泵房自動化控制系統的設計與應用

張忠魏

(山東八一煤電化有限公司，山東 滕州277524)

1 八一煤礦井下主排水系統概述

八一煤電化公司井下水泵的開停及選擇切換均由人工完成，系統不能根據水位或其它參數自動開停水泵，僅能實現就地的簡單操作，大量的實時數據不能由地面調度人員及時監測和管理，系統運行狀態以及出現故障時不能及時發現并處理，給統一調配、事故處理造成不便，而且每個泵房均設置專人專崗進行操作，這將嚴重影響井下主排水泵房的管理水平和經濟效益的提高,生產效率低，為實現礦并排水系統的集中控制和管理，八一煤礦對中央泵房進行自動化改造。

八一礦井原是一座全水力化采煤礦井，1958年建井，1963年投產，1970年經過改擴建建成生產能力75萬噸的礦井，于1992年底注銷生產能力，2007年政策性破產重組改名為八一煤電化公司。礦井井下涌水量較大，中央泵房設計安裝了6臺MD500-57×9主排水泵，配套電動機1050kW，3趟排水管路，三個水倉。正常涌水時，2臺工作，2臺備用，2臺檢修。

2 設計目標及要求

系統應滿足水泵機組起停、故障診斷和數據處理上完全自動化；達到節約能源和人力資源的功能，并能長時間連續穩定地工作。

鑒于PLC的先進性和可靠性，對中央泵房的6臺主排水泵及其附屬的抽真空系統與管道電動閥門（注：原為手動閥門）等裝置實施了PLC自動控制及運行參數自動檢測，動態顯示，并將數據傳送到地面生產調度中心，進行實時監測及報警顯示。系統通過檢測水倉水位和其它參數，控制水泵輪流工作與適時啟動備用泵，合理調度6臺水泵運行。系統通過觸摸屏以圖形、圖像、數據、文字等方式，直觀、形象、實時地反映系統工作狀態以及水倉水位、電機工作電流、電機溫度、軸承溫度、3趟排水管流量等參數，并通過通訊模塊與綜合監測監控主機實現數據交換。該系統具有運行可靠、操作方便、自動化程度高等特點，并可節省水泵的運行費用。

3 系統設計方案

3.1 系統組成

八一煤礦中央泵房井下主排水泵自動化控制系統，整個自動控制系統由數據自動采集、自動輪換工作、自動控制、動態顯示及故障記錄報警和通訊接口等5個部分組成。

圖1 八一煤電化公司泵房排水示意圖

圖2 PLC控制系統原理圖

3.2 自動控制

系統控制設計選用了日本三菱公司FX2N-64型PLC為控制主機。該無人信守系統以水倉水位作為水泵的起停的基本條件，在此條件滿足的前提下，然后再根據均勻磨損的原則、電價避峰填谷的原則實現水泵的起停。該原理為：首先設定四個水位限值：H1、H2、H3、H4（H：實時水位 H1：超限水位H2：報警水位H3：啟動水位 H4停機水位），當水位達到報警水位時，首先對電網的負荷進行監測，若處于用電谷段或平段時，可以立即啟動；若處于用電峰段，則暫緩啟動。當水位繼續上升至超限水位時，則不論電網負荷如何，必須立即啟動水泵。若水位繼續上升到超限水位時，則表明一臺水泵的排水量已不足以排除礦井出水，以礦井的最大排水能力來排除礦井涌水。不論投入幾臺水泵，水位必須下降到低限水位方可停泵。即當PLC讀取的水倉水位值為H4時，表示水倉水位低于低限水位，水泵機組將不投入運行；水位值≥H3，并且時間為電價谷段或者平段時間，一臺水泵機組投入運行，如果為峰段時間，則等待水位上漲到H2時再投入一臺水泵機組運行。當一臺機組處于運行狀態時水位仍然上漲到H1，則繼續投入一臺機組運行，如果水位仍然上漲，則陸續投入所有水泵。機組運行至水位下降到H4時，水泵機組限出運行。

3.3 系統功能及特點

3.3.1 PLC控制程序采用模塊化結構，系統可按程序模塊分段調試，分段運行。該程序結構具有清晰、簡捷、易懂，便于模擬調試，運行速度快等特點。

3.3.2 系統根據水位和壓力控制原則，自動實現水泵的輪換工作，延長了水泵的使用壽命。

3.3.3 系統可根據投入運行泵組的位置，自動選擇啟動就近的真空泵，若在程序設定的時間內達不到真空度，便自動啟動備用真空泵。

3.3.4 系統根據電網負荷和供電部門所規定的平段、谷段、峰段供電電價時間段，以“避峰 填谷”原則確定開、停水泵時間，從而合理地利用電網信息，提高礦井的電網運行質量。

3.3.5 PLC自動檢測水位信號，計算單位時間內不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，自動投入和退出水泵運行臺數，合理地調度水泵運行。

3.3.6 在觸摸屏上動態監控水泵及其附屬設備的運行狀況，實時顯示水位、流量、壓力、溫度、電流、電壓等參數，超限報警，故障畫面自動彈出，故障點自動閃爍。具有故障記錄，歷史數據查詢等功能。

3.3.7 系統具有通訊接口功能，PLC可同時與觸摸屏及地面監測監控主機通訊，傳送數據，交換信息，實現遙測遙控功能。

3.3.8 系統保護功能有以下幾種：

超溫保護：水泵長期運行，當軸承溫度或定子溫度超出允許值時，通過溫度保護裝置及PLC實現超限報警。

流量保護：當水泵啟動后或正常運行時，如流量達不到正常值，通過流量保護裝置使本臺水泵停車，自動轉換為啟動另一臺水泵。

電動機故障：利用PLC及觸摸屏監視水泵電機過電流、漏電、低電壓等電氣故障，并參與控制。

電動閘閥故障：由電動機綜保監視閘閥電機的過載、短路、漏電、斷相等故障，并參與水泵的聯鎖控制。

3.3.9 系統控制具有自動、半自動和手動檢修3種工作方式。自動時，由PLC檢測水位、壓力及有關信號，自動完成各泵組運行，不需人工參與；半自動工作方式時，由工作人員選擇某臺或幾臺泵組投入，PLC自動完成已選泵組的啟停和監控工作；手動檢修方式為故障檢修和手動試車時使用，當某臺水泵及其附屬設備發生故障時，該泵組將自動退出運行，不影響其它泵組正常運行。PLC柜上設有該泵的禁止啟動按鈕，設備檢修時，可防止其他人員誤操作，以保證系統安全可靠。系統可隨時轉換為自動和半自動工作方式運行。

4 結束語

該自動化系統完成了各種信號的采集，系統保護完備，工作流程準確，減輕工人的負擔。實現無人值守，提高了泵房的安全掛、可靠性，同時節約了大量地電能，提升了泵房的現代化管理水平。

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