礦井泵房電控系統(tǒng)的自動化改造設(shè)計

孫迎濤

(河南平煤神馬電氣股份有限公司，河南 平頂山 467000)

0 引言

當(dāng)前，我國開始實施產(chǎn)業(yè)升級，逐漸淘汰落后產(chǎn)能以實現(xiàn)節(jié)能減排的要求，煤礦企業(yè)為了響應(yīng)國家號召，紛紛對煤礦開采過程進行了自動化改造，井下排水設(shè)備是保證煤礦正常開采的重要設(shè)備?，F(xiàn)在，有些企業(yè)主排水系統(tǒng)主要采用繼電器控制，相應(yīng)的電氣控制采用硬件連接，對應(yīng)的繼電器采用機械觸點實現(xiàn)邏輯的控制。此方式不僅消耗大量的電能，而且魯棒性比較差。與此同時，系統(tǒng)在控制方面很不靈活，相應(yīng)的定時精度不準(zhǔn)確。以上問題大大影響了井下排水泵房的工作效率，為此需要對設(shè)備進行有效的改進。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC控制技術(shù)在煤礦行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，其中在井下水位監(jiān)測以及流量監(jiān)測等方面應(yīng)用比較廣泛，其能夠極大地優(yōu)化井下作業(yè)的自動化控制。筆者針對河南省某礦的實際情況，對井下泵房進行PLC優(yōu)化改造設(shè)計，極大地優(yōu)化了系統(tǒng)的可靠性，提升了煤礦開采的自動化水平，節(jié)省了大量的人力物力，達到了減員增效的目的。

1 改造概況

該煤礦目前年產(chǎn)量可達到200萬t左右。由于井下工況環(huán)境復(fù)雜，井下涌水量相對較大，設(shè)置有主水倉以及備用水倉，數(shù)量各1個，相應(yīng)的單倉容量為1 000 m3，主排水泵4臺，揚程可以到達650 hm，流量為300 m3/h，并且設(shè)置備用泵1臺，水泵的吸水方式為真空吸水，可以借助主管道排放至地面。目前此煤礦排水主要是使用繼電器控制，工作人員對水泵的運行進行監(jiān)測，因此對操作人員的技術(shù)具有較高的要求，同時存在諸多問題。

經(jīng)過深度調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在對煤礦進行改造的過程中，必須秉持資源循環(huán)利用、節(jié)省經(jīng)費以及系統(tǒng)避繁就簡的理念。在參考國內(nèi)外的成功經(jīng)驗之后，該系統(tǒng)的控制核心選用西門子S71200PLC，進而對水泵電控系統(tǒng)進行合理優(yōu)化，依據(jù)PLC控制臺作為核心，實現(xiàn)如下幾個功能：集成監(jiān)測，保護，執(zhí)行動作，數(shù)據(jù)鏈等，這樣可以實現(xiàn)遠程控制。

2 PLC控制設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

通常把PLC控制柜設(shè)置在井下變電所，顯示器是由顯T屏、狀態(tài)指T燈構(gòu)成，其中機箱中包括如下幾個單元：I/O接口電路、UPS電源、配電開關(guān)線路、接線端子等。其中所選的1200系列可編程控制器包括如下幾個單元：CPU、開關(guān)量單元、模擬量單元、通信單元。

CPU集成數(shù)據(jù)存儲器以及各個數(shù)據(jù)接口都能和擴展單元實現(xiàn)通信。在總控箱內(nèi)設(shè)置有CPU，各個單元通?？梢越柚惭b在水泵監(jiān)測端子實現(xiàn)參數(shù)的上傳，這樣可以統(tǒng)一在調(diào)度中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲存。通常，PLC可以借助TCP/IP接口實現(xiàn)與工控機以及相應(yīng)的操作屏之間的信息輸送，開關(guān)量能夠?qū)υO(shè)備的工作情況進行采集，而相應(yīng)的模擬量輸入單元能夠檢測如下參數(shù)：溫度、電壓、壓力等，同時數(shù)據(jù)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸給CPU。

開關(guān)量輸入單元可以把開關(guān)信號變成能夠被PLC識別的電信號。該單元可以把傳感器應(yīng)激產(chǎn)生的電信號，經(jīng)過補償電路處理以及相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換，把數(shù)字信號傳輸給CPU。

2.2 軟件設(shè)計

依據(jù)系統(tǒng)進行設(shè)計，可以依據(jù)不同的水位點設(shè)置對應(yīng)的水倉水位，在水倉內(nèi)設(shè)置的水位傳感器能夠有效地發(fā)出水泵用水量的信號，這樣能夠自動實現(xiàn)水泵上水，同時能夠發(fā)出水泵啟停以及待機的指令。與此同時，必須重點關(guān)注每個水位上升的速率，當(dāng)采集到的上升水位的速率之后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)數(shù)據(jù)庫中進行保存，在經(jīng)過和當(dāng)?shù)厮臄?shù)據(jù)進行比較與判斷，這樣才可以正確地啟動水泵。

對于程序循環(huán)采用“避峰填谷”的方式，可以把用電高峰與用電低峰的時間存放在儲存器中。假如處于不用的供電狀態(tài)下，可以選用2個不同的控制流程，當(dāng)具有安全性的條件下，對水泵電控系統(tǒng)進行有效的配置，這樣能夠較好地實現(xiàn)節(jié)能效果。排水泵電控流程首先是開始進行自檢，若自檢正常同時水位快速上升，判斷是否處于用電峰段，若處于用電峰段，這時會暫不啟動強排水泵，若不是用電峰段，這時會迅速啟動強排水泵，若自檢不正常，這時會出現(xiàn)報錯，應(yīng)進行記錄，并努力查找，排除故障。

當(dāng)系統(tǒng)處于啟動時，首先開始實現(xiàn)自檢，當(dāng)不存在錯誤時，

可以進行下一步操作。若出現(xiàn)錯誤，那么將出現(xiàn)報警信號，這樣可以讓技術(shù)人員進行處理。其次，對水位上升速率指標(biāo)進行檢測。假如未出現(xiàn)上述情況，此時系統(tǒng)將會把當(dāng)前時間和緩沖器中的時間進行比較，進而判斷是否處于用電高峰期，其他情況以此類推。

假如系統(tǒng)用電處于高峰期，為了能夠有效地避免不必要的用電負(fù)荷消耗，可以對水泵用電設(shè)置節(jié)能延退控制。假如監(jiān)測到水位處于正常狀態(tài)，就暫時不啟動水泵；假如水位超過設(shè)置值，可啟動水泵。與此同時，需要觀察水位上升的速率，假如水位上升速率比較大，那么需要啟動備用水泵；當(dāng)處于供電低估狀態(tài)，而相應(yīng)的檢測到水位超過設(shè)定值，那么可以啟動當(dāng)前排水泵。當(dāng)水位達到預(yù)警水位時，可以啟動備用水泵；假如在開啟備用水泵之后，水位上升依舊比較快，就需要啟動所有的水泵。

2.3 其他功能

當(dāng)程序處于正常的工作狀態(tài)時，必須把水泵的運行時間以及對應(yīng)的啟動次數(shù)參數(shù)保存在儲存器中。當(dāng)需要啟動水泵時，系統(tǒng)需要優(yōu)先篩選近期未啟動的水泵，與此同時啟動水泵后，需要刷新水泵時鐘儲存器，同時把運行參數(shù)傳輸給服務(wù)器。這樣能夠有效地保護水泵，防止其因較長時間的運行而出現(xiàn)磨損。

此外，電控系統(tǒng)還設(shè)置了自我保護以及報警功能。其中主要包括如下幾個方面：水泵電機狀態(tài)、水泵入水口壓力、出水口壓力、水泵軸溫、閥閘開閉狀態(tài)等。①借助傳感器對水泵電機負(fù)載進行有效檢測。②通過入水出水口的壓力監(jiān)測，來確保水泵不發(fā)生欠壓現(xiàn)象。③借助反饋的閥閘開關(guān)信號來判斷射流泵以及出水閥是否能夠正確打開。在系統(tǒng)進行自檢時應(yīng)該包括如下幾個方面：過載報警、無反饋報警、超溫報警。當(dāng)出現(xiàn)報警時，可以進行及時地維修。

3 結(jié)語

筆者基于河南某礦，對井下排水泵電控系統(tǒng)進行自動化改進。描述了PLC設(shè)計的思路，介紹點數(shù)分配等硬件設(shè)計，同時提出該電路應(yīng)選用 “峰填谷”電控方式。通過改造設(shè)計，本礦已經(jīng)實現(xiàn)對水泵的自動化改造，實現(xiàn)水泵的無人操作。經(jīng)過統(tǒng)計每年可以給該煤礦節(jié)省人力成本約20萬元，相應(yīng)的檢測費用節(jié)省近40萬元。經(jīng)過對水泵運行情況進行改進，每年泵房綜合耗能減少約20%。經(jīng)過工程實踐發(fā)現(xiàn)，改進之后的水泵電控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，給該煤礦帶來了較大的經(jīng)濟效益。