井下排水自動化系統改造研究和應用

胡正鑫

(銅陵有色銅冠〈廬江〉礦業有限公司，安徽 廬江231563)

0 引言

我礦筆東泵房安裝有3 臺200D65×6 水泵， 單機拖動功率500kW。水泵投入運行后，由于閘閥口徑較大、壓力高，停泵時完全關閉困難以及逆止閥關閉不嚴和人工操作不當等多種原因，造成水泵底閥損壞頻率很高，最多時一個月損壞達10 起，造成水泵因沒有引水而無法投入運行，嚴重影響筆東排水安全，同時備件消耗大，維修時只有將泵吸水管拆下，更換底閥，檢修勞動強度高。

為解決筆東排水安全上存在的隱患，決定對筆東泵房進行自動化改造。 現針對電氣的控制原理和控制特點進行如下說明。

1 系統架構

系統包含電源柜、繼電器柜、PLC 控制柜、儀表箱、操作臺及三臺就地控制箱。

系統采用西門子可編程控制器（CPU 313C-2 DP）作為控制元件，通過profibus 通訊線與三臺控制箱中的IM153-1 子站進行通訊，實現集中和就地控制。 配備CP343-1 通訊模塊和工業交換機，通過光纖將信號上傳到遠程上位機，實現遠程監控功能。 并且通過設置上位機的中WINCC WEB navigator，使得礦網內的電腦均可以通過遠程桌面連接實時監控筆東泵房排水狀態，技術人員無需到現場即可知道水泵的實時狀態。

2 系統功能

針對礦山排水的實際要求，本系統主要實現如下幾項內容:

（1）選擇性能可靠地儀器儀表，實時監測水泵排水系統各主要參數，包括水位、電壓、電流、排水壓力、功率、電機溫度、回水溫度、水泵軸承振動、真空度、排水流量、真空流量以及各開關、閘閥的狀態等。

（2）采用西門子S7300 系列的可編程控制器實時采集水泵房各類設備的狀態參數，并根據水位、峰谷時段、用水需求等因素自動控制水泵機組的啟停，實現水泵房的無人值守。

（3）PLC 控制柜配備CP343-1 通訊模塊和工業交換機， 接入礦井工業以太網，實時將水泵自動化系統的數據上傳至礦山設備管理系統中，實現遠程監控功能。

（4）系統設置自動、手動、檢修三種狀態，能夠實現全自動、遠程半自動（上位機上一鍵啟動）、現場手動三種開泵方式。

（5）遠程監控系統以WINCC 界面顯示系統運行狀況，實時顯示水位、電壓、電流、流量、壓力和各開關及閘閥的狀態，具有報警、歷史故障查詢、歷史電流曲線、報表等功能。在WINCC 中設置操作密碼，管理人員可在登錄后一鍵啟停水泵。

（6）設置輪換工作機制，使得水泵均衡磨損。

（7）設置水位和峰谷時段共同參與控制的啟停機制，最大量的降低排水電耗，同時保障礦山排水安全。

（8）采用運行可靠、實現真空度高、抽真空時間短的真空泵運行，一用一備。采用真空管流量和真空度測量雙重檢測，同時，選擇合適位置安裝真空管，以保證泵腔無氣體。

3 系統控制原理

（1）自動輪換工作

為了防止因備用泵及其電氣設備長期不用而使電機和電氣設備受潮或銹死，在工作泵出現緊急故障需投入備用泵時，而不能及時投入以至影響礦井安全，系統設置自動輪換工作控制，對單臺水泵運行時間進行統計累加，當累加時間相差小于設定值時，原則上1～3# 泵依次運行，即打開1# 泵啟停1 次后，下次開停即為2# 泵，依次為3# 泵，2# 泵故障不能啟動時，及時啟動開啟3# 泵。 以使各臺水泵具有較為平均的開機時間；當累加時間相差超過設定值時，說明時間短的水泵效率較高，可優先啟動。 這樣輪換工作，既可促使各水泵磨損量相近，延長其使用壽命，也可防止備用泵長時間不開而導致在需要投入時不能及時投入，保證礦山排水安全。

（2）自動控制

水泵啟動之前需要使其葉輪完全淹沒于水中，才能實現正常的排水。若真空度不夠，將會造成水泵空轉和泵體磨損。系統采用真空泵抽真空，由真空表、電磁流量計監測真空度。

水泵的開機順序為：

◆打開真空泵，自動抽真空；

◆檢測真空度，確定達到開泵條件；

◆抽真空完畢，開啟水泵；

◆打開排水管路上電動閘閥；

◆關閉真空管路上的電動球閥，停止真空泵；

◆水泵自動開機完畢。

水泵關機順序為：

◆關閉出水電動閘閥；

◆停止水泵運行。

（3）運行模式

水泵自動化系統具有三種工作方式，“自動”、“手動”、“檢修”。

自動：自動控制下， PLC 采集各種信號，集中控制水泵及閘閥的啟停。 由超聲液位傳感器連續檢測水倉水位，根據吸水井的水位及峰谷時段因素，合理調度自動開停水泵及其閥門，在正常水位時，各臺水泵能自動輪換工作，最大涌水及突出涌水時，自動投入必要數量的水泵運行。 此方式下可實現無人值守。

當水泵出現故障時，能夠及時報警，并能夠自動開啟備用水泵。

手動：操作工人根據水倉顯示水位，人工手動開停水泵及確定開泵臺數，電機及其閥門的開、停由PLC 自動執行，即PLC 完成單臺水泵抽真空、啟泵、開液壓閥等自動控制，并完成運行停止。

手動運行包括現場手動運行及遠程上位機上手動運行兩種操作模式。

檢修：可操作任一水泵電機，電動閘閥，電動球閥的開關，可以實現不通過PLC 完成水泵的啟停。 相互動作互不閉鎖。

圖1 水位控制流程

（4）以水位控制為核心的工作原理

水泵開啟時，首先檢測水倉水位，水倉水位由超聲波液位計進行檢測，浮球液位計作為后備，設置點為超限水位。 設定四個水位限值：H1（超限水位）、H2（報警水位）、H3（啟動水位）、H4（停泵水位），（現分別設置為水倉距液面距離：0.7 米、1 米、2 米、3.1 米， 設置具體數值隨涌水情況可改變。

在高峰用電時段，水倉水位上升至報警水位時，開啟一臺水泵，如果水位繼續上漲至超限水位，則備用泵（自動狀態下）全部自動投入，遠程監控同時發出訊號。 當水位降至H3 時，備用泵自動停止，只保留一臺水泵運行。

在平谷或低谷時段，當水位超過啟動水位，開啟一臺水泵，當開啟一臺水泵運行一段時間后，發現水位仍然上漲，則順序開啟下一臺水泵。 當水位下降到H3 以下時，則停止一臺運行時間較長的水泵。

對于具備開啟條件的水泵，在開啟前首先啟動真空系統，檢測真空度，真空度達到后即可開啟。

當水泵出現故障時，及時停泵，顯示報警。

（5）根據避峰就谷的原則合理設置開泵時間

12 時到17 時平段電時間和23 時到8 時谷段電時間為允許開車時間，當液位達到啟動水位則自動起動水泵，直到將水位降至停泵液位。 因為水量不大，完全可以實現用低谷電排水。

經過多次試驗，我礦正常運行中每天23 時準時啟動水泵，達到降低用電成本的效果。

4 系統隱患探討

系統自2010 年7 月完成自動化改造后，運行一直比較穩定。由于筆東-510m 水泵房只有筆東豎井可下， 在筆東卷揚2012 年更換電機和2014 年初的更換首、尾繩及配重過程中，人員都無法到達水泵房現場，而水泵都能自動啟動，保障了排水安全，同時為檢修爭取了時間。

系統在擁有安全和節能優點的同時，也存在著部分隱患，具體如下：

（1）水泵房安排一個巡檢人員，無操作人員，而當巡檢人員責任心不強，發現問題不及時，或在職責范圍內的工作不認真執行，將影響水泵的安全穩定運行。

（2）泵體抽真空是關鍵的一步，但是對于填料密封的水泵，盤根總會有所磨損，密封性不是很好，抽真空的同時盤根處會漏氣，影響很大。

（3）盤根需要經常更換，且效率不高。

（4）水環真空泵都裝有過載保護繼電器，此過載保護繼電器跳了之后整個系統都將失去自動功能，需要人工現場恢復或切換到另一真空支路。

針對以上問題，我們一方面強化人員考核，加強設備保養；同時安裝輔助設備，在水環真空泵運行同時，對盤根處進行水封。

5 結束語

系統的先進性主要表現在其穩定性、可靠性和安全性能。 同時我們通過涌水實際合理設置水位點， 使水泵運行幾乎都在低谷時段，從而主井排水也相繼在低谷時段，大大降低了排水費用。

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