基于PLC 的自動(dòng)排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王可樂(lè)

（鄂爾多斯市伊化礦業(yè)資源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300）

1 引言

井下采掘期間，若采掘空間與導(dǎo)水、富水結(jié)構(gòu)導(dǎo)通或者煤層內(nèi)涌水量迅速增加，則會(huì)引發(fā)突水事故。因而為提高煤礦生產(chǎn)安全，很有必要對(duì)煤礦井下排水系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，為其持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行提供支持。本文針對(duì)鄂爾多斯市伊化礦業(yè)資源有限責(zé)任公司所面臨的這些問(wèn)題進(jìn)行分析[1-6]，設(shè)計(jì)了一套基于PLC 的排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)，從而為這種排水系統(tǒng)的高效平穩(wěn)運(yùn)行提供支持，且更好地滿(mǎn)足可靠性要求。

2 井下排水系統(tǒng)概述

伊化礦業(yè)資源有限責(zé)任公司的中央水泵在設(shè)計(jì)時(shí)選擇了7 臺(tái)MD720-60×12 型離心泵，正常運(yùn)行過(guò)程中，3 個(gè)水泵運(yùn)行，3 個(gè)備用，另有1 臺(tái)檢修，涌水量達(dá)到最大時(shí)5 臺(tái)水泵同步運(yùn)行。主排水管選擇5 趟Ф377，正常運(yùn)行時(shí)3 趟工作，其余的備用，涌水量最大時(shí)5 趟全部同步運(yùn)行。

應(yīng)用PLC 器件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，通過(guò)DY1151 型電容式傳感器采集水泵相關(guān)信息，據(jù)此對(duì)水泵進(jìn)行控制。此系統(tǒng)雖然也有一部分自動(dòng)開(kāi)停水泵的功能，但自動(dòng)化程度較低，不能根據(jù)水位信號(hào)自動(dòng)開(kāi)停水泵。盤(pán)區(qū)水泵房水泵控制系統(tǒng)在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)，可基于水位信息對(duì)水泵進(jìn)行自動(dòng)控制。不過(guò)具體分析可知這種系統(tǒng)只具有根據(jù)水位自動(dòng)排水功能，自動(dòng)啟動(dòng)前還需提前開(kāi)啟出口閥門(mén)和管線閥門(mén)，也不能考慮多重因素，無(wú)法與中央水泵房控制系統(tǒng)、區(qū)域中轉(zhuǎn)水倉(cāng)控制系統(tǒng)及與各安全監(jiān)控子系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，存在一定的局限性。因而在研究過(guò)程中應(yīng)該綜合分析礦井實(shí)際情況，適當(dāng)?shù)貎?yōu)化排水系統(tǒng)，從而顯著地提高其安全性和可靠性，也為其集成控制提供支持。

3 基于PLC 的自動(dòng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，信號(hào)輸入輸出、與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互都通過(guò)可編程控制器實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)的模擬輸入信號(hào)包括水流量、真空度、主排水倉(cāng)水位、出水壓力，而電動(dòng)閥以及電機(jī)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)等為數(shù)字輸入信號(hào)?？删幊炭刂破髟诳刂茣r(shí)，相關(guān)數(shù)字輸出信號(hào)包括水泵電機(jī)的啟停信號(hào)和射流泵、排水管電動(dòng)閘閥的狀態(tài)信號(hào)等。PLC 自動(dòng)排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1。

圖1 PLC 自動(dòng)排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

（1）基本控制策略

為提高系統(tǒng)的運(yùn)行性能，且具體分析井下?tīng)顩r而確定出適宜的控制方式：主要包括全自動(dòng)控制、本地和遠(yuǎn)程手動(dòng)控制。以下對(duì)各種控制模式進(jìn)行簡(jiǎn)介。

全自動(dòng)控制：即采集水倉(cāng)水位數(shù)據(jù)，然后在“避峰填谷”規(guī)則指導(dǎo)下進(jìn)行狀態(tài)切換。

就地手動(dòng)控制：在本地通過(guò)手動(dòng)模式來(lái)控制水泵運(yùn)行狀態(tài)。

遠(yuǎn)程手動(dòng)控制：通過(guò)控制臺(tái)或上位機(jī)控制水泵的啟動(dòng)和停止。

系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，各種模式下都可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（2）系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制策略

在全自動(dòng)控制狀態(tài)下，中央水泵房、盤(pán)區(qū)水泵房控制系統(tǒng)、區(qū)域中轉(zhuǎn)水倉(cāng)控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，各系統(tǒng)之間共享監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)涌水量大小、水倉(cāng)大概入水流量，利用模糊控制方法確定開(kāi)泵臺(tái)數(shù)和時(shí)間，自動(dòng)開(kāi)停水泵，聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，盡量減少水泵開(kāi)停次數(shù)，然后在綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中接入系統(tǒng)狀態(tài)信息。

（3）水位自動(dòng)監(jiān)控和“避峰填谷”

在水位監(jiān)控時(shí)主要是基于水倉(cāng)水位信息進(jìn)行控制，而輸出指令進(jìn)行水泵控制，從而實(shí)現(xiàn)“避峰填谷”功能。這樣可以提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，同時(shí)也減少能耗?！氨芊逄罟取焙x為控制水泵處于“谷段”和“平段”模式下，控制水位到低位，從而顯著提高容積，使其在“峰段”接收的礦井涌水最大。設(shè)置H1、H2、H3 三個(gè)水位，分別對(duì)應(yīng)低水位、中水位、高水位。水位到達(dá)H2，在“峰段”時(shí)不開(kāi)泵，在“谷段”和“平段”開(kāi)泵；水位到達(dá)H3，在“峰段”開(kāi)2 臺(tái)泵，在“谷段”和“平段”開(kāi)3 臺(tái)泵。

（4）水泵和排水管路輪換工作方式

在實(shí)際運(yùn)行控制時(shí)，為避免備用泵長(zhǎng)時(shí)間不使用而導(dǎo)致電機(jī)受潮等故障，在設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇“輪換工作制”，從而及早地發(fā)現(xiàn)和處理故障。在運(yùn)行過(guò)程中控制程序可以自動(dòng)地記錄水泵啟停次數(shù)和時(shí)間相關(guān)的信息，在一定順序模式下啟停水泵和管路，從而控制其使用率保持均勻。在運(yùn)行時(shí)，某個(gè)泵或閥門(mén)故障條件下，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警提示，而將相應(yīng)的泵和管路退出，其余的依然正常輪換運(yùn)行。

（5）水泵自動(dòng)開(kāi)啟和停止控制

離心泵的啟停相對(duì)復(fù)雜，這種系統(tǒng)在控制時(shí)需要對(duì)離心泵進(jìn)行高效的啟停，自動(dòng)抽真空，測(cè)量真空度，檢測(cè)排水管壓力，對(duì)閥門(mén)進(jìn)行自動(dòng)控制。離心泵啟動(dòng)程序圖如圖2。

圖2 離心泵啟動(dòng)程序圖

（6）實(shí)時(shí)監(jiān)控

在生產(chǎn)調(diào)度指揮中心設(shè)置上位機(jī)，利用組態(tài)軟件監(jiān)控井下主要地點(diǎn)排水信息；可對(duì)其他系統(tǒng)獲取的信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，相關(guān)的參數(shù)主要包括水泵壓力、水倉(cāng)水位、管路靜壓、電機(jī)電流以及電磁閥狀態(tài)等；出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)閃爍顯示故障點(diǎn)，故障畫(huà)面自動(dòng)彈出；還可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)，對(duì)所得結(jié)果處理后建立起曲線，據(jù)此直觀地進(jìn)行對(duì)比分析。

（7）故障監(jiān)測(cè)和保護(hù)

系統(tǒng)設(shè)有以下幾種保護(hù)：過(guò)流、低電壓、漏電保護(hù)；超溫保護(hù)；漏水保護(hù)；流量、壓力保護(hù)；邏輯錯(cuò)誤故障保護(hù)。

4 自動(dòng)排水系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

伊化礦業(yè)資源有限責(zé)任公司正常涌水量約為1360 m3/h，最大涌水量為1546 m3/h，中央水泵房正常情況下只需開(kāi)啟2 臺(tái)水泵。礦井0:00—8:30 處于用電低谷期，設(shè)置此階段排水系統(tǒng)保持自動(dòng)控制方式，可以在自動(dòng)控制條件下高效地排水。礦井涌水量與排水水泵運(yùn)行信息如表1，相關(guān)排水成本對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)此表結(jié)果可知，選擇排水水泵進(jìn)行優(yōu)化控制后，排水成本顯著降低，從2 836.7萬(wàn)元下降到2 074.4 萬(wàn)元，每年可節(jié)約排水成本700多萬(wàn)元，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

表 1 排水水泵運(yùn)行情況

表 2 排水泵運(yùn)行費(fèi)用表

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)伊化礦業(yè)資源有限責(zé)任公司井下排水要求，設(shè)計(jì)基于可編程控制器的井下排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠基于水倉(cāng)內(nèi)水位而自動(dòng)啟停，同時(shí)可合理地控制運(yùn)行時(shí)間，使得礦井排水費(fèi)用顯著的減少，為提高煤礦生產(chǎn)效益起到重要作用。