基于PLC的礦井水泵自動化控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用

寧琛瑤

(西山煤電(集團)有限責(zé)任公司，山西 太原 030053)

0 引 言

煤礦隨著開采深度的不斷加大，巷道頂板承壓水治理成為礦井開采重要的難題，承壓水不能及時得到釋放極易造成大面積涌水事故。同時礦井底下水與地面水通過斷層、裂縫等涌入礦井，造成礦井透水，一旦發(fā)生礦井透水事故，極易造成人員傷亡，影響礦井正常生產(chǎn)。煤礦主排水泵是礦井重要的排水設(shè)施。傳統(tǒng)的主排水泵系統(tǒng)依靠人工操作，無法實現(xiàn)排量與涌水量的自動匹配，所以實現(xiàn)礦井主排水泵自動化控制成為了重要的研究課題，此前李畢[1]對礦井主排水泵的選型進行研究，考慮到涌水量較大，所以選用流量相對較大的水泵，并給出了水泵選型過程中各種參數(shù)的計算方法。白秀雷[5]提出了一種新型的多功能水泵聯(lián)動閥門，通過仿真分析，發(fā)現(xiàn)多功能水泵聯(lián)動閥具有結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)效果良好，為煤礦井下排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及礦井排水系統(tǒng)工作的可靠性奠定了基礎(chǔ)。筆者基于PLC控制器對礦井主排水泵控制系統(tǒng)進行設(shè)計研究，實現(xiàn)了礦井主排水泵系統(tǒng)自動化控制的目標(biāo)，為礦井防水提供一些參考和借鑒。

1 現(xiàn)狀及問題

現(xiàn)代化礦井機械設(shè)備可靠性和穩(wěn)定性的性能要求對礦井自動化、集約化水平提出了新的需求，礦井需要精準(zhǔn)、實時的監(jiān)控主排水泵系統(tǒng)等設(shè)備運行工況。傳統(tǒng)的煤礦井下主排水泵房控制系統(tǒng)采用以前的繼電器操控技術(shù)，通過人工來操控水泵的啟停和切換，增加人工操控，不能根據(jù)水倉水位或其它參數(shù)實現(xiàn)自動化操作，且系統(tǒng)存在工人勞動強度大、管理維護水平低、能耗高等缺點，無法實現(xiàn)排量與涌水量的自動匹配。為克服缺點，實現(xiàn)系統(tǒng)自動化運行和自我診斷，在保障設(shè)備運行可靠性基礎(chǔ)上，提出采用PLC可編程控制器、傳感器等電氣原件對主排水泵的控制系統(tǒng)進行電氣化技術(shù)改造是提升礦井自動化、集約化水平的有效措施。

2 PLC的礦井主排水控制系統(tǒng)設(shè)計

在礦井排水泵系統(tǒng)中，1臺排水泵往往不能滿足礦井排水需求，相應(yīng)增加過多的排水泵雖能滿足礦井的開采需求，但會造成管路資源浪費，所以一般情況下，礦井會采用1臺排水泵正常工作，當(dāng)出現(xiàn)礦井涌水量較大時，會啟用另外1臺排水泵，實行雙泵工作模式。在此之外還需在礦區(qū)備用1臺水泵，所以在整個排水系統(tǒng)中共需3臺水泵，其中每臺排水泵都擁有自身的電控系統(tǒng)和離心排水設(shè)備。

基于PLC的礦井主排水控制系統(tǒng)功能如下：①控制功能，通過PLC控制實現(xiàn)自動化排水的功能；②通訊監(jiān)控系統(tǒng)，通過傳感器及傳輸光纜進行數(shù)據(jù)的交互，實現(xiàn)井上對井下的指揮調(diào)度；③故障診斷功能，通過溫度傳感器、電流傳感器等對系統(tǒng)的溫度、電壓、電流等進行動態(tài)監(jiān)管，出現(xiàn)溫度、電壓、電流超過限定值時，立即發(fā)出報警，避免出現(xiàn)事故；④參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，通過人機界面對溫度、排水量及管道壓力等參數(shù)進行監(jiān)控[2]。

由于設(shè)備在礦井內(nèi)使用，所以在選定水泵的配套設(shè)備時需要考慮防爆，文中選定3臺三相異步電機，電動機的型號為YB25604-8900 kW，電動機的功率為900 kW，轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，電動機的額定電壓為10 kV。

2.1 檢測單元

對礦井主排水泵系統(tǒng)的檢測元件進行設(shè)計，系統(tǒng)中的檢測單元包含有水位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、超聲波流量計等。水位傳感器選用超聲波傳感器，其工作原理是利用探頭發(fā)送超聲波，得到不同超聲波數(shù)據(jù)，根據(jù)聲波在空氣中的傳播差，給出水位距離探頭的距離，將超聲波傳感器布置在2個配水箱內(nèi)，防止水位過高。溫度傳感器選用PT100無源接觸式傳感器。壓力傳感器將水管內(nèi)部的壓力信號進行轉(zhuǎn)化，得出壓力信號，將壓力信號傳輸至PLC控制器，從而提供電動閥啟動、停止的判斷[3]。

2.2 控制系統(tǒng)

中央水泵的控制系統(tǒng)由自動控制、故障報警、自動監(jiān)測及動態(tài)顯示組成。系統(tǒng)通過自動監(jiān)測得出水倉水位、電機溫度、排水管壓力等數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸至PLC控制器，PLC將接收到的信號進行判斷，發(fā)出控制命令，對3臺排水泵進行自動化控制。同時水倉水位、電機溫度、排水管壓力等參數(shù)會在上位機的界面進行顯示，如若系統(tǒng)檢測出故障后會對故障進行報警，同時彈出故障界面，并留存故障數(shù)據(jù)，以備故障分析。中央水泵自動化控制系統(tǒng)硬件配置如圖1所示。

圖1 中央水泵自動化控制系統(tǒng)硬件配置圖

如圖1所示，PLC作為系統(tǒng)的核心部件，主要對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行處理及存儲，通過運算邏輯輸出控制命令，達(dá)到水泵的啟停控制。充分考慮現(xiàn)場設(shè)備較為分散的特征，選定I/O的方式進行控制及數(shù)據(jù)采集，選用CPU315-2DP帶SINECL2-DP接口的CPU，文中選定西門子ET200M為遠(yuǎn)程處理核心。數(shù)字量輸入模塊對設(shè)備狀態(tài)進行采集，開關(guān)量包含球閥到位信號、斷路器狀態(tài)、閘閥到位信號、控制命令等，在PLC控制器兩側(cè)配置32路開關(guān)輸入模塊2塊[4]。I/O部分配置32路開關(guān)量輸入模塊1塊。在現(xiàn)場實際應(yīng)用過程中，通過RS-232、R-S485串聯(lián)通訊模塊實現(xiàn)通訊。

2.3 系統(tǒng)傳感器

傳感器主要對水泵運行技術(shù)參數(shù)進行數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)對于水倉水位、功率、壓力值、溫度、電機電壓等都是其需要檢測的重要數(shù)據(jù)。在傳感器的選型上應(yīng)結(jié)合使用場地要求，綜合考慮包含溫濕程度、溫度、是否顫動、電場變化等，挑選合適型號。

傳感器可分為全局傳感器和局部傳感器，全局傳感器采用超聲液位儀對全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行檢查，同時采用雙傳感器冗余配合，使得可靠性及精度都有一定幅度的提升。局部傳感器是通過自我診斷對系統(tǒng)進行檢測，將每個階段的數(shù)據(jù)與上個階段數(shù)據(jù)進行對比，形成數(shù)據(jù)曲線。定期對數(shù)據(jù)曲線進行分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一階段數(shù)據(jù)有較大波動時，會立刻進行報警，有效提升系統(tǒng)的運行精度及可靠性。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計需要具備如下功能：①自動解除功能和備用選用功能，3臺排水泵可以任意選定備用機組，同時在水泵沒有實際運行過程中可以進行切換，當(dāng)一臺泵機發(fā)生故障時可以迅速解除備用，保持正常運行；②手動啟動，提供人工操作界面，可以對某臺設(shè)備進行人工啟動；③順序啟動，通過設(shè)動啟動間隔時間實現(xiàn)電機的順序啟動；④水位顯示，當(dāng)水倉水位低于后高于某一數(shù)值時，及時顯示水位；⑤自動控制，在無人監(jiān)管時可以自行運轉(zhuǎn)，當(dāng)出現(xiàn)水位過高時及時抽排，當(dāng)水位過低時及時補水[5]。

系統(tǒng)自動控制軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)自動控制軟件流程圖

開始時先進行系統(tǒng)檢測，當(dāng)存在故障時，系統(tǒng)進行手動操作，當(dāng)無故障或者故障排除后方可進行自動、半自動操作。系統(tǒng)啟動后，第一步需要與開關(guān)柜進行聯(lián)通，啟動I/O處理程序，通過判斷選定三種運行方式，操作人員可以通過控制板按鈕位置判斷運行模式，當(dāng)處于自動操作模式時，自動進行系統(tǒng)運行，完成輪換工作，出現(xiàn)故障時，及時停止報警，當(dāng)處于半自動操作模式時，需要人工選定哪臺排水泵運行，后續(xù)進行自動模式，選定手動模式時，PLC不參與系統(tǒng)的整體運行。

4 應(yīng)用效果

通過對井下中央水泵控制系統(tǒng)優(yōu)化改造，系統(tǒng)會根據(jù)動態(tài)監(jiān)測水倉水位高低和用電峰谷期來自動操控運行水泵，有效降低人工、電費及后期維護成本支出，每年可節(jié)省相關(guān)費用35萬元。對于排水系統(tǒng)改造方面也能節(jié)省費用。表1為某礦人工手動排水和自動化排水費用比較。

表1 人工手動排水和自動化排水費用比較(萬元)

系統(tǒng)改造后實際運行發(fā)現(xiàn)，基于PLC的主排水泵控制系統(tǒng)可以較好的實現(xiàn)排量與涌水量的自動匹配，提升了主排水泵運行效率，避免了主排水系統(tǒng)的功率浪費，且設(shè)計后的水泵控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的進行故障識別與故障報警，在運行過程中共識別故障21條，報警2次，保障了主排水泵控制系統(tǒng)的安全性，為礦井安全生產(chǎn)提供一定的保證。

5 結(jié) 語

通過基于PLC控制對礦井主排水系統(tǒng)進行設(shè)計，給出了中央水泵自動化控制系統(tǒng)硬件配置結(jié)構(gòu)，并對自動控制軟件的流程進行分析，系統(tǒng)開始時先進行系統(tǒng)檢測，存在故障時，系統(tǒng)進行手動操作，當(dāng)無故障或者故障排除后方可進行自動、半自動操作。通過對設(shè)計后的主排水泵控制系統(tǒng)進行試驗應(yīng)用，能及時提供故障信息21條，報警2次，可為礦井排水系統(tǒng)的進一步優(yōu)化及礦井安全工作提供一定的參考。