基于 PLC 技術的礦山排水系統的自動控制

張東永

金川集團股份有限公司二礦區 甘肅金昌 737100

排 水系統作為井下礦山“八大”系統之一，在礦井安全生產中有著舉足輕重的作用，排水系統的可靠、穩定運行是礦山正常生產和防止“淹井”的先決條件。因此，《金屬非金屬礦山安全規程》將排水系統負荷列為井下礦山一級負荷，并對水泵房水泵配置提出了同一水泵房必須配置 3 臺同型號水泵，以滿足“一用、一備、一檢修”的要求。水泵控制系統作為排水系統的控制核心，其先進性、可靠性和穩定性對整個排水系統的正常運行有至關重要的作用。目前大多數國內礦山井下排水系統采用傳統的繼電器手動控制，泵站的啟停和調度完全依賴于工人的經驗和手工操作，自動化程度較低，可靠性差。筆者借助某礦井下泵站升級改造，通過采用 PLC、計算機等先進技術設計了一套礦山井下泵站無人值守的排水控制系統，并通過現場應用表明系統的自動化、信息化水平有了顯著提升。

1 礦山排水控制系統

1.1 礦山排水系統

金屬非金屬地下礦山常見的排水方式主要有自流式和揚升式。自流式排水一般僅用于平硐開拓的礦山；揚升式排水需要借助水泵將礦井涌水揚送至地面或坑外，適用于豎井或斜井開拓的礦山。揚升式排水系統分為集中排水系統和分段排水系統。集中排水系統是指礦井上部涌水通過自流至井底主排水泵房的水倉中，然后由主排水設備集中排至地面；分段排水系統是指深井開采時，若水泵的揚程不足以把水直接排至地面，可在礦井中部設置泵房和水倉，把水先排至中部水倉，再排至地面。

地下礦山排水系統主要包括水泵房、排水設備、管線及水倉等。水泵常采用吸入式吸水，即水泵位于水倉上方，靠水泵產生的負壓引水。海拔較高的區域常采用安裝在排水泵吸水管路上的喂水泵喂水。離心式排水系統如圖 1 所示。排水設備主要由水泵 (一般為離心式水泵)、電動機、喂水泵、檢測器件、驅動及控制單元、管路及管路附件等組成。

圖1 離心式排水系統Fig.1 Centrifugal drainage system

1.2 離心式水泵自動排水工藝

離心式水泵自動排水工藝如圖 2 所示。喂水倉液位計實時監測水倉水位信息，當水位達到系統設定的水位值時，PLC 打開喂水管調節閘閥、溢流水管放氣閥，啟動喂水泵對主排水泵注水、排氣；離心泵泵腔注滿水后，水通過溢流閥外側的流量開關流出，待泵腔中充滿水且無氣泡時，關閉溢流水管路電動閥，啟動離心泵電動機，喂水泵繼續為離心泵喂水，開啟出水口處電動閥，將水排至地表廢水池。當喂水倉水位下降到設定的停泵水位時，系統按照邏輯程序依次停止喂水泵和離心泵，關閉喂水和排水管路電動閥，停止排水，并打開泄水管路電動閥，將排水管路內存水排到井下中心水倉，完成一次排水。逆止閥可依靠管路回流而自動關閉閥瓣切斷水流，避免由于“水錘”現象造成閘閥和離心泵因受到排水管中的水力沖擊而損壞。

圖2 離心式水泵自動排水工藝Fig.2 Automatic drainage process of centrifugal pump

2 系統功能需求

礦山排水系統設計本著“技術先進、可靠”和“自動化減人”的設計原則，具有以下功能[1-5]。

(1) 具有現場手動、現場自動、遠程手動和遠程自動 4 種控制方式，以滿足系統維護檢修、應急啟停和無人值守的要求。

(2) 具有完善的狀態檢測和系統保護及報警，對各水泵電動機電流、電動機溫度、軸承溫度、水泵振動、電動調節閥開度、排水流量、壓力、水倉水位等參數進行實時監測，并依據檢測數據分析實現對系統設備的過流、速斷、超溫保護和故障停車。

(3) 具有 6 臺水泵“自動輪換使用”管理功能，實現對 6 臺水泵均衡、合理使用，防止某臺水泵過度使用，影響使用壽命。

(4) 上位機能以動畫圖形動態模擬水泵運行情況和電動閥門的開閉情況。現場實時監測數據的圖形、數字和文字顯示功能，同時具備顯示顏色與參數閾值動態變化，突出預警的易見性。

(5) 能夠自動建立數據庫，對電流、水位、流量、溫度等工藝參數和電氣參數自動生成趨勢曲線并歸檔。

(6) 具有泵站運行時刻及累計運行時間、運行狀態、設備運行參數、故障數據的記錄和查詢功能，并可生成運行報表，具備存儲和打印功能。

(7) 具有用戶權限管理功能，將用戶設置為工程師、操作員、普通用戶 3 級訪問權限，根據不同權限分別授予程序修訂、系統操作、參數修改和監視的權利。

3 控制系統方案設計

礦山排水控制系統由現場檢測儀表、人機交互裝置、可編程控制器及其輸入輸出模塊、執行設備、網絡設備設施和上位機及軟件組成[6-8]，其控制方案如圖 3 所示。

圖3 排水控制系統方案Fig.3 Scheme of drainage control system

礦山排水控制系統采用了傳感器＋PLC＋觸摸屏/上位機控制架構[9]，分為 3 級。現場級由閥門、泵和儀表構成；控制級由 PLC、接觸器和中間繼電器等組成，完成信號的處理；監控級由上位機、上位機組態軟件、柜裝觸摸屏和網絡設備等組成，可監視系統的工作狀態，并遠程啟停設備。礦山排水控制系統設計了現場手動、現場自動、遠程手動和遠程自動 4 種控制功能。手動時，各臺設備均可在現場操作箱、觸摸屏和集控室上位機單獨操作、啟停設備；自動時，控制系統根據水倉液位檢測信號，并結合溫度、液位、壓力、流量等各種傳感器完成喂水泵自動喂水、閘閥和排水泵的自動啟停和系統保護及報警，同時，根據預定的“自動輪換”原則實現 6 臺水泵的“自動輪換”排水。

4 控制系統硬件設計

4.1 控制單元硬件設計

控制單元核心采用 PLC 系統，考慮到泵站水泵較多，控制架構采用主、子站形式，PLC 主站選用了西門子 S7-300，2 個子站選用 ET200。PLC硬件配置如圖 4 所示。系統硬件主要包括電源模塊 PS307、CPU 模板 315-2PN/DP、FEPROM952-1KL00-0AA0、機架 390-1AE80 和 195-1GG30、子站 IMF153、DI 模板 SM321、DO 模板 SM322、AI 模板 SM331、AO 模板 SM332、MOXAEDS-316 交換機、TP1500 Comfort 6AV2124 觸摸屏、DC24V/10A明緯電源、中間繼電器和 UPS 電源。CPU 自帶 2 個Profinet 和 Profibus-DP 通信口，分別作為編程和組網通信使用；MOXAEDS-316 交換機采用 Profinet 通信協議完成 PLC 主、子站之間的組網，并以以太網方式通過礦區環網將信息傳送至地面集控室。現場柜裝觸摸屏 TP1500 Comfort 6AV2124 通過 MOXAEDS-316 交換機與 PLC 通信；負載 DO 通道增設了中間繼電器來滿足負載對高帶載能力的要求。

圖4 PLC 系統硬件配置Fig.4 Hardware configuration of PLC system

4.2 檢測單元

控制系統檢測單元主要包括靜壓式液位計、溢流水流量開關、壓力變送器、電動機及水泵軸承溫度傳感器、電動機電樞熱敏電阻、水泵振動傳感器和電磁流量計。

(1) 液位計用于水倉高、低水位的檢測，為泵站排水系統的啟停提供控制信號。為了確保水位信息的絕對準確、可靠，防止排水系統由于液位“失真”誤啟動，采用冗余設計，每個水倉布置了 2 臺液位計。

(2) 溢流水流量開關用于離心泵腔體排氣及溢流管中水量的檢測。當喂水泵啟動、電動閥打開向離心泵腔體喂水時，控制系統同時會打開離心泵腔體溢流管上的溢水閥 (兼做放氣閥)，泵體內的空氣隨著腔體內水量的增加逐步排出，泵腔注滿水排空了空氣后，水從溢流閥外側的流量開關流出，通過檢測流量開關檢測流量，就可判斷泵腔內是否充滿水。根據現場試驗，流過流量開關的水流量 ≥1.0 L/min 時，水流開關輸出“通”信號，離心泵腔體內注滿水，離心泵就可啟動排水。

(3) 溫度傳感器安裝在水泵、電動機軸承和電動機電樞上，用于測量水泵、電動機軸承和電動機電樞溫度，實現溫度預警和保護。

(4) 壓力傳感器用于檢測水泵排水口壓力。

(5) 振動傳感器安裝于水泵軸承兩側，用于檢測軸承振動位移。

(6) 電磁流量計安裝在主排水管道上，用于測量流量瞬時值和累積值。

4.3 執行單元

控制系統執行單元主要包括各類電動閥、潛水泵和離心泵。

(1) 電動閥作為排水系統主要的被控對象和執行器件，主要用于控制喂水管路、排水管路和溢流水管路的通斷。設計選用了自帶“開到位”和“關到位”反饋信號的電動閥。

(2) 潛水泵主要用于完成離心泵啟動前的注水和排水過程中連續向離心泵喂水。

(3) 離心泵主要用于完成水倉廢水的排出。

5 軟件設計

5.1 PLC 控制

控制系統編程選用 SETP7 v5.6。

5.1.1 控制方式

根據排水系統維護和運行需求，系統具有現場手動、現場自動、遠程手動和遠程自動 4 種控制方式，以滿足維護檢修、應急啟停和無人值守的要求。

(1) 手動控制 要求水泵操作人員結合現場或上位機監控平臺實時情況、儀表顯示數據、排水設備控制程序等要求啟停水泵。每臺設備均需操作人員在現場操作箱上或上位機上單獨操作。

(2) 自動控制 通過喂水倉液位計檢測到的水倉液位情況，自動啟停排水設備。喂水倉液位按高度由高至低依次為 H (上限水位)、M (開泵水位)、L (停泵水位) 3 擋水位。當檢測水位達到 M (開泵水位) 時，PLC 循環掃描各輸入點狀態和信息滿足下列條件時方可啟動水泵。①電動閘閥無故障；② 啟動設備具備啟動條件；③溫度無異常。具備以上條件后先打開喂水管電動閥，溢流水管電動閥開啟喂水倉潛水泵，向離心泵腔體內喂水，當溢流管流量開關動作后，根據系統監控壓力和流量判斷啟動是否成功。當水倉液面達到 H 液位警戒值時，備用泵自動開啟 1 臺；當水倉水量減少，水倉液位低于 L 液位時，控制系統自動停止所有工作水泵，并使各閥門恢復到泵啟動前原始狀態，排水結束。

5.1.2 安全聯鎖報警保護和故障處理

泵站除設置了啟動方式 (就地遠程) 閉鎖開關外，系統還設計了電流保護、溫度保護、水泵振動保護、流量保護、壓力異常保護、電動閥開關到位保護、水位超限及水位傳感器故障報警保護、排水量異常報警保護等，并根據各類保護信息對系統安全運行的影響程度，將異常信息劃分為提醒報警和故障停泵2 個級別。系統運行時，PLC 將實時采集的電流、溫度、壓力、振動和喂水倉液位等信息與 PLC 系統預設的保護值進行比較，當超過第1 設定值時，系統給出聲光報警，當超過第2 設定值時，系統及時停泵并報警。立即停泵的故障主要有出水壓力達不到、出水閥開超時、溢流管流量開關故障、水泵前后軸溫度過高、水泵前后軸振動過大、電動機前后軸溫度過高、電動機電樞溫度過高、喂水泵和排水泵電動機電流過高等。例如：在 PLC 軟件中，電動機電樞溫度保護設計為高溫報警和超高溫故障，電動機電樞溫度大于85 ℃ 時，系統進行高溫報警。當電動機溫度繼續升高達到 120 ℃ 時，系統就會立即執行停泵程序，并進行超高溫報警。

5.1.3 按周自動輪換調度

為了防止某臺水泵過度使用影響使用壽命，合理地利用 6 臺排水泵和 3 臺喂水泵，采用按周輪換調度。

以 3 周為一個輪換周期。第1 周將 1、4 號 排水泵和 1 號喂水泵作為首啟泵，2、3 號排水泵為 1 號排水泵備用，5、6 號排水泵為 4 號排水泵備用，2、3 號喂水泵為 1 號喂水泵備用；第2 周將 2、5 號 排水泵和 2 號喂水泵作為首啟泵，1、3 號排水泵為 2 號排水泵備用，4、6 號排水泵為 5 號排水泵備用，1、3號喂水泵為 2 號喂水泵備用；第3 周類似。

5.2 上位機組態軟件設計

組態軟件選用 WinCC 7.0 中文版。WinCC 7.0 可通過系統的工控組態界面，在線實時監控排水系統的運行狀態[10]。上位機監控系統主畫面如圖 6 所示。監控畫面[5]主要包括排水工藝、關鍵參數監控實時曲線、故障報警等。畫面主要顯示喂水泵、排水泵、電動閥門等設備的工作狀態和運行方式，以現場實時監測數據為依據，以圖形、數字和文字的形式實時顯示水泵電動機電壓、電流、溫度、水量、水位等主要參數，并提供語音報警等功能。同時具備顏色顯示與參數閾值動態變化，而且通過系統數據管理功能，實現了報警和故障信息、水泵開停時刻、排水運行時長、水泵排水量、電動機溫度、電流和水倉液位等信息和數據的匯總和存檔，便于排水系統管理和故障追溯、分析處理。另外，通過系統基本設置、權限管理和用戶登錄，滿足不同用戶不同的操作權限和管理需求。

6 結語

圖5 監控系統主畫面Fig.5 Main interface of monitor and control system

礦山排水控制系統通過實際生產檢驗，運行穩定、可靠。水泵在自動控制方式下，PLC 對檢測單元信息進行實時監測、分析和診斷，并根據邏輯控制程序對水泵、電動執行器進行操作和保護，并自動啟停設備和發送報警、故障信息，實現了井下排水泵站遠程自動控制。該系統建成后取消了井下水泵房水泵操作人員，改善了工人勞動環境，且能夠自動按照輪回制度調度泵站，使 6 臺水泵均衡使用，達到了無人值守的目的，延長了設備使用壽命，提高了設備使用效率，節約了生產成本，符合目前礦山“四化”建設和“降本增效”的要求，達到了智能化采礦。