基于PLC的礦井排水遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計

李志平，馬志誠，施衛(wèi)華

(昆明冶金高等?？茖W(xué)校電氣與機械學(xué)院，云南 昆明 650033)

0 引 言

某冶金礦山有一井下排水泵站，用于將開采作業(yè)產(chǎn)生的地下水排至地表面，以保障采區(qū)的正常開采。排水泵站與地表面高差約 500 m，雨季涌水量約為 110 m3/h，水倉容積約為 40 m3，配置揚程為 600 m、功率為 250 kW 的排水泵3臺。多年來，排水泵站一直采用人工現(xiàn)場操作排水，操作崗位配置多人確保泵站日常運行、維護。為減少井下作業(yè)人員數(shù)量，提升裝備水平，企業(yè)決定將該井下排水泵站改造為無人值守、遠(yuǎn)程控制的排水泵站。為此，需在泵站增設(shè)一套PLC控制系統(tǒng)，將人工操作的手動閘閥改為電動閘閥，增加水倉液位傳感器、管道壓力傳感器、流量傳感器、水泵振動、溫度傳感器等以滿足自動化運行需求，并利用光纖將泵站運行信息傳送至礦山監(jiān)控中心，實現(xiàn)排水泵站的無人值守，遠(yuǎn)程監(jiān)控。圖1為排水泵站管路及電動閘閥、傳感器配置。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2為排水泵站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)分為2層:第一層為礦山監(jiān)控中心，由操作電腦、監(jiān)控軟件組成;第二層為現(xiàn)場控制設(shè)備，由PLC設(shè)備和傳感器組成。礦山監(jiān)控中心通過光纖連接井下泵站PLC系統(tǒng)控制柜，將泵站設(shè)備的運行狀態(tài)、水倉液位值、管道壓力值、電動機外表溫度、水泵振動值等數(shù)據(jù)上傳至礦山監(jiān)控中心操作站，并實時顯示和控制。泵站現(xiàn)場的攝像機信號也傳至礦山監(jiān)控中心，實時顯示并記錄泵站現(xiàn)場情況。

圖1 排水泵站管路及電動閘閥、傳感器配置Fig.1 Allocation figure of pipeline and electric gate valve and sensor of drainage pump station

圖2 排水泵站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of control system of drainage water pump station

1.2 設(shè)備選型

排水泵站位于地下約 500 m 處，環(huán)境差，濕度大，空間狹小，依靠風(fēng)機強制通風(fēng)，通行也不方便?？刂圃O(shè)備的選型要考慮較高的安全性、可靠性、穩(wěn)定性、耐受性，控制系統(tǒng)月故障時間累計不得超過 2 h。

1)PLC選型。選用施耐德電氣M340系列PLC，其為高性能中型PLC平臺，具有“精巧、可靠、創(chuàng)新、易用、高性價比”等特點。本項目中的模塊選型為BMXCPS3500型號電源模塊1個，BMXP342020 型號CPU模塊1個，BMXNOM0200型號串口通信模塊1個，BMXDDI3202K型號數(shù)字量輸入模塊2個，BMXDDO1602型號數(shù)字量輸入模塊3個，BMXAMI0810型號模擬量輸入模塊3個，BMXAMO0410型號模擬量輸出模塊1個，10寸觸摸屏1個。

2)電動調(diào)節(jié)閘閥選型。通徑DN100；壓力等級 6.4 MPa ；溫度≤200 ℃；介質(zhì)為常溫水；連接方式為法蘭；閥體材質(zhì)為鑄鋼；密封材質(zhì)為硬密封；閥芯材質(zhì)為不銹鋼；電壓AC 380 V；輸入輸出信號 4～20 mA；調(diào)節(jié)型；工作方式為手動/自動。

3)電動球閥選型。通徑DN20；壓力等級 1.6 MPa； 溫度≤100 ℃ ；介質(zhì)為常溫水；連接方式為內(nèi)螺紋；閥體材質(zhì)為鑄鋼；閥芯材質(zhì)為不銹鋼；密封材質(zhì)為聚四氟乙烯；電壓AC 220 V；開關(guān)型。

4)傳感器選型。

水倉液位傳感器：量程范圍0～3 m，輸出信號4～20 mA。

管道壓力傳感器：量程范圍0.0～6.4 MPa，輸出信號4～20 mA，帶顯示屏，螺紋接口M20×1.5。

水泵及電動機振動、溫度傳感器：選用振動/溫度一體化傳感器，振動速率0～20 mm/s， 對應(yīng) 4～20 mA 輸出；溫度范圍0～100 ℃，對應(yīng)0～1 V 輸出；靈敏度 10 mV/℃。

出水管超聲波流量計：分體型壁掛式安裝，外夾式探頭，信號傳輸距離 20 m，液晶顯示，精度1級。

1.3 變頻器控制設(shè)計

變頻器是泵站運行的關(guān)鍵設(shè)備。泵站水泵電動機配置為交流 380 V，250 kW，采用變頻器驅(qū)動，實現(xiàn)水泵的啟動、流量調(diào)速控制，變頻器與PLC之間的信號聯(lián)接如圖3所示。由PLC輸出信號控制變頻器的啟停及調(diào)速，同時變頻器的運行狀態(tài)信號也反饋到PLC，與之對應(yīng)的變頻器參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖3 變頻器與PLC信號連接Fig.3 Connection diagram of frequency converter and PLC signal

表1 變頻器參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter setting table of the frequency converter

1.4 PLC控制流程

圖4為排水泵站PLC控制程序流程。開機時先進(jìn)行PLC自檢，設(shè)備初始位置檢測，正常后運行1—3#啟動控制程序。系統(tǒng)運行過程中如發(fā)生故障或安全回路信號動作則系統(tǒng)停止運行。

圖4 PLC控制流程Fig.4 PLC control flow chart

2 系統(tǒng)功能

2.1 數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計

PLC控制系統(tǒng)采集泵站電源進(jìn)線電壓、電動機運行電能參數(shù)、出水管路壓力、出水管道流量、水倉液位、電動機外表溫度、水泵振動量等。采集電動閘閥工作狀態(tài)及開關(guān)位置，電動球閥工作狀態(tài)及開關(guān)位置。采集變頻器運行參數(shù)、故障狀態(tài)。系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)統(tǒng)計、展示功能，自動記錄各臺水泵運行時間、故障等歷史數(shù)據(jù)，包括液位、主泵電流曲線查詢、排水流量累計值等，為設(shè)備維護管理提供決策。

2.2 控制功能

PLC控制系統(tǒng)設(shè)就地手動、遠(yuǎn)程控制方式，遠(yuǎn)程設(shè)手動、自動2種控制方式。

1)自動控制方式：由液位傳感器監(jiān)測水倉水位值，根據(jù)水倉水位值，自動啟停水泵及打開或關(guān)閉相應(yīng)閥門。在正常水位值時，各水泵自動輪換工作，在危險水位值時，自動投入必要數(shù)量的水泵。系統(tǒng)還可根據(jù)水倉水位值變化率給出水泵運行臺數(shù)及電動機調(diào)頻運行、閥門開度運行策略，實現(xiàn)水泵節(jié)能運行。

2)手動控制方式：操作人員根據(jù)水倉水位值，人工開停水泵及確定開泵臺數(shù)。電動機及其閥門的開、停由PLC自動執(zhí)行。手動控制可在礦山監(jiān)控中心控制電腦或現(xiàn)場PLC柜觸摸屏上進(jìn)行操作，同時對運行中的各種參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測。

維修方式：維修人員在現(xiàn)場操作水泵的啟停，電動閘閥、電動球閥的開關(guān)，解除設(shè)備間的相互聯(lián)鎖關(guān)系。

視頻監(jiān)控：在泵站關(guān)鍵運行部位設(shè)置攝像機，對泵房、水泵、變壓器等場地實時視頻監(jiān)視和記錄，操作人員也能實時觀察現(xiàn)場設(shè)備的運行情況并記錄。

2.3 保護功能

1)流量保護：水泵啟動或正常運行過程中，當(dāng)流量計檢測到管道流量達(dá)不到正常值時實現(xiàn)報警，超過設(shè)定時限后自動停泵。

2)壓力異常保護：壓力傳感器檢測管路壓力出現(xiàn)異常時實現(xiàn)報警，壓力達(dá)不到設(shè)定值自動停泵。

3)電動閘閥故障：當(dāng)電動閘閥出現(xiàn)故障時，電動閘閥驅(qū)動裝置輸出故障信號，參與水泵的聯(lián)鎖控制。

4)水位超限及水位突變報警：當(dāng)水倉水位值超過最高水位或最低水位時系統(tǒng)報警。當(dāng)水位增長速度超過正常水位增長速度時系統(tǒng)報警。

5)振動、溫度報警：振動/溫度傳感器監(jiān)測電動機及水泵的振動量、溫度值。當(dāng)超過設(shè)定值時，系統(tǒng)報警并停泵。

6)電動機故障保護：系統(tǒng)采集電動機電能參數(shù)，實現(xiàn)短路、缺相、過載、欠壓保護功能，當(dāng)出現(xiàn)以上狀況時，系統(tǒng)自動停止故障水泵，同時啟用備用水泵投入運行。

7)通訊中斷報警：當(dāng)?shù)孛媾c井下通訊線路中斷時，系統(tǒng)自動報警，同時將控制方式自動切換到就地自動運行方式。

2.4 動態(tài)顯示

礦山監(jiān)控中心操作電腦用圖形界面實時顯示排水泵站的運行狀態(tài)，包括水倉水位、各水泵開啟狀態(tài)、電動球閥和電動閘閥的開閉位置、管路的壓力和出水管路流量等。顯示泵站電源電壓、電動機運行電流、電動機外表溫度、水泵振動量，泵站運行狀況一目了然，圖5為排水泵站監(jiān)控動態(tài)顯示界面。另還有設(shè)備的手動操作界面，運行參數(shù)顯示界面等。

圖5 排水泵站監(jiān)控動態(tài)顯示界面Fig.5 Monitoring and dynamic display interface of the drainage water pump station

3 結(jié) 語

項目實施運行1年來，系統(tǒng)運行正常，其應(yīng)用效果體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)依據(jù)水倉水位值及水位變化率啟停水泵并調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。對于水泵，流量Q、揚程H、轉(zhuǎn)速n、軸功率P和效率η共同表達(dá)了泵的規(guī)格和特性，它們之間的特性關(guān)系如圖6所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速從n1變?yōu)閚2時，根據(jù)泵的比例定律，變速前后的流量Q、揚程H、軸功率P的關(guān)系如下：

Q2=Q1×(n2/n1)

H2=H1×(n2/n1)2

P2=P1×(n2/n1)3

(1)

式(1)中：Q1、H1、P1為泵在轉(zhuǎn)速n1的流量、揚程、功率；Q2、H2、P2為泵在轉(zhuǎn)速n2時流量、揚程、功率。

由此可看出，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比。泵的轉(zhuǎn)速降低，軸功率降低，消耗的電能減少，圖7表示了轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系，其節(jié)電比率如表2所示。因此相對工頻運行而言，水泵變速運行具有節(jié)能的效果。

圖6 水泵的特性曲線 圖7 水泵轉(zhuǎn)速與功率關(guān)系 Fig.6 Characteristic curve of water pump Fig.7 Relationship between pump speed and power

2)減少運行人員，相應(yīng)減少人工工資支出，可將原來的運行人員充實到設(shè)備維護檢修隊伍，提高維護質(zhì)量，減少事故發(fā)生，變事故發(fā)生后的被動檢修為主動的定期檢修。

3)通過調(diào)整水泵的開停時間避開電力負(fù)荷高峰期，有效地削峰填谷，節(jié)約電費開支。

4)控制水泵輪流工作，有效延長設(shè)備壽命，減少事故停機，提高供排水能力。

表2 變頻調(diào)節(jié)控制水泵的節(jié)電率Tab.2 Power saving rate of frequency conversion regulation and control water pump