3 系統(tǒng)工作原理及工作方式

自動控制系統(tǒng)由計算機檢測水倉水位高低、管路真空度、閘閥開合度、水泵完好情況等數(shù)據(jù)，配以模擬量的輸入輸出模塊以及以太網通訊模塊來控制相應水泵的開停。

系統(tǒng)可有三種工作方式：全自動、就地手動、遠程手動。

全自動運行時，井下PLC控制器實時的采集水泵運行時水位水位變化情況，結合每臺水泵工作狀態(tài)、輪換原則等啟動相應水泵的運行或停機，不需要人員操作，操作人員僅巡回檢查水泵運行狀態(tài)。

就地手動時，當PLC故障、失電或檢修水泵時，操作人員就地通過手動控制箱控制單臺水泵的啟停，而不是PLC或數(shù)據(jù)口通訊的方式控制水泵。

遠程手動控制時，授權井上工作人員通過上位計算機控制水泵的啟動和停止；系統(tǒng)在正常運行過程中，不論何種工作方式，均可實時將現(xiàn)場的各種參數(shù)、設備狀態(tài)通過工業(yè)以太網傳到地面水泵控制室。

4 水泵控制的控制原則

首先在與井下水倉相連通的配水井中設置水位標尺，在水位標尺上設置有低水位，高水位，報警水位、超限水位等。

對于狀態(tài)完好的水泵，在開啟前首先打開管路上的逆止閥門，然后啟動射流管上的真空系統(tǒng)，檢測真空度，真空度達到要求后即可開啟。

按照規(guī)定，水泵應在300s內完成啟動，因此，達到真空度的同時，還有一定的時間限制。若在規(guī)定時間內有真空度信號，則合上真空開關電磁閥，開啟電動閥門。電動閥門開啟10s后，系統(tǒng)置水泵為運轉狀態(tài)，開始測量機組運行參數(shù)及壓力。當壓力值顯示低于3Pa時，說明水泵不能上水，系統(tǒng)應立即自動停止該水泵的運轉。

水泵的開啟數(shù)量根據(jù)水倉水位的變化情況而定。首先對水泵編號，當水位僅僅越過低水位時，運行一臺水泵，當系統(tǒng)第一次運行，開啟1#水泵，以后按照運行時間的多少，選擇運行時間最少的泵開啟，如果所選水泵為檢修狀態(tài)，則開啟下一序號的水泵。當開啟一臺水泵運行一段時間后，發(fā)現(xiàn)水位仍然上漲，則增加水泵數(shù)量。當水位下降到低水位限以下時，則依次按照水泵運行時間長短的停止，由長到短停止，僅保留一臺運行。

當水位超過警戒水位時，水泵除檢修泵外全部開啟。

根據(jù)季節(jié)實行自動或半自動控制，當雨季出現(xiàn)強降雨等惡劣天氣時，實行半自動控制，將水位排到礦要求的最低水位。其余時節(jié)時，根據(jù)水泵輪換制和我礦電力削峰填谷的原則實現(xiàn)水泵的起停。首先當水位達到開啟水位時，且處于低谷或平谷時，可以立即啟動水泵；若處于高峰或尖峰時，則暫緩啟動。當水位繼續(xù)上升至高水位時，則不論何時段，必須立即啟動水泵。若水位繼續(xù)上升到超限水位時，表明一臺水泵的排水量已不足以排除礦井出水，則增加水泵數(shù)量。當水位必須下降到低水位時可依次停泵，僅留一臺水泵運行。

5 系統(tǒng)特點

5.1 安全可靠性

該系統(tǒng)能實時的監(jiān)控電機、水泵、高壓啟動器、真空度等各環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)出現(xiàn)的異常能夠提前預警。

該系統(tǒng)擁有遠端控制、就地自動控制及手動控制三種控制方式，三種控制模式以“井下優(yōu)先”的原則可以進行手動切換。在特殊條件下時也可以進行自動切換，例如：當井上與地面通訊中斷失聯(lián)的情況下，系統(tǒng)自動由井下PLC進行控制。如果設備運行在遠端手動模式或井下PLC自動控制模式的情況下，PLC發(fā)生故障，則系統(tǒng)自動轉換為就地控制模式。

自動控制系統(tǒng)采用了技術先進的西門子S7-300型PLC，性能穩(wěn)定，故障率低，且具有完備的故障診斷和保護功能，同時保留的人工控制方式可在PLC控制系統(tǒng)故障時正常啟動水泵。

5.2 經濟性

⑴將電價的避峰填谷原則引入水泵啟動算法中，使得水泵耗能處于最經濟的狀態(tài)。

⑵減少故障時間，提高開機率。由于系統(tǒng)具有完善的監(jiān)視和控制功能，提高了運行的可靠性，減少故障停機時間，開機率可達98%。

⑶通過對水倉水位的啟動水位、報警水位、超限水位、停機水位的設定，在保障水倉水位絕對安全的前提下，使水泵的啟動次數(shù)達到了最少。

⑷提高勞動效率，節(jié)約人力資源。由于本系統(tǒng)是按照無人值守的原則進行設計，減少水泵房及采區(qū)變電所的操作人員，只配備巡檢工。將比為改造前年節(jié)約工資約18萬元。

[參考文獻]

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