基于PLC技術的礦井水泵房自動排水系統設計

劉保東劉 霖

(1.開灤(集團)有限責任公司唐山礦業分公司,河北省唐山市,063000; 2.鄭州大學電氣工程學院,河南省鄭州市,450001)

基于PLC技術的礦井水泵房自動排水系統設計

劉保東1劉 霖2

(1.開灤(集團)有限責任公司唐山礦業分公司,河北省唐山市,063000; 2.鄭州大學電氣工程學院,河南省鄭州市,450001)

針對唐山礦排水系統自動化水平低、耗能高以及應急能力差等問題,以S7－300及其擴展組建的控制體系為系統核心,設計了以節能降耗和安全排水為主要目的的礦井自動化排水系統。分析了系統控制要求,介紹了系統控制功能的實現和系統故障防護,最后闡述了系統運行效益。實際應用表明,系統通過對泵房最大涌水量、水倉水位變化以及設備狀態等系統模擬量的采集與處理,實現了對水泵自動切換和安全排水的控制。

PLC 礦井水泵房 自動排水系統 安全節能

開灤(集團)有限責任公司唐山礦業分公司(以下簡稱唐山礦)現有主排水泵房5個,分布在A區的902水泵房、11水平水泵房和12水平水泵房以及B區的705水泵房和905水泵房。其中902水泵房負責將9水平涌水直接排至地面,屬于直接排水方式;12水泵房負責將A區12水平涌水排至11水平水倉,11水平水泵房負責將A區11水平和12水平涌水排至地面,905水泵房負責將B區13水平和14水平涌水排至707水倉,705水泵房負責將B區12水平、13水平和14水平涌水排至地面,905水泵房、705水泵房、12水平水泵房以及11水平水泵房屬于分段排水方式。

隨著礦井開采的不斷加深,排水功率也不斷加大,目前排水電機功率可達1600 k W,排水系統長期處于持續運轉狀態,功率高、管路復雜、生產設備更新較慢以及系統效率較低直接給礦井安全造成威脅。另外,傳統排水自動化水平較低,人工需求大,目前水泵司機在冊人數已經不能滿足泵房正常運轉的需要,多方面因素致使排水成本居高不下。因此,設計一套安全可靠以及節能降耗的自動化排水系統顯得尤為重要。

1 系統控制要求

唐山礦A區12水平的正常涌水量為1.27 m3/min,最大涌水量為1.72 m3/min,水泵的額定流量為4.67 m3/min,所以12水平水泵房為工作泵1臺,備用泵1臺,檢修泵2臺。綜合12水平排水系統的特點和功能要求,一套安全且高效的控制系統應具備以下功能:

(1)滿足泵房實際運行中的監視、控制和操作功能。自動化系統能夠實時采集、分析和傳輸設備運行參數,能夠定期對各個設備的檢測數據進行采集和分析,方便檢測設備的運行狀態以及數據的歸檔記錄。具有遠程數據傳輸功能,可以將關鍵數據傳輸至中心調度,以便實現泵房的綜合管理和遠程調度,檢測和分析泵房各個控制點的參數。監控畫面必須實時顯示主要設備的運行狀況,同時能夠實現運行過程中設備狀態分析和事故報警。可根據不同時期的設備運行情況設定各個參數的上、下限值,提高自動化系統監控功能的靈活性和實效性。自動化系統應實現操作遠方、就地的兩地選擇性,并根據實際運行情況選擇在遠方或就地位置對設備進行操作。

(2)實現泵房的躲峰填谷。將一天的用電時間劃分為峰段和谷段,在峰段時間盡可能的不啟動或少啟動水泵,避免對電網產生沖擊,充分利用水倉的有效容積進行蓄水;在谷段時間統籌啟動水泵進行集中排水。谷段時,實現輪流啟動水泵排水,根據水位信號停止水泵。峰段時,通過程序控制確保泵房排水安全的前提下,盡量避免頻繁啟停水泵,造成水泵壽命的縮短及電能的浪費。

2 系統控制功能的實現

2.1 系統主要結構組成

本系統主要由礦用隔爆兼本安型可編程控制器(PLC)、本安型控制顯示臺、本安型液晶顯示屏和各種傳感器及電動球閥組成。可編程控制器是井下控制的核心設備,需要完成對井下實時數據信息的收集、分析和控制,同時與地面上位機進行信息通訊,將井下數據傳遞到地面顯示。系統結構組成示意圖如圖1所示。

圖1 系統結構組成示意圖

2.2 系統硬件連接

本系統中央處理單元選用的是西門子S7－300 PLC。S7－300是模塊化的PLC系統,提供了多種性能遞增的CPU和豐富的I/O擴展模塊,增加了系統擴展的靈活性。系統硬件連接示意圖如圖2所示。

2.3 系統網絡及接口

本系統擁有ProfiBUS－DP通訊、以太網通訊和MODBUS通訊3種通訊接口,其中防爆箱中CPU上集成的ProfiBUS－DP通訊接口作為主站與各個就地箱中的遠程I/O模塊進行ProfiBUSDP通訊,防爆箱中的MODBUS－DP模塊和流量采集箱中的流量模塊進行MODBUS通訊,防爆箱中的交換機通過雙絞線與井下礦方交換機進行連接,井下PLC上的以太網模塊以及井上監控室的兩臺工控機通過RJ45接口分別連接到交換機上,通過以太網進行通訊。

2.4 系統軟件設計

主程序設計以水位變化為主,結合躲峰填谷,在安全排水的前提下實現排水系統的整體節能降耗。泵房每天實際泵點大約5～6個,而且24 h涌水量相對穩定,根據泵房的這一特點,每天設定4個排水時間段,每段大約排水1.5 h。為了保證排水系統的安全運行,在非排水時間段內實時監測水倉水位變化,在到達設定危險水位時,優于時間設定選擇開起水泵。主程序流程示意圖如圖3所示。

圖2 系統硬件連接示意圖

圖3 主程序流程示意圖

3 系統故障防護

12水平泵房自動化排水系統可實現對水泵啟、停的自動控制,過程的數據進行實時監測以及故障防護。實時監測過程中控制系統對水倉水位、流量、壓力、溫度、真空度以及各種閥門的狀態量等實時參數進行在線監測,不斷通過CPU進行運算處理和實時融合,運用模糊理論得出最終結果,從而對排水設備進行可靠的保護。

4 系統運行效益

12水平泵房自動化改造自2015年3月開始,歷時3個月改造完成,截至2016年10月已運行1年4個月,真正實現了泵房的無人值守,也為唐山礦帶來了可觀的社會和經濟效益:

(1)降低事故率。實現自動化排水以后,不需要人工操作,減少了人為事故,降低了泵房事故率。

(2)積累經驗。本次泵房自動化改造這一成功案例,順應了唐山礦科技興礦的需要,為后續的自動化改造提供了成功的經驗。

(3)減少崗位操作人員。在實現自動化排水之前每天主要有2班、每班2個司機進行手動操作,在減少崗位操作人員方面,按節約4名司機計算,每年大約節約工資為:司機人數×司機月工資×12＝4×3600×12＝172800元。

(4)實現無高峰段排水,節省電費。實現泵房自動化以后,由PLC控制代替人工操作,排水時間嚴格按照躲峰填谷執行,每天可減少高峰泵點0.5 h,目前峰段電費為0.7739元/k Wh,谷段電費0.3250元/k Wh,每年節約電費約為:每天節約電費×365 d＝0.5 h× (0.7739～0.3250)元/k Wh×150 k W×365 d＝12288.64元。

[1] 武強,劉伏昌,李鐸.礦山環境研究理論與實踐[M].北京:地質出版社,2005

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[3] 劉華波,何文雪,王雪.西門子S7－300/400 PLC編程與應用[M].北京:機械工業出版社,2010

[4] 寇彥飛,楊潔明,寇子明.基于安全節能的礦井自動化排水控制系統設計[J].煤炭工程,2016(1)

[5] 肖利平.基于PLC技術的煤礦井下帶式輸送自動控制系統的研究[J].中國煤炭,2014(5)

Design of automatic drainage system of mine water pump room based on PLC technology

Liu Baodong1,Liu Lin2
(1.Tangshan Mining Branch Company,Kailuan Group Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063000,China; 2.School of Electrical Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou,Henan 450001,China)

Aiming at the problem of mine drainage system＇s low automatic level,high energy consumption and poor emergency response capability of Tangshan Mine,taking control system that made up of S7－300 and its extension as the core,a mine automatic drainage system with main purpose of energy-saving and cost-reducing was designed.The system control demand was analyzed and the realization of system control functions and system emergency protection were introduced,and then the running benefits were elaborated.The practical application results showed that the system could control the water pump＇s automatic switchover and safe water-repellent via collecting and processing system analog quantities such as pump room＇s maximum water inflow, water sump＇s water level change,equipment status and so on.

PLC,mine water pump room,automatic drainage system,safety and energysaving

TD744

B

劉保東(1968－),男,河北遷西人,開灤(集團)唐山礦業分公司機電科科長,高級工程師,工程碩士,主要從事礦井機電方向的研究。

(責任編輯 路 強)

劉保東,劉霖.基于PLC技術的礦井水泵房自動排水系統設計[J].中國煤炭,2017,43(1):79－81,93. Liu Baodong,Liu Lin.Design of automatic drainage system of mine water pump room based on PLC technology[J] .China Coal,2017,43(1):79－81,93.