基于用電避峰填谷及PLC的礦山水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)

孫秀金　盛有錫　陳慶亮

摘 要 礦山水泵是礦山排水的重要設(shè)備，也是大型耗能設(shè)備，采用用電避峰填谷策略及PLC控制技術(shù)對其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，使之始終運(yùn)行在良好狀態(tài)，對降低水泵能耗、節(jié)約礦山運(yùn)營成本、提高礦山的本質(zhì)安全具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】礦山水泵 PLC 自動(dòng)控制技術(shù)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，我國的電力資源供應(yīng)愈發(fā)緊張，電力供應(yīng)部門制定了不同時(shí)間段用電異價(jià)政策來調(diào)節(jié)電力供應(yīng)。礦山井下排水均為大功率水泵，用電大約占礦山生產(chǎn)用電的20%左右，統(tǒng)計(jì)各地峰谷電價(jià)，峰期電價(jià)約是谷期電價(jià)的4.25倍左右，如采用智能控制系統(tǒng)進(jìn)行錯(cuò)峰排水，可節(jié)約井下排水項(xiàng)目大約40%的電費(fèi)。

自動(dòng)控制系統(tǒng)可以根據(jù)水倉水位的高低及時(shí)間段自動(dòng)控制水泵的啟停，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控水泵的各種運(yùn)行參數(shù)，降低水泵的故障率，降低礦山的運(yùn)行成本。

1 礦山排水自動(dòng)控制系統(tǒng)的國內(nèi)現(xiàn)狀

目前，許多礦山井下主排水系統(tǒng)還采用人工控制，水泵的開停及切換均需人工完成，完全依賴工人的責(zé)任心，也無法預(yù)測水倉水位的增長速度。極少數(shù)大型礦山安裝了部分遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，但僅僅實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的水泵啟停，做不到根據(jù)水位和其他參數(shù)在用電的峰谷期自動(dòng)開停水泵，這將嚴(yán)重影響礦山自動(dòng)化管理水平和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也容易因人為因素造成安全隱患。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泵房自動(dòng)化系統(tǒng)控制具有自動(dòng)、半自動(dòng)和檢修3種工作方式。自動(dòng)時(shí)，由PLC檢測水位、壓力及有關(guān)信號(hào)，自動(dòng)完成各水泵運(yùn)行，不需人工參與；半自動(dòng)工作方式時(shí)，由工作人員遠(yuǎn)程或就地選擇某臺(tái)或幾臺(tái)泵組投入，PLC自動(dòng)完成已選泵組的啟停和監(jiān)控工作；檢修方式為故障檢修和就地試車時(shí)使用，當(dāng)某臺(tái)水泵及其附屬設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，該水泵將自動(dòng)退出運(yùn)行，不影響其它水泵正常運(yùn)行。

整個(gè)控制系統(tǒng)包括PLC控制部分、現(xiàn)場輸入輸出設(shè)備、傳輸設(shè)備等。

PLC控制部分主要由可編程控制器、信號(hào)變送器、中間繼電器等組成，主要完成對信號(hào)的接收、變換、放大，并由PLC運(yùn)算、判斷發(fā)出各種控制信號(hào)，監(jiān)控水泵的運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)水泵房的無人值守。

現(xiàn)場輸入輸出設(shè)備由現(xiàn)場控制箱、傳感器和電磁閥等組成。現(xiàn)場控制箱由按鈕、指示燈等組成。傳感器包括超聲波水位計(jì)、流量傳感器、電量傳感器、溫度傳感器等，所檢測的參數(shù)主要有：水倉水位、水泵軸溫、電機(jī)溫度及設(shè)備工作狀態(tài)等。各類電磁閥、電動(dòng)球閥均為手自一體式，實(shí)現(xiàn)對相關(guān)管路通斷的手動(dòng)或自動(dòng)控制。

傳輸設(shè)備包括以太網(wǎng)控制模塊、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、服務(wù)器及傳輸光纖等，PLC控制器通過以太網(wǎng)模塊接入工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)水泵自動(dòng)控制子系統(tǒng)與全礦井的安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”監(jiān)測監(jiān)控信息共享。

3 系統(tǒng)的信號(hào)采集

水倉水位信號(hào)采集： PLC要根據(jù)水位變化情況來控制水泵的運(yùn)行情況，為保證水池水位信號(hào)的準(zhǔn)確采集，系統(tǒng)配置兩套超聲波水位傳感器并通過RS485信號(hào)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC。

真空狀態(tài)信號(hào)檢測：為保證準(zhǔn)確檢測，除在每臺(tái)水泵吸水口上安裝真空度傳感器以外，還要在真空泵的出水口安裝流量開關(guān)，通過檢測真空泵出水口是否有水流對真空度進(jìn)行確認(rèn)。

電機(jī)電量參數(shù)的采集：通過對每臺(tái)水泵電機(jī)的三相電壓、三相電流信號(hào)的采集，能夠準(zhǔn)確地判斷系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，通過準(zhǔn)確地檢測電機(jī)的工作狀態(tài)，可及時(shí)甚至提前對故障進(jìn)行預(yù)警，便于維護(hù)人員提前發(fā)現(xiàn)故障，采取預(yù)防措施。

運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的采集：系統(tǒng)參數(shù)包括兩個(gè)主排水管的累積流量及瞬時(shí)流量、每臺(tái)泵的運(yùn)行時(shí)間、各種閥門的狀態(tài)等。這些參數(shù)不僅是水泵啟、停的必要依據(jù)，同時(shí)也是對系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、查詢的重要依據(jù)。

故障狀態(tài)參數(shù)的采集：水泵發(fā)生機(jī)械故障的先兆，往往表現(xiàn)為泵體溫度的異常升高及前軸橫向振動(dòng)幅度的增大，為避免水泵在運(yùn)行過程中發(fā)生重大事故而造成的重大生產(chǎn)安全事故，并避免以此而產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)損失，系統(tǒng)對電機(jī)定子的溫度、水泵前軸的溫度、振動(dòng)、水泵管水口的壓力進(jìn)行監(jiān)測。

4 系統(tǒng)的控制軟件設(shè)計(jì)

主監(jiān)控系統(tǒng)操作軟件為Windows7 Professional，編程軟件采用西門子公司的STEP7 V5.3SP9，組態(tài)軟件為西門子的WINCC，數(shù)據(jù)庫軟件采用微軟公司的SQLserver2012版。

系統(tǒng)軟件策略主要是避峰填谷及均勻磨損。系統(tǒng)以水倉水位作為水泵的啟停的基本條件，在此條件滿足的前提下，然后再根據(jù)預(yù)定軟件策略實(shí)現(xiàn)水泵的起停。設(shè)定最低水位L1、低限水位L2、報(bào)警水位L3、超限水位L4四個(gè)水位限值。在沒有任何水泵啟動(dòng)的情況下，系統(tǒng)首先檢測水倉水位，當(dāng)水位達(dá)到L3時(shí)，首先對電網(wǎng)的峰谷時(shí)刻進(jìn)行監(jiān)測，若處于用電谷段或平段，立即啟動(dòng)使用頻率最低的一臺(tái)水泵，如果所選水泵為檢修狀態(tài)，則開啟使用頻率次低的一臺(tái)水泵；若處于用電峰段，則暫緩啟動(dòng)。當(dāng)水位繼續(xù)上升至超限水位時(shí)，則不論電網(wǎng)的峰谷時(shí)刻如何，必須立即啟動(dòng)水泵。若水位繼續(xù)上升時(shí)，則依次開啟第二、三臺(tái)泵。多臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)，當(dāng)水位降低到（L2+L3）/2時(shí)，可以依據(jù)使用頻率高低的原則，依次停泵，直到水位下降到低限水位時(shí)停止最后一臺(tái)水泵。

5 結(jié)束語

采用PLC及用電峰谷控制原理對地下礦山水泵房進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不但可以對整個(gè)水泵房實(shí)現(xiàn)無人值守，節(jié)約了人力成本，提高了礦山的本質(zhì)安全，而且實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)高效排水，應(yīng)用效果十分理想。

參考文獻(xiàn)

[1]國家安全監(jiān)督管理總局.金屬非金屬礦山安全規(guī)程GB16423-2006[Z].2006.

[2]劉暢生，宣宗強(qiáng).傳感器簡明手冊及應(yīng)用電路[M].西安：西安電子大學(xué)出版社，20005.

[3]孫振強(qiáng).可編程控制器原理及應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

作者單位

山東正元冶達(dá)科技發(fā)展有限公司 山東省濟(jì)南市 250014