煤礦井下水泵綜合自動化及遠程控制設(shè)計

摘 要：煤礦排水系統(tǒng)不僅是煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一也是主要的用電設(shè)備之一，其可靠、高效運行對于煤礦安全生產(chǎn)和降生產(chǎn)成本意義重大。本文針對我國目前煤礦井下中央泵房仍普遍采用人工控制方式的現(xiàn)狀，提出了一種優(yōu)化控制策略并給出了實現(xiàn)流程，設(shè)計了一套采用西門子PLC作為控制器的分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，通過光纖與地面上位機進行通信，實現(xiàn)井下中央泵房的遠程監(jiān)控與控制并進行數(shù)據(jù)歸檔，提高了煤礦生產(chǎn)的自動化水平同時降低了生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：泵房；PLC；自動化；遠程控制

煤炭行業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一，隨著煤炭行業(yè)的高產(chǎn)高效發(fā)展，礦井安全問題已經(jīng)成為制約煤炭生產(chǎn)進一步發(fā)展的重要因素。在煤礦開采過程中，由于地層中含水的涌出，雨水和江河水的滲透，水砂充填和水力采煤礦井的井下供水，將要有大量的水晝夜不停地匯集于井下，統(tǒng)稱為礦井水。為保證礦井的正常生產(chǎn)需將這些水及時有效地排至地面，可見礦井排水系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，其工作的安全、可靠性和工作時間的合理調(diào)配，對整個礦井的安全高效生產(chǎn)有著重大意義。

本文以淮北礦業(yè)臨渙煤礦排水系統(tǒng)為例：臨渙煤礦井下一水平中央泵房內(nèi)共設(shè)有5臺水泵，每臺水泵配一臺電機，按規(guī)定最多可以同時運行3臺，其余兩臺一備一檢修。水泵的型號為MD450-60×9，電機型號為YAK560-4，電機電壓為 6KV 功率為1120KW，采用真空泵抽真空方式啟動。

一、功能與特點

（一）根據(jù)工作方式的選擇、水倉水位及工作時間等情況自動確定水泵的開啟臺數(shù)并自動啟停，以保證水位處于安全值。

（二）實現(xiàn)水泵的均勻耐磨設(shè)計。實現(xiàn)水泵的自動輪換工作，使每臺水泵的磨損程度基本一致，從而提高運行的安全可靠性。

（三）根據(jù)電網(wǎng)負荷和供電部門所規(guī)定的谷段、峰段供電電價時間段，按“避峰填谷”原則確定開、停水泵時機，從而更加合理地利用電力資源，降低生產(chǎn)成本，提高礦井電網(wǎng)運行質(zhì)量。

（四）監(jiān)測水泵及其電機的工作參數(shù)，測算水泵的運行效率，為水泵的維修保養(yǎng)提供科學依據(jù)。

（五）采取有效的抗干擾措施，同時在軟件上增強系統(tǒng)的抗干擾性，防止因干擾引起的誤動作影響生產(chǎn)。

（六）自動輸出排水系統(tǒng)的周、月報表 。

（七）系統(tǒng)有與工業(yè)以太網(wǎng)連通功能，可利用局域網(wǎng)實現(xiàn)信息資源共享，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

二、系統(tǒng)概況

井下各泵房水泵自動控制系統(tǒng)主要由控制器、檢測、執(zhí)行等單元組成。本系統(tǒng)控制器采用西門子S7-300系列 PLC；檢測單元分為兩部分：1.模擬量檢測部分：其主要有水位傳感器，流量傳感器、壓力傳感器、真空傳感器、溫度傳感器、電流變送器、功率變送器等組成 2.數(shù)字量檢測部分：包括水泵電機、電抗器、電動閘閥和電磁閥等設(shè)備的運行狀態(tài)檢測返回值；執(zhí)行部分由水泵電機、電動閘閥、電磁閥、真空泵等組成。

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1：

本系統(tǒng)采用分布式控制方式，在井下為每臺水泵配置 PLC 控制柜一臺，其中一臺設(shè)為主站，其他設(shè)為分站，主站和分站采用專用通信電纜連接，主站和地面計算機采用光纖通信。控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。遠程工業(yè)計算機利用友好的人機界面實現(xiàn)人機對話和遠程監(jiān)控功能；PLC主站除監(jiān)控1#號水泵外，還負責與地面計算機交換數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)匯總通過工業(yè)以太網(wǎng)傳入上位機，進行實時數(shù)據(jù)庫歸檔；各分站負責監(jiān)控各自的水泵，并通過MPI網(wǎng)絡與主站交換數(shù)據(jù)。

三、 功能實現(xiàn)與程序編制

（一） 水泵機組的均勻磨損設(shè)計

設(shè)計目標及原因：備用泵或管路會因長期不用而使電機受潮或有其他故障而未被發(fā)現(xiàn)，當遇緊急情況需要投入時而不能投入，以至影響礦井安全。為了防止這種情況發(fā)生，本系統(tǒng)采取“輪換工作制”使各水泵機組磨損基本一致，提高運行的安全可靠性。

實現(xiàn)方法：程序以每臺機組的累計運行時間作為判斷依據(jù)，每臺機組的累計運行時間是該機組停止時刻時間值減去該機組投入運行時刻的時間值。累計運行時間最小者投入當次運行，依次循環(huán)下去，當某臺泵或?qū)倨涓綄僭O(shè)備出現(xiàn)故障時系統(tǒng)報警，同時該泵退出輪換，其余各泵仍按輪換制運行。

（二） 初始投入水泵臺數(shù)的自動確定

設(shè)計目標及原因：根據(jù)水倉水位的變化，合理調(diào)度水泵在用電的谷段時間工作，避免峰段起動，調(diào)度各水泵將水倉水位排降到設(shè)定水位，使水倉騰出盡可能大的容量容納更多的礦井涌水，在峰段盡可能減少開泵，達到節(jié)省電費指出，確保重要負荷的供電。

實現(xiàn)方法：PLC通過檢測水倉水位變化和水泵的排水量，依據(jù)所建立的數(shù)學模型，可計算出當前水倉容水量、礦井涌水量和水倉剩余容積，并以保存在數(shù)據(jù)庫中。在谷段和平段，PLC通過計算得出所需要起動水泵的臺數(shù)并控制水泵工作，在運行過程中不斷檢測適時調(diào)整水泵的工作情況，使水倉水位在谷段結(jié)束時達到設(shè)定水位；在峰段，PLC通過檢測水倉水位的變化和計算，檢測水倉在峰段結(jié)束前的水位情況，必要時起動水泵，防止發(fā)生水倉溢水。

（三）后續(xù)投入水泵臺數(shù)的自動確定

設(shè)計目標及原因：1.礦井的涌水量隨季節(jié)等因素不同變化量很大，投入臺數(shù)的自動確定對礦井的安全可靠運行提供有力保障；2.通過投入臺數(shù)的自動確定來確保在規(guī)定時間內(nèi)使水位降至要求值，實現(xiàn)控制上的優(yōu)化達到節(jié)能降耗的目的。

實現(xiàn)方法：根據(jù)水位的變化率確定開泵臺數(shù)。開泵后記錄其當前水位值，然后每隔5min 記錄一次被處理后的水位值。將第4次的水位值減去第1次的水位值即得過去15min 里水位的變化△h，若△h小于預設(shè)值則認為水泵當前開的臺數(shù)不足以應付當前的涌水量，即起動臺數(shù)不夠，自動增加一臺泵進行工作。

（四）水位信號的準確可靠檢測

水倉水位是整個系統(tǒng)的控制對象，所以水位信號的準確檢測意義重大。而影響水位號的準確檢測的因素來自兩個方面：1.水位計故障。2.水位信號干擾。

本系統(tǒng)采用“雙水位計”保證水位的可靠測量，PLC同時對兩個水位計進行取樣，如果兩路信號相差大于設(shè)定值，系統(tǒng)報警，要求值班人員進行檢查；對于干擾信號同時進行軟件過濾，防止誤動作：使用軟件延時的方法進行信號消斗，且回差足夠小時才當作控制量使用。同時系統(tǒng)還可配備一臺開關(guān)量水位傳感器用于上、下限水位極限報警。

（五） 真空度信號的檢測優(yōu)化設(shè)計

由于真空度的高低與泵腔內(nèi)水位有著嚴格的對應關(guān)系，真空度越高腔內(nèi)水位越高，而水泵的正常起動要求腔內(nèi)水位到達一定高度，為實現(xiàn)水泵的快速起動，即在腔內(nèi)水位到達某一固定高度時立刻起動，需要對腔內(nèi)水位進行監(jiān)測。但由于水倉水位經(jīng)常變換，使得水泵吸水管內(nèi)的水位相對于水泵不是一個固定值，造成不同水位要實現(xiàn)快速起動的真空臨界值是變換的。故要實現(xiàn)水泵的快速起動需要結(jié)合水倉水位、真空度信號進行協(xié)同控制，即根據(jù)水倉水位計算出每臺水泵起動時所需達到的真空度，并將實測值與該計算出來的值相比較，達到該值時立即開泵從而準確判斷起動時機，達到縮短開泵時間快速開泵的目的。

（六）礦井涌水量和水倉容量的測定

根據(jù)礦井的涌水量來控制水泵的運行臺數(shù)和“避峰填谷”實現(xiàn)節(jié)能目的都需要知道水倉的容量和涌水量，才能可靠保證水倉水位處于安全值和準確判斷何時水位達到安全值，以便合理規(guī)劃開泵臺數(shù)和開泵時間。

四、干擾處理

井下工作環(huán)境較為惡劣，不可避免存在各種干擾，會使控制精度降低、PLC 內(nèi)部數(shù)據(jù)丟失、機器誤動作等。主要干擾源有：空間輻射干擾、電源干擾、電弧干擾、反電勢干擾、共模干擾、常膜干擾等。

針對干擾源采取的抗干擾措施有：

（一）采用專用電源，電源供電要與大的用電設(shè)備分開，避免大用電設(shè)備啟停時對電源供電質(zhì)量的影響。

（二）合理布線。將動力線、控制線和傳感器輸入線分開單獨布線，保持一定距離；傳感器信號線屏蔽層接地。

（三）為避免或減小電弧對 PLC 的電磁干擾，應盡量將 PLC 遠離大電機啟動裝置，如低壓斷路器、交流接觸器等；選用滅弧性能好的低壓斷路器和交流接觸器。

（四）軟件方法增強抗干擾能力，提高系統(tǒng)健壯性。為了抑制電壓、電流等模擬信號的現(xiàn)場瞬時干擾，本系統(tǒng)采用平均值法，即用n次采樣值的平均值來代替當前值。其原理是：每采樣一次就與前n-1 次的歷史采樣值相加，然后除以n得到當前值。這樣每一次的當前值總是與歷史值相關(guān)，能有效減小瞬時干擾的影響。

五、結(jié)語

該套綜合自動化控制系統(tǒng)已在我礦井下泵房投入使用，達到了較好的效果，并且在功能上逐步優(yōu)化，不僅滿足了井下排水的需要，而且明顯提高了煤礦自動化管理水平，降低了生產(chǎn)成本，提高了生命的安全可靠。