基于PLC技術(shù)的礦井中央排水系統(tǒng)改造

史文超

（山西汾西同達(dá)工程設(shè)計有限責(zé)任公司， 山西 介休 032000）

1 兩渡煤礦原排水系統(tǒng)概況

兩渡煤礦+315 m水平井底車場附近的中央排水系統(tǒng)與中央變電所聯(lián)合布置。其中，+315 m水平中央排水泵房設(shè)有3臺D500-80×8型礦用排水泵，配套電機1 000 kW、6 kV，1套液壓站及3臺ZDYF型液壓閘閥，水倉分為主、副水倉，總?cè)萘? 300 m3；沿副斜井布置三趟主排水管路，每趟管設(shè)置有2臺ZB90-24/300型電動閘閥，水泵真空管路配置3套電動球閥。礦井水從出水點通過小泵或者自流入采區(qū)水倉，采區(qū)水泵房將收集的礦井水通過管路排入到中央主副水倉，再由中央排水系統(tǒng)經(jīng)副斜井排至崔家溝工業(yè)廣場的礦井水處理站。

兩渡礦排水控制系統(tǒng)人工操作復(fù)雜，操作故障率頻發(fā)，同時存在系統(tǒng)功能老舊、電耗高等問題，且相關(guān)設(shè)備、備件都難以購買；一旦出現(xiàn)故障，設(shè)備無法及時更換修復(fù)，應(yīng)急搶險能力弱，系統(tǒng)存在安全隱患。

2 排水系統(tǒng)總體改造方案

在+315 m水平中央排水泵房旁邊的中央變電所設(shè)置的礦用隔爆兼本安型PLC控制中心，在主副水倉吸水井中增設(shè)超聲波水位計、浮球液位開關(guān)等，在水泵機組設(shè)置電機軸溫度、轉(zhuǎn)速等傳感器及電動球閥，組成井下智能排水控制系統(tǒng)，進行井下水倉的水位、水量等實時數(shù)據(jù)信息收集、分析、保護及報警和控制，同時通過工業(yè)以太網(wǎng)與地面控制主機進行通訊，將井下數(shù)據(jù)傳遞到地面控制中心顯示器；同時將地面控制、反饋指令下達(dá)給井下PLC控制中心及相關(guān)排水設(shè)備?；赑LC控制技術(shù)與礦井?dāng)?shù)據(jù)網(wǎng)融合的排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，詳見圖1[1-2]。

圖1 自動化排水控制系統(tǒng)圖

3 硬件系統(tǒng)的優(yōu)化

3.1 保護控制系統(tǒng)的優(yōu)化

原水泵房采用繼電器控制改為采用德國西門子S7-200工業(yè)控制可編程控制器（PLC）控制，控制器作為礦井排水系統(tǒng)的核心，它的作用為：檢測監(jiān)控水倉水位、電機電流電壓、管道的排水流量及出水口壓力等，具有分析、儲存、傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)信息和控制下位機、接受上位機命令。

3.2 傳感器的增設(shè)

在水倉吸水井安裝液位傳感器，在水泵加設(shè)溫度傳感器，管路上配置流量傳感器、壓力傳感器、負(fù)壓傳感器；傳感器接入PLC控制器。

4 軟件系統(tǒng)的優(yōu)化

4.1 軟件設(shè)計

與原中央水泵房采用繼電器控制排水系統(tǒng)相比，在+315 m水平的中央變電所安裝礦用隔爆兼本質(zhì)安全型礦井自動排水控制箱，其內(nèi)安裝西門子系列PLC及過程控制軟件。該軟件收集、處理中央水泵房各種排水信息，計算最優(yōu)控制策略控制系統(tǒng)變化；該軟件具有上傳給上位機井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的報警、顯示信息、統(tǒng)計報表，實現(xiàn)水泵房監(jiān)控子系統(tǒng)的PLC數(shù)據(jù)與全礦井的監(jiān)控系統(tǒng)融合、監(jiān)測、控制及共享。

4.2 界面設(shè)計

地面控制中心電腦界面具有顯示各設(shè)備運行參數(shù)、管道及節(jié)點走向的主界面；同時設(shè)置有水位、壓力、溫度等參數(shù)顯示界面和報警記錄界面。

5 控制系統(tǒng)的優(yōu)化

與原來復(fù)雜的人工啟動水泵相比，該水泵房自動排水系統(tǒng)設(shè)置地面和現(xiàn)場自動、現(xiàn)場手動、檢修三種工作方式。

1）自動：設(shè)置地面和現(xiàn)場自動，根據(jù)優(yōu)先等級確定控制權(quán)利；按照排水儲水量、水位和自動排水工藝，分析收集相關(guān)信號計算開啟水泵臺數(shù)、水泵名稱、排水管路，實現(xiàn)從抽真空、開閘閥啟泵排水全過程自動化；根據(jù)水位高度，分析計算出單臺水泵可輪換工作和啟動多臺水泵工作工作制度。

2）手動：人工觀測水位、水量，人工開啟電動球閥，開啟增壓泵實現(xiàn)管道注水；開啟排水泵順序、數(shù)量及排水管路，手動開停水泵。

3）檢修：當(dāng)檢修班檢修時，人工操作優(yōu)先，自動解除閉鎖，任意操作單個水泵、電動球閥等相關(guān)設(shè)備；依據(jù)自動化排水系統(tǒng)的監(jiān)測準(zhǔn)確地找到排水系統(tǒng)設(shè)備的問題、障礙。

6 應(yīng)用效益

6.1 系統(tǒng)組網(wǎng)，智能監(jiān)測

PLC控制系統(tǒng)作為礦井智能化監(jiān)控平臺的重要子系統(tǒng)，擁有監(jiān)測水泵各工況參數(shù)、水倉水位等信息的收集、處理功能，通過TCP/IP的RJ45接口與礦井智能化監(jiān)控系統(tǒng)連接，實現(xiàn)基于PLC技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)的智能化排水系統(tǒng)[3]。

6.2 減少人員，增效節(jié)能

系統(tǒng)擁有“地面控制”或“自動控制”工作方式；通過PLC處理系統(tǒng)，水泵在現(xiàn)場集控中心、地面調(diào)度中心集中控制，達(dá)到無人值守和減崗增效目標(biāo)。

根據(jù)水倉儲水量變化、礦井工作制度和井下用電負(fù)荷信息，在用電峰段時間水倉充分蓄水，停水泵等待；在用電谷段時間調(diào)整啟動水泵數(shù)量、順序，增加水泵壽命及減少電能的浪費。實現(xiàn)井下泵房的躲峰填谷運行。

6.3 水量監(jiān)測，早期預(yù)警

根據(jù)水位傳感器和水泵監(jiān)測數(shù)據(jù)傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測水倉水位、電機功率、管道流量、軸承溫度、管道真空度等參數(shù)，CPU運算、模擬量水位上漲速度，結(jié)合平時收集的涌水?dāng)?shù)據(jù)對比，模糊理論定出礦井單位涌水量，實現(xiàn)突水事故的提前預(yù)知、提早預(yù)警、迅速緊急排水。

6.4 操作簡單，易排故障

井下集中控制平臺、地面調(diào)度中心實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制檢查、啟停，水泵開停順序自動設(shè)置，降低了現(xiàn)場人員的操作難度，同時降低了誤操作率以及水泵不正確啟動的概率。

檢修人員根據(jù)現(xiàn)場控制中心、地面調(diào)度控制中心顯示器的各故障信息、報警事件，及時準(zhǔn)確地找到故障位置和類型，對水泵的軸承超溫、電動機不啟動、真空壓力不夠等運行故障及時檢修。