礦井排水泵自動化智能化控制系統的設計

李 晨

（山西潞安化工集團漳村煤礦， 山西 長治 046032）

引言

礦井排水最主要的設備就是煤礦的主排水泵，該系統憑借人工操作，并不能實現自動匹配涌水量和排量，因此，如何使礦井水泵的自動化控制系統得以實現將是研究的最主要課題，在此之前，李畢針對如何選擇礦井的主排水泵對型號進行過詳細研究，由于要考慮較大的涌水量，因此，在對水泵進行選擇時，不僅要選擇流量比較大的設備，而且還把在選擇水泵期間計算所有參數的方法給提出來[1]。白秀雷提出多功能水泵聯動閥門，而且水泵聯動閥門是新型的，經過對其進行仿真分析，得知多功能水泵聯動閥所擁有的優點是較簡單的結構，較好的結構成效，并以此為基礎來優化礦井與井下的排水系統所具有的結構，而且使其可靠性得到提高。在本文中，以PLC 控制器為基礎礦井的主排水泵控制系統研究與設計為基礎，使自動化控制得以實現，并為礦井的防水提供參考。

1 現存狀況與問題

礦井現代化機械設備具有穩定性與可靠性，在關于礦井的集約化與自動化標準方面的需求又有所增加，而且設備在正常運行時的狀況也是礦井所需要的，包括對主排水系統的監控。在煤礦井下中，之前的主排水泵房控制系統所選取的操控技術就是固有的繼電器，人工對水泵進行切換與開啟、停止操控，無法根據參數或水倉的水位來實現自動化，并且有很多缺點存在于系統中，如高能耗、較低的維護與管理水平、較大的勞動強度等，不能使自動匹配涌水量和排量得以實現。為了使系統能夠自我診斷實現運行的自動化，使設備的運行得到保證，電氣改造主排水泵控制系統可以選取電氣原件如傳感器與PLC 可編程控制器繼而把礦井集約化、自動化標準得到提升的措施給提出來。

2 PLC 礦井主排水控制系統設計

當對礦井排水時，排水系統內的排水泵只有1臺，那么礦井排水所需要排出的量根本就不能完成，若是排水泵的數量增加了，盡管可以對開采礦井的所有需要得到滿足，可是就會浪費管路資源，因此在通常狀況下，排水泵被用于礦井正常運行的數量是1臺，若有比較大的涌水量在礦井出現時，就會把排水泵中的剩余1 臺進行啟用，使2 臺泵同時工作的模式開始實行。此外，把1 臺水泵作為備用泵設置到礦區，因此，在排水系統內，需要的水泵一共是3 臺，而且各個排水泵均存在離心排水設備與電控系統。

以下就是PLC 礦井主排水控制系統的主要功能：控制功能，排水功能的自動化是由PLC 的控制而實現；通信監控系統，對數據進行交換，可以由傳輸光纜與傳感器來實現，使井下被井上所有調度與指揮得以實現；診斷故障功能，動態監管系統的電流、電壓、溫度等，可以由電流傳感器、溫度傳感器來實現，若有電流、電壓、溫度比限定值大時，就會有報警發出，防止有事故發生；監控參數系統，監控參數，如管道壓力、排水量、溫度等，可以由人機界面來進行。

因為礦井中采用該設備，因此當對水泵進行配套設備的選擇時，要把防爆考慮進去，在本文中，選定的三相異步電機一共有3 臺，其電動機型號、功率、轉速、額定電壓分別是 YB25604-8900kW、900kW、1480r/min、10kV[2]。

2.1 檢測單元

設計該系統的所有檢測元件，在系統內，超聲波流量計、壓力傳感器、溫度傳感器、水位傳感器等都是檢測單元。超聲波傳感器被用于水位傳感器，超聲波傳感器的工作原理就是超聲波被探頭所發送出來，就會得到不一樣的超聲波數據被，按照聲波不能在空氣內良好傳播，就會把探頭與水位的距離給給出來，把配水箱布置到超聲波傳感器中，而且數量是2 個，避免水位太高。PT100 無源接觸式傳感器被溫度傳感器所使用。水管里面的全部壓力信號被壓力傳感器所轉化，就會把壓力信號給的出來，PLC 控制器就接收其信號，進而能夠判斷電動閥的停止與開啟。

2.2 控制系統

動態顯示、自動監測、故障報警與自動控制構成了中央水泵。排水管的壓力、電機的溫度、水倉的水位等系統中的有關數據可以被自動監測出來，PLC 控制器就接收所傳遞過來的數據，并判斷其信號，把控制指令給發出來，進而使排水泵的控制能夠實現自動化。與此同時，上位機的主界面中會顯示著以下參數，如排水管的壓力、電機的溫度、水倉的水位等，若有故障被檢測系統所檢測出來，不僅會有報警發出，而且還會有故障界面彈出，故障的有關數據被留存，用來對故障進行分析。圖1 就是中央水泵的自動化控制系統硬件配置圖。

從圖1 中可以看出，在系統中最關鍵的部件就是PLC，其作用是存儲與處理所監控的有關數據，控制指令被運算邏輯所輸送出來，使對水泵進行開啟與停止得到控制。把現場設備所具有的特征考慮進來，并對采集數據與控制的方式進行選擇，而且選擇的是I/O，對CPU 的選擇，要選擇的接口是有SINECL2-DP的CPU315-2DP，在本文中，遠程處理的關鍵為選擇的是西門子的ET200M。

圖1 中央水泵的自動化控制系統硬件配置圖

采集設備狀態的是數字量輸入模塊，控制命令、閘閥到位信號、斷路器狀態、球閥到位信號等構成了開關量，把2 塊開關量輸入模塊分別布置到PLC 控制器的2 邊，開關量輸入模塊是32 路的。把1 塊開關量輸入模塊布置到I/O 其中一部分中，開關量輸入模塊是32 路的。當使用到現場時，通信可以由串聯RS-485、RS-232 通信模塊來實現。

2.3 系統傳感器

傳感器主要作用就是采集水泵正常運行時的技術參數。電機電壓、溫度、壓力值、功率、水倉水位等均為系統所應檢測的數據中最主要的部分。按照現場的實際狀況來對傳感器進行選擇[3]。

局部傳感器與全局傳感器構成了傳感器，在檢查整個系統的全部數據使選取超聲液位儀的是全局傳感器，而且全局傳感器還與冗余結合雙傳感器，進一步提升準確度與可靠性。在檢驗系統使用自我診斷的是局部傳感器，對比相鄰階段的有關數據，就會有數據曲線的形成。要按時分析數據曲線，若其中任意一階段的數據發生波動比較大時，就會馬上報警，使系統正常運行更加可靠與精準。

3 控制系統的軟件設計

在設計系統軟件時，下面幾項功能是一定要具備的：備用選用與自動解除，能夠當做備用機組的是排水泵的任意一臺，而且當水泵處于停止狀態時能夠實施切換，若有故障發生在其中的任意1 臺排水泵中時，能夠盡快把備用解除，使運行始終是正常的；啟動時可以使用手動，能夠供給界面用于人工操作，能夠人工開啟設備中的部分設備；啟動時可以按順序，由于對啟動時間設定了間隔啟動，所以，使順序啟動電機得以實現；顯示水位，若水倉水位比某個數值高與低時，就會把水位顯示出來；自動控制，當監管是沒有人時，仍能自己運轉，若有較高的水位出現時，那么就要馬上進行抽排，若有較低的水位出現時，那么就要馬上進補水。系統自動控制軟件流程圖如圖2 所示。

圖2 系統自動控制軟件流程圖

對系統進行檢測若有故障存在時，就會使系統實施手工操作，若故障不存在或排除故障之后，系統就會進行的操作是半自動、自動。當啟動系統之后，首先要做的就是聯通開關柜，并把I/O 處理程序啟動，對運行方法的選擇要依據判斷來進行，而且選擇的方法有3 種，運行模式的判斷可由控制板安裝按鈕的實際位置來進行，若運行模式是自動操作，系統是自動運行的，使輪換工作得以完成，若有故障發生時，就會有停止報警發出來，若運行模式是半自動操作，想要排水泵中的哪臺運行要由人工來進行選定，接下來在把自動模式開啟，在對手動模式進行選定時，整個系統的運行都沒有PLC 的參加。

4 應用效果分析

井下中央水泵控制系統經過改造與優化，基于用電所具有的峰谷與水倉水位是高是低的動態檢測，系統對水泵的運行進行自動操控，減少了維護成本、電費與人工費用，在1 年節省了35 萬元。也可以節省改造排水系統方面的有關費用。某礦自動化排水與人工手動排水的費用比較表如表1 所示。

表1 人工手動排水和自動化排水費用比較 萬元

當改造系統之后，在真正運行時得知，以PLC 為基礎的主排水泵控制系統，能夠使自動匹配涌水量和排量得以實現，使主排水泵能夠有效的運行，防止浪費其功率，而且在對水泵的控制系統進行設計之后，可以使其可以故障報警和故障識別的更準確，當運行時，識別的故障與報警分別是21 條與2 次，使主排水控制系統更加安全，保障礦井生產更加安全。