PLC在礦山排水自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

馬傳廣

（中潤資源投資股份有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

本套水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)項(xiàng)目位于南太平洋島國，是一個(gè)金礦井下排水系統(tǒng)，泵站位于地表以下580m，采用4臺(tái)國產(chǎn)MD280多級(jí)離心泵，單泵流量280m3/h，揚(yáng)程630m。配用3.3kV/800kw高壓電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)額定電流168.8A。正常采用兩用兩備的工作模式，涌水高峰期采用三用一備工作模式。水泵啟動(dòng)采用KYN28-12型開關(guān)柜與外置軟啟動(dòng)器裝置，主開關(guān)采用國產(chǎn)真空斷路器，開關(guān)柜加裝長園深瑞ISA-347G繼電保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)。使用西門子Smart系列1ST40-DC/DC/DC小型PLC控制器、步科MT4220觸摸屏等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與系統(tǒng)協(xié)調(diào)保護(hù)。

1 控制系統(tǒng)技術(shù)要求與設(shè)計(jì)

該處礦井地下排水含有大量顆粒物，受井下場地制約，蓄水緩沖池設(shè)計(jì)過小，緩沖能力不足，無法實(shí)現(xiàn)顆粒物充分靜置，造成水濃度比較大。由于受地?zé)嵊绊懀谜经h(huán)境溫度達(dá)到36℃以上，水泵機(jī)械部件故障率會(huì)比較高。同時(shí)，由于環(huán)境濕度大，對(duì)電氣設(shè)備的使用與保養(yǎng)造成較大困難。由于前期設(shè)計(jì)與采購對(duì)主開關(guān)柜和軟啟動(dòng)裝置的選型沒有進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，水泵廠家、開關(guān)柜廠家和軟啟動(dòng)裝置廠家沒有進(jìn)行很好的技術(shù)對(duì)接，而且國外項(xiàng)目受物資供應(yīng)條件所困，對(duì)開關(guān)柜和軟啟動(dòng)裝置等進(jìn)行大范圍改動(dòng)不現(xiàn)實(shí)，自動(dòng)控制部分要充分考慮系統(tǒng)整合問題。同時(shí)基于多級(jí)離心泵的特性，考慮水泵電機(jī)電流與水泵流量、揚(yáng)程的關(guān)系等多種因素，決定采用如下控制設(shè)計(jì)：

（1）通過現(xiàn)場控制箱旋鈕，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)啟動(dòng)方式可切換，以蓄水池高水位和泵體溫度、開關(guān)柜狀態(tài)、電動(dòng)機(jī)溫度等作為水泵自動(dòng)啟停的條件，但必須保證24小時(shí)有人值守，一般采用手動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)停泵的工作模式。

（2）水泵驅(qū)動(dòng)端和自由端軸承箱各加裝一套PT100傳感器，接入PLC模塊，傳感器通過潤滑油進(jìn)行熱傳導(dǎo)。考慮到一旦有故障，軸承溫升較快，當(dāng)軸承溫度超過75℃時(shí)，PLC系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警，當(dāng)軸承溫度超過85℃時(shí)，水泵立即保護(hù)停機(jī)，由PLC輸出繼電器觸點(diǎn)斷開高壓開關(guān)柜合閘回路，直到軸承溫度恢復(fù)正常，并從觸摸屏進(jìn)行復(fù)位后方可進(jìn)行下次啟動(dòng)操作。

（3）高壓電動(dòng)機(jī)三相繞組內(nèi)置的PT100傳感器和電動(dòng)機(jī)兩端軸承配置的PT100傳感器接入PLC模塊，電動(dòng)機(jī)軸承溫度保護(hù)參數(shù)與水泵軸承相同，電動(dòng)機(jī)繞組報(bào)警溫度設(shè)置為100℃，停機(jī)保護(hù)溫度設(shè)置為110℃，報(bào)警復(fù)位及鎖定解除條件設(shè)置與泵體軸承保護(hù)相同。

（4）電流控制模式：在開關(guān)柜內(nèi)增加電流變送模塊，把用于智能電力儀表的二次電流信號(hào)串入變送模塊，繼電保護(hù)裝置信號(hào)不做改動(dòng)，主回路電流轉(zhuǎn)換為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)并接入PLC模擬量輸入模塊。

①當(dāng)水泵啟動(dòng)時(shí)，PLC控制程序首先要避開電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間的峰值電流時(shí)間段（初始設(shè)定峰值電流時(shí)間為3s），如果在啟動(dòng)3s后電動(dòng)機(jī)電流始終低于150A并持續(xù)超過10s，程序判斷為啟動(dòng)失敗，水泵未上水，PLC發(fā)出聲光報(bào)警，主斷路器分閘，并鎖定開關(guān)柜合閘回路，等待檢修。（以上時(shí)間參數(shù)固定寫入PLC，低電流保護(hù)設(shè)定值由具有權(quán)限的操作員從觸摸屏進(jìn)行設(shè)置）。

②水泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，如果電動(dòng)機(jī)電流低于設(shè)定的130A，程序判斷為水泵工作異常，發(fā)出聲光報(bào)警，并觸發(fā)開關(guān)柜分閘動(dòng)作，等待檢修復(fù)位后方可進(jìn)行下一次啟動(dòng)操作。該邏輯主要作為蓄水池水位低保護(hù)的后備措施，防止水泵進(jìn)水口過濾器堵塞等原因造成水泵無水或缺水轉(zhuǎn)動(dòng)，保護(hù)葉輪及泵軸。

③水泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，如果電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流高于165A，程序判斷為管路泄漏或電動(dòng)機(jī)及水泵輕微過載。對(duì)于高揚(yáng)程多級(jí)離心泵，該保護(hù)方式應(yīng)完全獨(dú)立于主開關(guān)柜的繼電保護(hù)系統(tǒng)的過載保護(hù)，多級(jí)離心泵運(yùn)行電流稍高于正常運(yùn)行電流的現(xiàn)象，一般是由于出水管路的泄漏致使水泵實(shí)際流量高于正常工作流量等原因造成的，高壓繼電保護(hù)裝置的過載保護(hù)不適用于該故障。需要特別注意的是，該設(shè)定值不能以電動(dòng)機(jī)額定電流為基準(zhǔn)，應(yīng)該以水泵正常工作電流為基準(zhǔn)，由程序員與經(jīng)驗(yàn)豐富的水泵操作工共同確定并寫入程序，禁止其他人員修改。

④水位自動(dòng)控制：蓄水池安裝12m量程超聲波液位計(jì)，輸出4～10mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)信號(hào)隔離模塊擴(kuò)展后分別輸出到各個(gè)PLC的模擬量模塊，作為水泵啟停控制參數(shù)，同時(shí)加裝浮球開關(guān)作為水位后備保護(hù)。蓄水池水位低于1.5m時(shí)或浮球開關(guān)在低位時(shí)，水泵啟動(dòng)回路被鎖定，水位低信號(hào)燈閃爍提示。如果水泵在運(yùn)行中，PLC根據(jù)低水位信號(hào)自動(dòng)停泵，不觸發(fā)聲光報(bào)警。

⑤水泵啟動(dòng)時(shí)間保護(hù)：PLC采集開關(guān)柜和軟啟動(dòng)裝置的分合位開關(guān)量信號(hào)，根據(jù)啟動(dòng)試驗(yàn)測定，該水泵正常啟動(dòng)過程需要6s左右，如果超過10s，還未能從軟啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到全壓運(yùn)行（軟啟動(dòng)裝置自帶電流繼電器實(shí)現(xiàn)切換），程序判斷為本次啟動(dòng)失敗，發(fā)出聲光報(bào)警并鎖定合閘回路，等待檢修。

⑥水泵運(yùn)行計(jì)時(shí)：由PLC采集主斷路器合閘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)間累積，累積時(shí)間在就地控制箱觸摸屏顯示，用于水泵操作工加油保養(yǎng)和維修工定期更換密封件等工作，以及確定水泵大修時(shí)間等，在觸摸屏預(yù)留清零窗口，但僅限于管理員權(quán)限實(shí)行總運(yùn)行時(shí)間清零操作。

⑦利用西門子Smart PLC自帶以太網(wǎng)接口的有利條件，在泵房預(yù)設(shè)工業(yè)交換機(jī)，待井下光纜敷設(shè)到位后接入礦山地表辦公室，利用上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀測和自動(dòng)報(bào)表記錄，為解決礦山排水和廢水利用的統(tǒng)一調(diào)度問題提供技術(shù)條件。

2 人身安全保護(hù)設(shè)計(jì)

（1）為保證檢修安全，每臺(tái)水泵的就地控制箱設(shè)置獨(dú)立于PLC的急停自鎖按鈕，該按鈕操作權(quán)限最高，當(dāng)它被按下時(shí)確保主斷路器無法合閘，并在編制操作手冊(cè)中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)此處作為檢修保護(hù)點(diǎn)，實(shí)行誰掛牌誰摘牌的操作制度。

（2）由于主開關(guān)采用的是真空斷路器且沒有失壓保護(hù)，而且沒有完善的供電網(wǎng)絡(luò)，自籌自建的孤網(wǎng)供電系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，停電故障偶有發(fā)生，一旦出現(xiàn)高壓停電，可能會(huì)造成水泵雖然停轉(zhuǎn)，但是，斷路器依然處于合閘狀態(tài)的情況，存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)，最終確定泵站操作電源全部采用AC 240V UPS供電，并在高壓開關(guān)柜內(nèi)加裝一個(gè)AC 110V交流繼電器，該繼電器線圈使用高壓PT二次電壓供電，繼電器觸點(diǎn)接入PLC作為主電源監(jiān)控信號(hào)，當(dāng)主電源斷電時(shí)，PLC發(fā)出分閘信號(hào)，斷開主斷路器。

3 邏輯圖設(shè)計(jì)（如圖1、圖2）

圖1 上電檢查與啟動(dòng)監(jiān)測流程

圖2 水泵運(yùn)行監(jiān)控流程

4 結(jié)語

該套自動(dòng)控制系統(tǒng)整合改進(jìn)了Smith豎井排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的缺陷，投入使用后經(jīng)受住惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，電動(dòng)機(jī)及水泵等設(shè)備保護(hù)功能簡潔實(shí)用，為礦山正常開拓與生產(chǎn)創(chuàng)造了條件，也為其他豎井的排水系統(tǒng)建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)。