主排水泵集控系統(tǒng)應(yīng)用分析

肖大軍，楊 波

（陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 黃陵 727300）

黃陵二礦經(jīng)過數(shù)字化礦山一期工程的建設(shè)，在2011年底已實現(xiàn)調(diào)度指揮、井下各生產(chǎn)系統(tǒng)自動化控制，數(shù)字化礦山已初具規(guī)模。

數(shù)字化礦山一期工程主要完成了以下七大部分的建設(shè)：①工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)；②一體化監(jiān)控平臺系統(tǒng)建設(shè)；③自動化監(jiān)測控制各子系統(tǒng)改造和接入的建設(shè)；④視頻監(jiān)控及大屏幕顯示系統(tǒng)的建設(shè)；⑤調(diào)度通信系統(tǒng)改造的建設(shè)；⑥應(yīng)急廣播通信系統(tǒng)的建設(shè)；⑦調(diào)度中心機(jī)房的建設(shè)。

1 工程概況

1.1 工程背景

黃陵二礦一期工程已建成并正常使用兩年多，隨著礦井的延伸、北一二盤區(qū)的建設(shè)，一些新建的子系統(tǒng)沒有實現(xiàn)自動化集控，無法實時監(jiān)控其生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)和各種監(jiān)控信息，無法實現(xiàn)統(tǒng)一的監(jiān)測與監(jiān)控。同時，運(yùn)行三年多的數(shù)字化礦山一體化監(jiān)控平臺軟件也需要進(jìn)行升級完善。

1.2 泵房操作現(xiàn)狀

啟動水泵：現(xiàn)場人員打開總射流閥、分射流閥，開始抽真空；憑經(jīng)驗認(rèn)為具備開泵的條件后，到配電柜合閘，給電機(jī)上電，啟動電機(jī)、水泵；當(dāng)水泵運(yùn)行一段時間后，達(dá)到排水壓力后，手動打開閘閥，選擇排水管路，進(jìn)行排水。

停止水泵：停泵前，手動關(guān)掉排水閥，關(guān)掉電機(jī)，停止水泵排水。

總之，現(xiàn)三個水泵房沒有實現(xiàn)自動化集控，操作過程繁瑣、勞動強(qiáng)度大，給水泵房系統(tǒng)的集中管理調(diào)度帶來困難。

而三個水泵房遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)改造后，可以完全實現(xiàn)礦井排水自動化控制和地面遠(yuǎn)程集控。能夠有效的提高水泵有效利用率，減少看護(hù)人員、延長水泵電機(jī)使用壽命，減少事故停機(jī)時間，提高排水能力。從而大大提高井下作業(yè)的安全生產(chǎn)系數(shù)、降低生產(chǎn)成本。實現(xiàn)減員增效，基本達(dá)到無人值守的效果，實現(xiàn)在調(diào)度中心的遠(yuǎn)程集控功能。

1.3 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)采用以AB公司AB-5000系列PLC-CPU：1756-L61為核心的礦用隔爆兼本安型PLC礦井井底泵房重要控制中心為控制箱，利用高精度傳感器、電動執(zhí)行設(shè)備、系統(tǒng)保護(hù)裝置等監(jiān)控礦井井下的不同設(shè)備的運(yùn)行情況，同時礦井井下的排水系統(tǒng)得到智能化控制，基于PLC控制的礦井井下水泵排水系統(tǒng)的多種功能充分發(fā)揮出來，為礦山生產(chǎn)節(jié)約了成本支出，同時到達(dá)了安全高效生產(chǎn)目標(biāo)。

（1）系統(tǒng)運(yùn)行的控制方法可根據(jù)實際情況進(jìn)行挑選，控制方法可分為就地檢修、遠(yuǎn)程控制、就地自動控制、無人監(jiān)管等。

（2）礦井井下的各運(yùn)行水泵使用檢修、運(yùn)行、備用等方式，有效地提升礦井井下水泵泵房的運(yùn)行效率。

（3）礦井井下水泵房供排水系統(tǒng)檢測測試較為全面，對井下出水壓力、水泵軸溫度、水倉水位、真空度、閘閥運(yùn)行情況、電機(jī)軸承溫度、進(jìn)水出水流量等都可進(jìn)行檢測。

圖1 二號風(fēng)井井底水泵房供排水系統(tǒng)圖

（4）系統(tǒng)中設(shè)置了多重保護(hù)功能，若礦井井下水泵發(fā)生開關(guān)故障、泵體壓力不足、泵體溫度持續(xù)升高、供排水的流量不達(dá)標(biāo)等狀況時，經(jīng)過系統(tǒng)判斷后會自動終止設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。

（5）具有歷史數(shù)據(jù)、歷史曲線查詢、顯示功能。

（6）接口類型豐富，配置有以太網(wǎng)及RS485通訊接口，易與電力監(jiān)測系統(tǒng)、全礦井自動化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。要求高壓開關(guān)柜提供RS485通訊接口及標(biāo)準(zhǔn)的MODBUSRTU協(xié)議。

表1 絕緣電阻及工頻耐壓

2 方案設(shè)計

2.1 總體概述

（1）先進(jìn)性：系統(tǒng)為當(dāng)今工業(yè)控制系統(tǒng)的領(lǐng)先產(chǎn)品，控制分站是目前我國現(xiàn)存較為先進(jìn)的隔爆兼本安型控制裝置。井底水泵房供水全過程監(jiān)控可通過控制系統(tǒng)達(dá)到要求，對運(yùn)行設(shè)備工作信息進(jìn)行實時采集和監(jiān)測，同時能夠?qū)λ占臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行篩選并傳輸至綜合控制系統(tǒng)中。

（2）可靠性：控制設(shè)備具有設(shè)備發(fā)生故障自動排查，單套泵組有專用控制，單套控制設(shè)備故障自動屏蔽，不影響其他泵組的正常工作。

系統(tǒng)軟件接口使用通用的接口，傳輸較為穩(wěn)定。

（3）系統(tǒng)內(nèi)的軟件和硬件有足夠的可擴(kuò)展量，可為系統(tǒng)的升級優(yōu)化提供保障。

2.2 管網(wǎng)射流系統(tǒng)設(shè)計方案

射流系統(tǒng)改造：抽真空系統(tǒng)是水泵自動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將直接影響水泵是否能夠正常開啟，射流泵抽真空吸上引水方式只要控制射流泵注水或注氣管道閥門及真空管道閥門即可實現(xiàn)抽真空過程的自動控制。

2.3 控制系統(tǒng)配置及組成

水泵集控系統(tǒng)包括：防爆PLC箱、液晶顯示屏、本安操作臺、接線盒、球閥和傳感器等。

在水泵房配置1臺本安操作臺，內(nèi)置一臺液晶顯示屏完成對整個水泵系統(tǒng)的集中控制和開關(guān)、模擬量參數(shù)的實時顯示。水泵就近位置配置2臺防爆PLC控制箱，以控制電動球閥、臺泵電動閘閥及水泵的運(yùn)行電機(jī)，基于PLC的防爆控制箱設(shè)有輸入和輸出位置，也增設(shè)了模擬量、數(shù)字量模塊的輸入輸出位置，更加利于水泵集控系統(tǒng)的容量擴(kuò)充。同時，防爆PLC還可對各泵的設(shè)備進(jìn)行就地自動控制。

每臺泵配置1臺負(fù)壓傳感器監(jiān)測真空度、1臺正壓傳感器監(jiān)測出水壓力、2臺外殼溫度傳感器檢測水泵軸承兩端溫度。2個水倉各配置1臺水位傳感器。

2.3.1 防爆PLC箱

運(yùn)行控制系統(tǒng)的重要組成部分，控制核心編碼為1756-L61，可以有效監(jiān)測水泵閥門的狀態(tài)。中間繼電器、電路、可編程控制器等部件共同構(gòu)成了防爆PLC箱，經(jīng)過系統(tǒng)運(yùn)算，篩選通過系統(tǒng)發(fā)出的多個控制信號，以達(dá)到監(jiān)測水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，達(dá)到無人值守的目標(biāo)。

在以太網(wǎng)模塊的協(xié)助下防爆PLC箱的功能得到充分發(fā)揮，礦井井下水泵監(jiān)控系統(tǒng)中的相關(guān)信息實現(xiàn)了內(nèi)網(wǎng)信息共享，能夠接收到遠(yuǎn)程控制信號。

2.3.2 本安操作臺

本安操作臺是人進(jìn)行操作的工作臺面，包括水泵、閘閥、球閥的狀態(tài)顯示，人工操作的按鈕等相關(guān)控制設(shè)備。

2.3.3 液晶顯示屏

液晶顯示屏可為用戶提供方便、完美的人機(jī)交互界面，并以動態(tài)方式實時顯示設(shè)備的各種參數(shù)及狀態(tài)信息。

2.3.4 現(xiàn)場設(shè)備及傳感器部分

現(xiàn)場設(shè)備及傳感器包括按鈕盒、接線盒、傳感器、閘閥、球閥等組成。

閥門就地控制箱安裝于現(xiàn)場每臺水泵旁，用于閥門的就地操作控制。

接線盒用于將現(xiàn)場的溫度、壓力、流量等信號匯總到箱內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)接到PLC柜。

傳感器包括水位計、壓力傳感器、負(fù)壓傳感器、電機(jī)溫度、流量計等，所檢測的參數(shù)主要有：水倉水位、水泵進(jìn)水管真空度、水泵出水口壓力及排水的瞬時流量等。

表2 四盤區(qū)水泵房設(shè)備清單

2.4 控制系統(tǒng)功能

本文研究的控制系統(tǒng)適用于礦井井下水泵房的控制作業(yè)，增設(shè)礦井井下水泵泵房控制模塊，以方便收集水泵運(yùn)行全過程信號，依據(jù)控制系統(tǒng)的工作流程，嚴(yán)格管控球閥和閘閥的運(yùn)行情況，隨時監(jiān)測水泵房的工作狀況。

充分發(fā)揮出集中控制器的作用，監(jiān)測礦井井下的水泵主要運(yùn)行設(shè)備的啟停工況。所用的監(jiān)控方式主要有三種，即自動檢修、自動控制、手動控制等方式。

自動控制：水泵設(shè)備在自動控制的模式下，觸摸屏內(nèi)的各功能鍵可以對全部設(shè)備進(jìn)行控制，同時可以清晰的顯示出閘閥、球閥的工作狀況或處于故障狀態(tài)。通過PLC控制設(shè)備運(yùn)行的數(shù)據(jù)信號得到有效采集。而集中控制根據(jù)設(shè)備運(yùn)行流程及閉鎖控制礦井井下水泵的開關(guān)。水泵水倉的所處水位的檢測可以通過傳感器獲取到相關(guān)數(shù)據(jù)，找出影響水倉水位的相關(guān)因素，科學(xué)調(diào)節(jié)水泵的開關(guān)閥門，當(dāng)水倉水位正處于規(guī)定范圍內(nèi)時，多臺水泵可以進(jìn)行輪換作業(yè)，涌水量超過規(guī)定范圍時，自動控制系統(tǒng)發(fā)出報警信號，備用水泵接替主水泵進(jìn)行工作。

手動控制方式：作業(yè)人員依據(jù)水倉水位的具體水位值，人工開啟、關(guān)閉水泵，同時根據(jù)實際生產(chǎn)情況確定需要開啟水泵臺數(shù)，通過PLC控制水泵電機(jī)閥門的開啟和關(guān)停。

水泵設(shè)備的檢修：能夠隨時控制任意一臺水泵電機(jī)，開啟或關(guān)閉閘閥，實踐過程中未發(fā)現(xiàn)對設(shè)備檢修出現(xiàn)閉鎖情況。

真空壓力、泵軸溫度、水倉水位、電機(jī)電源、排水管路流量、電機(jī)軸承溫度、水泵壓力共同構(gòu)成了水泵自動控制系統(tǒng)的各功能。

此次研究的系統(tǒng)主要應(yīng)用在礦井井下水泵泵房控制作業(yè)中，通過PLC控制水泵泵房，將其在運(yùn)行過程中的相關(guān)信息收集起來，根據(jù)生產(chǎn)工藝流程集中分布管控水泵球閥、閘閥的運(yùn)行，通過控制系統(tǒng)可以全面了解礦井井下水泵房內(nèi)各種設(shè)備運(yùn)行情況。水泵房集中控制系統(tǒng)組成部分分為就地控制、運(yùn)行設(shè)備、調(diào)度中心遠(yuǎn)程控制。

圖2 四盤區(qū)變電所泵房連線控制圖

礦井井下設(shè)備工作情況在線監(jiān)控需要通過控制器得以實現(xiàn)，控制方式有兩種即手動控制和自動控制閘閥的開啟、關(guān)閉。

自動：系統(tǒng)自動控制的情況下，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控器內(nèi)均有顯示，若某一個設(shè)備出現(xiàn)故障無法正常工作，可在監(jiān)控器上查找到具體信息內(nèi)容，自動控制程序開啟，將對水泵的閘閥開啟、關(guān)閉進(jìn)行控制。傳感器測出水倉水位，依據(jù)礦井井下水泵測得水位及影響因素，科學(xué)調(diào)節(jié)水泵閥門，當(dāng)井下水位處于合理數(shù)值時，水泵自動調(diào)節(jié)功能開啟，當(dāng)突水量增大時，增加一定數(shù)量的水泵，依據(jù)實際運(yùn)行水泵數(shù)量推測涌水量。

手動：操作工人根據(jù)水倉顯示水位，人工手動開停水泵及確定開泵臺數(shù)，電機(jī)及其閥門的開、停由PLC自動執(zhí)行，即PLC完成單臺水泵抽真空、啟泵、開閘閥等自動控制，并完成運(yùn)行停止。

檢修：可操作任一水泵電機(jī)，閘閥的開關(guān)，可以實現(xiàn)不通過PLC完成水泵的啟停。相互動作互不閉鎖。

水泵自動控制系統(tǒng)的檢測與保護(hù)信號：水倉水位、排水管路流量、真空壓力、水泵壓力、電機(jī)電流、泵軸溫度、電機(jī)軸承溫度等。

2.5 系統(tǒng)工作原理

水泵控制系統(tǒng)控制過程可概括為以下六個環(huán)節(jié)：自動注水環(huán)節(jié)、閘閥操作環(huán)節(jié)、水位自動監(jiān)控環(huán)節(jié)、參數(shù)傳示環(huán)節(jié)、故障保護(hù)環(huán)節(jié)和電動機(jī)的自動控制環(huán)節(jié)。

2.5.1 自動注水環(huán)節(jié)

當(dāng)葉輪完全放置于水中時，水泵泵體也可正常進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，所以，礦井井下水泵設(shè)備運(yùn)行重要一項是注水。使用噴射泵可完成排水泵的引水，自動注水所產(chǎn)生的能量，同時利用壓力水產(chǎn)生的能源為備用能源，水泵內(nèi)的真空度可應(yīng)用真空表進(jìn)行監(jiān)測。

2.5.2 閘閥操作環(huán)節(jié)

閘閥均可采用手動和自動兩種方式控制，在自動狀態(tài)下，通過PLC對閥門進(jìn)行集中控制和監(jiān)視來控制閘閥的開、關(guān)及開度；在手動控制方式下，可在閥體上對各閥門進(jìn)行操作。

2.5.3 水位自動監(jiān)控環(huán)節(jié)

水位自動監(jiān)控環(huán)節(jié)的任務(wù)是根據(jù)水位的高低自動準(zhǔn)確發(fā)出開、停水泵命令。

2.5.4 參數(shù)傳示環(huán)節(jié)

在液晶屏上可模擬顯示水倉水位、水泵壓力及電動機(jī)、球閥和閘閥的各種工作狀態(tài)。

2.5.5 水泵設(shè)備出現(xiàn)故障后的自動保護(hù)功能

電動機(jī)故障：由高壓開關(guān)柜實現(xiàn)。

閘閥故障：由各閘閥廠家提供故障型號并參與控制。

2.5.6 電動機(jī)自動控制方式

此步驟是礦井井下水泵設(shè)備進(jìn)行自動控制的重要步驟。接觸器、PLC、中間繼電器共同構(gòu)成了電動機(jī)自動控制系統(tǒng)，上述各個步驟均要與電動機(jī)自動控制步驟進(jìn)行合作，以控制水泵的開啟與關(guān)閉。

3 控制系統(tǒng)對節(jié)能增效的影響

現(xiàn)有的控制系統(tǒng)對水泵系統(tǒng)的節(jié)能主要通過“避峰填谷”的方式實現(xiàn)的，主要的手段是在用電“尖、峰”時段盡量不開泵或者少開泵，在用電“平、谷”時段開泵或者多開泵。系統(tǒng)中將用電的“尖、峰、平、谷”時間設(shè)定好，并設(shè)定好在這四個時段中起泵的數(shù)量；同時實時監(jiān)測水倉水位變化，給水位設(shè)定多個門限“低水位、正常水位、高水位、危險水位”，在不同的水位值動作時觸發(fā)不同的對應(yīng)機(jī)制；以達(dá)到科學(xué)合理的安排水泵的起停，從而達(dá)到節(jié)能增效的目的。