PLC在礦山排水自動控制系統的應用研究

馬傳廣

（中潤資源投資股份有限公司，山東 濟南 250000）

本套水泵自動控制系統項目位于南太平洋島國，是一個金礦井下排水系統，泵站位于地表以下580m，采用4臺國產MD280多級離心泵，單泵流量280m3/h，揚程630m。配用3.3kV/800kw高壓電動機，電動機額定電流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。水泵啟動采用KYN28-12型開關柜與外置軟啟動器裝置，主開關采用國產真空斷路器，開關柜加裝長園深瑞ISA-347G繼電保護裝置實現高壓電動機保護。使用西門子Smart系列1ST40-DC/DC/DC小型PLC控制器、步科MT4220觸摸屏等實現自動控制與系統協調保護。

1 控制系統技術要求與設計

該處礦井地下排水含有大量顆粒物，受井下場地制約，蓄水緩沖池設計過小，緩沖能力不足，無法實現顆粒物充分靜置，造成水濃度比較大。由于受地熱影響，泵站環境溫度達到36℃以上，水泵機械部件故障率會比較高。同時，由于環境濕度大，對電氣設備的使用與保養造成較大困難。由于前期設計與采購對主開關柜和軟啟動裝置的選型沒有進行統一規劃，水泵廠家、開關柜廠家和軟啟動裝置廠家沒有進行很好的技術對接，而且國外項目受物資供應條件所困，對開關柜和軟啟動裝置等進行大范圍改動不現實，自動控制部分要充分考慮系統整合問題。同時基于多級離心泵的特性，考慮水泵電機電流與水泵流量、揚程的關系等多種因素，決定采用如下控制設計：

（1）通過現場控制箱旋鈕，實現自動與手動啟動方式可切換，以蓄水池高水位和泵體溫度、開關柜狀態、電動機溫度等作為水泵自動啟停的條件，但必須保證24小時有人值守，一般采用手動啟動、自動停泵的工作模式。

（2）水泵驅動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行熱傳導。考慮到一旦有故障，軸承溫升較快，當軸承溫度超過75℃時，PLC系統驅動聲光報警，當軸承溫度超過85℃時，水泵立即保護停機，由PLC輸出繼電器觸點斷開高壓開關柜合閘回路，直到軸承溫度恢復正常，并從觸摸屏進行復位后方可進行下次啟動操作。

（3）高壓電動機三相繞組內置的PT100傳感器和電動機兩端軸承配置的PT100傳感器接入PLC模塊，電動機軸承溫度保護參數與水泵軸承相同，電動機繞組報警溫度設置為100℃，停機保護溫度設置為110℃，報警復位及鎖定解除條件設置與泵體軸承保護相同。

（4）電流控制模式：在開關柜內增加電流變送模塊，把用于智能電力儀表的二次電流信號串入變送模塊，繼電保護裝置信號不做改動，主回路電流轉換為4～20mA標準信號并接入PLC模擬量輸入模塊。

①當水泵啟動時，PLC控制程序首先要避開電動機啟動瞬間的峰值電流時間段（初始設定峰值電流時間為3s），如果在啟動3s后電動機電流始終低于150A并持續超過10s，程序判斷為啟動失敗，水泵未上水，PLC發出聲光報警，主斷路器分閘，并鎖定開關柜合閘回路，等待檢修。（以上時間參數固定寫入PLC，低電流保護設定值由具有權限的操作員從觸摸屏進行設置）。

②水泵在運轉過程中，如果電動機電流低于設定的130A，程序判斷為水泵工作異常，發出聲光報警，并觸發開關柜分閘動作，等待檢修復位后方可進行下一次啟動操作。該邏輯主要作為蓄水池水位低保護的后備措施，防止水泵進水口過濾器堵塞等原因造成水泵無水或缺水轉動，保護葉輪及泵軸。

③水泵運轉過程中，如果電動機運行電流高于165A，程序判斷為管路泄漏或電動機及水泵輕微過載。對于高揚程多級離心泵，該保護方式應完全獨立于主開關柜的繼電保護系統的過載保護，多級離心泵運行電流稍高于正常運行電流的現象，一般是由于出水管路的泄漏致使水泵實際流量高于正常工作流量等原因造成的，高壓繼電保護裝置的過載保護不適用于該故障。需要特別注意的是，該設定值不能以電動機額定電流為基準，應該以水泵正常工作電流為基準，由程序員與經驗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水位自動控制：蓄水池安裝12m量程超聲波液位計，輸出4～10mA標準信號經信號隔離模塊擴展后分別輸出到各個PLC的模擬量模塊，作為水泵啟停控制參數，同時加裝浮球開關作為水位后備保護。蓄水池水位低于1.5m時或浮球開關在低位時，水泵啟動回路被鎖定，水位低信號燈閃爍提示。如果水泵在運行中，PLC根據低水位信號自動停泵，不觸發聲光報警。

⑤水泵啟動時間保護：PLC采集開關柜和軟啟動裝置的分合位開關量信號，根據啟動試驗測定，該水泵正常啟動過程需要6s左右，如果超過10s，還未能從軟啟動轉換到全壓運行（軟啟動裝置自帶電流繼電器實現切換），程序判斷為本次啟動失敗，發出聲光報警并鎖定合閘回路，等待檢修。

⑥水泵運行計時：由PLC采集主斷路器合閘信號，實現運行時間累積，累積時間在就地控制箱觸摸屏顯示，用于水泵操作工加油保養和維修工定期更換密封件等工作，以及確定水泵大修時間等，在觸摸屏預留清零窗口，但僅限于管理員權限實行總運行時間清零操作。

⑦利用西門子Smart PLC自帶以太網接口的有利條件，在泵房預設工業交換機，待井下光纜敷設到位后接入礦山地表辦公室，利用上位機軟件實現數據實時觀測和自動報表記錄，為解決礦山排水和廢水利用的統一調度問題提供技術條件。

2 人身安全保護設計

（1）為保證檢修安全，每臺水泵的就地控制箱設置獨立于PLC的急停自鎖按鈕，該按鈕操作權限最高，當它被按下時確保主斷路器無法合閘，并在編制操作手冊中重點強調此處作為檢修保護點，實行誰掛牌誰摘牌的操作制度。

（2）由于主開關采用的是真空斷路器且沒有失壓保護，而且沒有完善的供電網絡，自籌自建的孤網供電系統穩定性不高，停電故障偶有發生，一旦出現高壓停電，可能會造成水泵雖然停轉，但是，斷路器依然處于合閘狀態的情況，存在極大的安全風險，最終確定泵站操作電源全部采用AC 240V UPS供電，并在高壓開關柜內加裝一個AC 110V交流繼電器，該繼電器線圈使用高壓PT二次電壓供電，繼電器觸點接入PLC作為主電源監控信號，當主電源斷電時，PLC發出分閘信號，斷開主斷路器。

3 邏輯圖設計（如圖1、圖2）

圖1 上電檢查與啟動監測流程

圖2 水泵運行監控流程

4 結語

該套自動控制系統整合改進了Smith豎井排水系統設計存在的缺陷，投入使用后經受住惡劣環境的考驗，電動機及水泵等設備保護功能簡潔實用，為礦山正常開拓與生產創造了條件，也為其他豎井的排水系統建設積累了經驗。