煤礦井下排水泵房PLC控制系統(tǒng)

摘 要：文章介紹了羅克緯爾公司AB-PLC在井下排水泵房控制系統(tǒng)中的應用，介紹了在排水泵房中的設備配置、工作原理、實現(xiàn)方法及主要環(huán)節(jié)控制程序，使排水泵房實現(xiàn)遠程自動化控制，從而達到降低勞動強度、降低運行成本、延長設備使用壽命、提高了工作效率及安全性等目的。

關鍵詞：排水泵房；PLC；自動化控制

1 引言

萬利一礦是神東煤炭集團最北端一個千萬噸級礦井，位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市東勝區(qū)萬利鎮(zhèn)，礦井井田面積92平方公里，地質(zhì)儲量15.3億噸，服務年限73年，全礦實現(xiàn)對井下生產(chǎn)系統(tǒng)的遠程自動化控制。為滿足生產(chǎn)需要，需新建萬利一礦31煤三盤區(qū)盤區(qū)排水泵房，并實現(xiàn)遠程自動化控制。

2 井下排水泵房集中控制系統(tǒng)的概述

該排水泵房設置工作、備用、檢修三臺水泵[1]，此處選用臥式多級離心泵，配套電機132kW，二趟DN200管路，一用一備。正常涌水時，一趟工作，一趟備用；最大涌水時，二趟同時工作。水泵工作制為：正常涌水時，一臺工作，一臺備用，一臺檢修，最大涌水量時，兩臺工作，一臺備用或檢修。排水泵房的控制，宜為就地控制選距離集中監(jiān)控，有條件時，可設計為自動化排水集中監(jiān)控。集中監(jiān)控應裝設電動機電流、電動機溫度、軸承溫度、啟動水泵時真空度、排水管流量、水倉水位等監(jiān)測裝置，并應就地及集中顯示，同時應能超限報警。自動化排水集中監(jiān)控，應根據(jù)水倉水位監(jiān)測信號及水位變化率完成自動注水、閘閥的自動操作或多功能水泵控制閥的監(jiān)測、自動開停，并應能輪換工作水泵。集中監(jiān)控裝置與排水泵站分設時，與排水泵站之間應設置標志明顯的啟動聯(lián)系信號。機旁就地控制箱和集中監(jiān)控裝置應裝設水泵緊停按鈕。礦井裝備的安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，宜在排水泵房設置系統(tǒng)分站，并應將工況參數(shù)及必要的監(jiān)測信息納入安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)[1]。

此系統(tǒng)中設計三臺水泵及其附屬的真空系統(tǒng)與管路電動閥、傳感器等裝置實現(xiàn)PLC自動化控制及運行自動檢測，并通過人機操作界面及上位機以圖形、圖像、文字、數(shù)據(jù)等方式，形象、直觀、實時的反映系統(tǒng)工作狀態(tài)以及水倉水位、電機溫度、軸承溫度、兩趟排水管流量等參數(shù)，并通過工業(yè)以太網(wǎng)將這些參數(shù)傳至地面生產(chǎn)調(diào)度中心，與綜合監(jiān)測監(jiān)控主機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，以便進行實時監(jiān)測監(jiān)控水泵運行狀態(tài)、水泵啟停控制方式選擇、水泵自動輪換及故障報警等控制。實現(xiàn)本系統(tǒng)集中監(jiān)控、顯示、通訊為一體的集中自動化控制系統(tǒng)。

2.1 集中控制系統(tǒng)的工作原理

數(shù)據(jù)的自動采集主要由PLC實現(xiàn)，PLC模擬量輸入模塊通過傳感器連續(xù)檢測水倉水位的變化，并將相應的變化信號進行A/D轉(zhuǎn)換處理，然后計算出單位時間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，進而判斷出礦井的涌水量大小，控制排水泵的啟停。排水管流量、水泵軸溫、電機溫度、電機電流等傳感變送器，主要用于監(jiān)測水泵和電機的運行狀況以及超限報警，以避免水泵與電機損壞。而PLC的數(shù)字量輸入模塊則把各種開關量信號采集到PLC中作為邏輯處理判斷的條件及依據(jù)，控制排水泵的啟停。

2.2 控制過程說明

2.2.1 水倉水位檢測。整個控制系統(tǒng)都是繞圈水倉水位為核心進行的，因此，保證精確的水位檢測至關重要。為此，本系統(tǒng)特采用水位傳感器監(jiān)測水位的變化，從而控制整個排水系統(tǒng)。

2.2.2 啟動水泵。水倉水位上限傳感器傳送PLC輸出控制指令，PLC檢測返回的出水口壓力信號，PLC檢測水泵泵組設備的信息，在確定無故障的情況下，輸出啟動水泵電機信號，電機返回啟動信號，水泵出水壓力大于設定值，啟動排水泵閘閥，啟動水泵電機。

2.2.3 出水口壓力檢測。通過在水泵出水口處設置壓力傳感器[2]，用以檢測水泵的水口壓力。當水泵已啟動但排水閘閥尚未打開時，要求壓力必須大于設定值才能打開閘閥，否則說明水泵未上水，需要立即停泵。正常運行，通過實時監(jiān)測出水口壓力值來判斷水泵排水是否正常。

2.2.4 停機。為了防止水錘效應的產(chǎn)生，當水倉水位下降到設定的低水位時，首先關閉排水管的電動閘閥，然后關閉水泵電機，使其停止工作。

3 控制系統(tǒng)硬件設計

控制系統(tǒng)硬件主要包括PLC控制柜及柜內(nèi)模塊配置、就地控制箱配電柜、液位傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、電動閥等。系統(tǒng)的主要被控對象為：水泵電機、電動閘閥等。

PLC柜采用礦用一般型，安裝于井下中央變電所內(nèi)。可編程邏輯控制器選用羅克韋爾公司（Rockwell Automation）旗下AB的ControlLogix系統(tǒng)PLC產(chǎn)品，并選用1756系列相應的模塊配置與之配合工作。ControlLogix控制器采用了模塊化的設計，無源數(shù)據(jù)總線背板結(jié)構(gòu)。包括處理器在內(nèi)所有單元，根據(jù)功能設計成各種模塊，典型的處理器模塊如Logix5000處理器，所有的模塊都安裝于標準的ControlLogix機架內(nèi)。為實現(xiàn)水泵監(jiān)控子系統(tǒng)與全礦井監(jiān)控系統(tǒng)可通訊，PLC柜通過工業(yè)以太網(wǎng)模塊接入全礦井自動化控制系統(tǒng)。

3.1 集控電源系統(tǒng)設計

集控電源（AC660V）引自井下泵房組合開關，進入PLC柜后，通過變壓器DG-0.5-660/220V，將660V電壓變?yōu)?20V，再經(jīng)電源濾波器PU IIIR 230V 6KV濾波變化等變換，最終處理為AC220V和DC24V電源，分別向機架電源、儀器儀表、傳感器、PLC模塊、Flex等供電。

3.2 PLC柜內(nèi)模塊配置

根據(jù)模塊點位統(tǒng)計，PLC柜內(nèi)應安裝13槽機架1756-A13一個，機架電源選用1756-PB72一個，CUP處理器選用1756-L61一塊，機架號為000，以太網(wǎng)通訊模塊1756-ENBT一塊機架號為001，DeviceNet通訊模塊1756-DNB兩塊，機架號分別為002、003、16點開關量輸入模塊1756-IB16兩塊，機架號分別為004、005，16點繼電器輸出模塊1756-OW16I一塊，機架號為006，模擬量輸入模塊1756-IF16一塊，機架號為007，溫度模塊1756-IR6I三塊，機架號為008、009、010，機架空槽余量為兩個。與輸入/輸出模塊相對應的20P接線臂1756-TBNH五塊，36P接線臂1756-TBCH兩塊。

3.3 井下排水泵房監(jiān)測儀表的選擇[1]

水倉中安裝兩只DB1010-5m液位計，離心泵的吸水管上裝設DY1151GP真空表又稱壓力計，水泵排出管上裝設流量計裝置。以上儀表均具有防沖擊功能。

4 控制系統(tǒng)軟件設計

4.1 水位監(jiān)控

水位信號是水泵控制一個非常重要的參數(shù)，本系統(tǒng)采用雙水位計測量水倉水位的變化。水位信號為Hi，最低水位點為H1，高水位點為H2，警戒水位點為H3，極限水位點為H4。當HiH2時，可立即啟動工作水泵排水；當Hi>H3時，必須啟動一臺水泵排水；當Hi>H4時，開啟兩臺水泵同時排水。其程序流程圖如圖1所示。

4.2 單臺水泵啟停的邏輯實現(xiàn)

首先， PLC進行初始化，各泵組處于停機狀態(tài)，PLC接受來自各傳感器的數(shù)字量、模擬量進行計算分析，若無故障且水位信息超過了水位的允許波動范圍，即檢測到水位值大于或等于設定的水位高度時，PLC檢測水泵出水口壓力，若壓力值大于或等于設定值，則打開出水口電動閥進行正常排水。程序流程圖2所示。

5 監(jiān)控系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)借助工業(yè)以太網(wǎng)和網(wǎng)絡交換機完成控制器與觸摸屏、上位機的通訊，并最終實現(xiàn)其自動化；從人機界面設計和上位機組態(tài)兩方面完成監(jiān)控系統(tǒng)的設計，并做出人機交互界面，通過觸摸屏和上位機組態(tài)的實際應用，很好的提高了礦井自動化。

監(jiān)控系統(tǒng)部分主要由上位機組態(tài)來完成[2]。組態(tài)軟件是運行于PC平臺的一個通用工具軟件，和PC機或工控機一起可組成HMI（人機操作界面）產(chǎn)品，PLC同時將水泵的運行狀態(tài)與參數(shù)經(jīng)安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)分站傳至地面生產(chǎn)高度中心，與全礦井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)共網(wǎng)，管理人員在地面可實現(xiàn)對井下水泵房的操作、監(jiān)控和管理工作。

組態(tài)軟件的選擇：組態(tài)軟件是排水監(jiān)控系統(tǒng)的遠程監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)收集處理中心和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心，它與各種檢測、控制設備共同構(gòu)成快速影響控制中心。在本系統(tǒng)中選用RSView32作為工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件，與PLC建立通訊連接，建立廣闊的監(jiān)控應用。能過在工控機上運行，可遠程看到現(xiàn)場的畫面，參數(shù)值，報警等。

6 結(jié)束語

煤礦井下排水泵房PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對井下排水系統(tǒng)的遠程自動化控制，減輕了員工勞動強度，提高了勞動效率和工程質(zhì)量，有效提高了安全系數(shù)。

參考文獻

[1]GB 50451-2008.煤礦井下排水泵站及排水管路設計規(guī)范[S].

[2]李澤松.井下水泵房自動排水系統(tǒng)研究[J].2005.