開灤（集團(tuán)）蔚州礦業(yè)有限責(zé)任公司 劉 悅 繆江華 汪正果

煤礦的井下排水系統(tǒng)對(duì)整個(gè)煤礦的安全生產(chǎn)起著非常重要的作用，其安全可靠性直接影響礦井生產(chǎn)的效率和安全。目前，我國(guó)大多礦井水泵房仍然普遍使用傳統(tǒng)的人工操作排水系統(tǒng)。這種排水系統(tǒng)由于自動(dòng)化程度低，應(yīng)急能力差，存在很大的安全隱患。隨著我國(guó)煤炭行業(yè)的發(fā)展，井下排水系統(tǒng)自動(dòng)化已成為亟待解決的問題[1]。本課題從我國(guó)煤礦生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，針對(duì)現(xiàn)有排水系統(tǒng)存在的弊病，結(jié)合現(xiàn)代水泵節(jié)電技術(shù)和控制理論，對(duì)井下排水系統(tǒng)的水泵采取相應(yīng)合理的節(jié)能技術(shù)和狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過s7-300PLC來實(shí)現(xiàn)井下泵房自動(dòng)控制方案的設(shè)計(jì)保證煤礦水泵安全運(yùn)行、節(jié)能降耗的一項(xiàng)重要措施。

1.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能

1.1 水泵的控制方式

系統(tǒng)控制具有自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)檢修3種工作方式。自動(dòng)時(shí)，由PLC檢測(cè)水位、壓力等有關(guān)信號(hào)，自動(dòng)完成各泵組運(yùn)行，不需人工參與；半自動(dòng)工作方式時(shí)，由工作人員選擇某臺(tái)或幾臺(tái)泵組投入，PLC自動(dòng)完成已選泵組的啟停和監(jiān)控工作；手動(dòng)檢修方式為故障檢修和手動(dòng)試車時(shí)使用，當(dāng)某臺(tái)水泵及其附屬設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，該泵組將自動(dòng)退出運(yùn)行，不影響其它泵組正常運(yùn)行。PLC柜上設(shè)有該泵的禁止啟動(dòng)按鈕，設(shè)備檢修時(shí)，可防止其他人員誤操作，以保證系統(tǒng)安全可靠。系統(tǒng)可隨時(shí)轉(zhuǎn)換為自動(dòng)和半自動(dòng)工作方式運(yùn)行。

1.2 水泵及電機(jī)的工作參數(shù)顯示

系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水泵及電機(jī)的工作參數(shù)。如水泵流量、軸溫、電機(jī)溫度、電機(jī)開啟狀態(tài)與工作電流等。系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)測(cè)水泵和電機(jī)的用電參數(shù)，包括電流、電壓、有功功率、效率等。

1.3 報(bào)警以及自動(dòng)保護(hù)功能

系統(tǒng)具有報(bào)警功能，包括水倉(cāng)水位高限、報(bào)警，電壓高限、低限報(bào)警，電機(jī)水泵異常報(bào)警。同時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)和水泵的自我保護(hù)，如流量保護(hù)：當(dāng)水泵啟動(dòng)后或正常運(yùn)行時(shí)，如流量達(dá)不到正常值，通過流量保護(hù)裝置使本臺(tái)水泵停止運(yùn)行，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為啟動(dòng)另一臺(tái)水泵。

圖1 泵房控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.控制系統(tǒng)的組成

該控制系統(tǒng)是由地面操作員站、井下水泵控制主站和水泵控制分站三部分組成[2]，其控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。主站控制器采用西門子S7-300系列PLC，PLC備有以太網(wǎng)模塊通過通訊管理機(jī)上傳地面調(diào)度室。分站控制分站采用西門子ET200M遠(yuǎn)程分布式I/O，分站通過IM153-2通訊接口模塊來實(shí)現(xiàn)與主站的通訊。各個(gè)分站之間相對(duì)獨(dú)立，系統(tǒng)可靠性更高。ET200M分站對(duì)泵房?jī)?nèi)排水泵、射流系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、管道電動(dòng)閥門和水泵軸震動(dòng)等裝置實(shí)施了自動(dòng)控制及運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)，通過檢測(cè)水倉(cāng)水位、電機(jī)電流、電機(jī)電壓、閘閥開啟度、流量、真空度等參數(shù)，從而來控制水泵的工作。

主站面板上設(shè)有Siemens6’液晶顯示操作屏TP277，就地實(shí)時(shí)以圖形、圖像、數(shù)據(jù)、文字等方式，直觀、形象、實(shí)時(shí)地反映系統(tǒng)工作狀態(tài)以及水倉(cāng)水位、電機(jī)工作電流、電機(jī)溫度、水泵溫度、排水管流量、水泵真空度等參數(shù)[3]。與分站通訊控制水泵輪換工作，合理調(diào)度水泵運(yùn)行。同時(shí)主站控制柜內(nèi)備有2個(gè)CP340串口通訊模塊，其中1個(gè)與水泵的高壓開關(guān)柜微機(jī)綜保模塊通訊，采集高壓開關(guān)柜的電流、電壓、功率等信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓開關(guān)柜三遙。另外一個(gè)串口通訊模塊與每個(gè)分站上的溫度巡檢儀通訊，檢測(cè)每臺(tái)電機(jī)和泵的軸溫。

通訊管理機(jī)將各種數(shù)據(jù)信息傳送到地面生產(chǎn)調(diào)度中心和生產(chǎn)設(shè)備控制中心，地面操作員站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控及報(bào)警顯示、故障歷史查詢、模擬量曲線顯示和報(bào)表打印。該系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、操作方便、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

3.系統(tǒng)的主要工作環(huán)節(jié)

3.1 抽真空環(huán)節(jié)

水泵只有在其葉輪完全淹沒于水中的情況下，泵體內(nèi)部才能造成必要的真空度，實(shí)現(xiàn)正常排水。若真空度不夠，泵內(nèi)有空氣存在，將會(huì)造成不上水和轉(zhuǎn)動(dòng)部件“干燒”等故障。本控制系統(tǒng)采用真空泵抽真空、真空表檢測(cè)真空度，控制器在真空度達(dá)到要求后才會(huì)開泵。

3.2 閘閥操作環(huán)節(jié)

為了減小啟動(dòng)功率，水泵操作規(guī)程規(guī)定離心式水泵一定要關(guān)閉出水閘閥后啟動(dòng)，而當(dāng)停止水泵時(shí)，為了避免水錘事故，必須先關(guān)閉閘閥，緩慢減小流速，最后停泵?？刂葡到y(tǒng)就是采用這種閘閥與水泵的聯(lián)鎖控制方式。

3.3 水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)

本系統(tǒng)水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)的任務(wù)是通過超聲波液位計(jì)實(shí)時(shí)采集水位高度的信息，根據(jù)水位的高低自動(dòng)發(fā)出開停水泵的命令。系統(tǒng)中將水位從低到高設(shè)置為1，2，3，4檔如圖2所示，當(dāng)水位達(dá)到水位2時(shí)，若時(shí)段處于低谷時(shí)段，可以立即啟動(dòng)水泵，若處于峰值時(shí)段，則暫緩啟動(dòng)。當(dāng)水位繼續(xù)上升到水位3時(shí)，則不論電網(wǎng)的負(fù)荷如何立即開啟水泵。若水位繼續(xù)上升至4時(shí)，則表明一臺(tái)水泵的排水量已不足以排出礦井出水，必須啟動(dòng)第二套水泵，兩臺(tái)水泵一起排水。無論投入幾臺(tái)泵，水位必須下降到水位1方可停泵。

圖2 水倉(cāng)水位

3.4 故障保護(hù)環(huán)節(jié)

水泵機(jī)組的電機(jī)容量大，耗電量高，屬于一級(jí)負(fù)荷。因此對(duì)排水設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的安全性、可靠性要求較高，本系統(tǒng)設(shè)有以下幾種保護(hù)：

(1)流量保護(hù)。系統(tǒng)通過電磁流量計(jì)實(shí)時(shí)的檢測(cè)水泵的流量，當(dāng)水泵啟動(dòng)后或者正常運(yùn)行過程當(dāng)中，如果流量達(dá)不到正常值，通過程序設(shè)計(jì)使本臺(tái)水泵停車，轉(zhuǎn)為啟動(dòng)另一臺(tái)水泵。

(2)電動(dòng)機(jī)故障保護(hù)。系統(tǒng)通過CP340與綜保進(jìn)行通訊來采集水泵電機(jī)的電壓電流情況，實(shí)時(shí)監(jiān)視水泵電機(jī)欠壓、過流、短路等故障，并參與控制。

(3)電動(dòng)閘閥故障保護(hù)。由PLC采集電動(dòng)閘閥的信息，并實(shí)時(shí)顯示閘閥的開度。如發(fā)現(xiàn)故障則通過程序來實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

3.5 電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)是排水綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)。它由PLC、中間繼電器、接觸器等組成，本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)了泵自動(dòng)輪換工作，控制程序?qū)⑺脝⑼４螖?shù)及運(yùn)行時(shí)間和管路使用次數(shù)及流量等參數(shù)自動(dòng)記錄累計(jì)，系統(tǒng)根據(jù)這些運(yùn)行參數(shù)按一定規(guī)律自動(dòng)啟停水泵，使各水泵及其管路的使用率分布均勻，當(dāng)水泵在啟動(dòng)或運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止故障水泵、投入新的水泵排水，實(shí)現(xiàn)水泵自動(dòng)輪換工作，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，并在操作屏和地面操作站上動(dòng)態(tài)閃爍顯示，記錄事故，達(dá)到有故障早發(fā)現(xiàn)、早處理。以免影響礦井安全的目的。系統(tǒng)根據(jù)水泵的開啟次數(shù)自動(dòng)按一定順序輪換開啟水泵，當(dāng)某臺(tái)或者其所屬閥門故障或檢修時(shí)，該泵自動(dòng)退出輪換，其余各泵仍按輪換工作制運(yùn)行[4]。

4.控制運(yùn)行策略

系統(tǒng)通過超聲波液位計(jì)自動(dòng)檢測(cè)水位信號(hào)，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)不同水位段水位上升的速率，從而計(jì)算礦井的涌水量的大小，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制策略，自動(dòng)投入和退出水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，合理調(diào)度水泵運(yùn)行，從而避免水少多泵運(yùn)轉(zhuǎn)的情況。系統(tǒng)通過CP340通訊模塊來與溫度巡檢儀通訊，實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)軸溫、電機(jī)定子溫度，如果發(fā)現(xiàn)溫度超限，能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并且自動(dòng)切換到備用水泵工作，保護(hù)電機(jī)不被損壞，減少電機(jī)維修次數(shù)。從而有效的降低了水泵的磨損，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命。系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)的工作電壓和工作電流計(jì)算電機(jī)軸功率根據(jù)流量和揚(yáng)程計(jì)算有功功率，從而計(jì)算出排水系統(tǒng)效率，一旦水泵運(yùn)行在低效率范圍內(nèi)，自動(dòng)切換到備用水泵工作，使該泵處于檢修狀態(tài)，并發(fā)出信號(hào)通知管理人員及的對(duì)該泵進(jìn)行檢修。根據(jù)礦上的實(shí)際峰谷時(shí)段并結(jié)合實(shí)際涌水量的大小來實(shí)現(xiàn)水泵的啟動(dòng)和停止，達(dá)到節(jié)省電量的目的，水泵節(jié)能控制運(yùn)行策略如圖3所示。

圖3 水泵運(yùn)行控制決策圖

5.水泵的節(jié)能方法

(1)水泵的調(diào)速節(jié)電

調(diào)速控制是節(jié)電的一種十分有效的途徑[5]。水泵的水泵的耗電量與機(jī)組的轉(zhuǎn)速的三次方成正比。在使用恒定轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)通過調(diào)節(jié)閥控制出水量時(shí)。隨著管道阻力的增加，由圖4所示R(I)變成R(II)，工作點(diǎn)由A移到B，出水量由Q1減少到Q2。同時(shí)，揚(yáng)程由H1增加到H3。因而軸功率由N1變成N2。

如果使用調(diào)速電機(jī)控制出水量，則隨著泵的出水量變化，若要使管道末端的壓力總保持恒定，就可以改變泵的轉(zhuǎn)速。如圖4中相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速?gòu)膎1減小到n2，工作點(diǎn)由A移到C，出水量由Q1減少到Q2，揚(yáng)程由H1增加到H3。

圖4 水泵調(diào)速原理示意圖

由上面分析可知，上述兩種方法都可以控制出水量。但由調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制時(shí)，使泵在B點(diǎn)運(yùn)行時(shí)所消耗的電力（軸功率）N2為：

由調(diào)速方式使水泵的在D點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，所消耗的電力（軸功率）N3為：

因此，通過調(diào)速來控制出水量比用調(diào)節(jié)閥控制所節(jié)約的電力為：

采用泵調(diào)速措施，初期投資大，但節(jié)能效果顯著，尤其適用于大容量泵。要注意，揚(yáng)程越大，阻力曲線越平，即使轉(zhuǎn)速稍有變化，流量也會(huì)大幅度變動(dòng)，且節(jié)能效果差。

水泵和風(fēng)機(jī)類負(fù)載為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，可選用通用變頻器或節(jié)能型變頻器。低速下負(fù)載轉(zhuǎn)矩非常小，對(duì)變頻器的運(yùn)行溫度、轉(zhuǎn)矩等都不存在問題，只考慮在額定點(diǎn)變頻器運(yùn)行引起的損耗增大即可。如采用節(jié)能型變頻器，能取得更好的節(jié)能效果，比調(diào)節(jié)擋板、閥門可節(jié)能40%-50%[6]。

(2)水泵葉輪改造節(jié)電

a.車削或更換葉輪（只限于離心泵），當(dāng)使用中的泵流量比實(shí)際所需要的流量大，而又不能采用調(diào)速控制時(shí)，可將泵的葉輪車削一段或更換葉輪[7]。

b.抽去葉輪葉片（改變級(jí)數(shù)），該方法不能改變流量，只改變揚(yáng)程。

(3)減少管道阻力和選擇合理?yè)P(yáng)程的水泵，消除管道上的多余的管件和不必要的彎角及銳角，以減少管道阻力，能降低輸送水的單位耗電量。

(4)更換泵及電動(dòng)機(jī)，用新式的效率高的去代替老的效率低的水泵，當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率大于實(shí)際需要時(shí)，可以更換電動(dòng)機(jī)的方法節(jié)電。

(5)水泵串、并聯(lián)運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際需要的負(fù)荷狀況，可采取串聯(lián)或并聯(lián)方式來運(yùn)行水泵。

以上各種的水泵的節(jié)能方式需針對(duì)各個(gè)礦上的實(shí)際的情況，合理的選用水泵的節(jié)電方法，這將會(huì)大大提高水泵的運(yùn)行效率，使整個(gè)系統(tǒng)的在節(jié)電技術(shù)方面有很大的改進(jìn)。

6.結(jié)語

基于s7-300的節(jié)能型礦井水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況和運(yùn)行過程進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制，使設(shè)備達(dá)到最佳工作狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)峰谷分時(shí)電價(jià)、水倉(cāng)的水位控制電機(jī)的啟停，綜合礦上實(shí)際情況合理選取水泵的節(jié)電技術(shù)，從而達(dá)到有效節(jié)約能源、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、降低運(yùn)行成本和延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的目的。

[1]朱全印.礦井泵房節(jié)能型自動(dòng)控制系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].煤炭工程,2009(7).

[2]劉冰,陳洪亮,賈立新.煤礦水泵自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)電,2004(5).

[3]柴紫娟.西門子PLC高級(jí)培訓(xùn)教程[M].人民郵電出版社,2009.

[4]孫新梅.煤礦井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)的改造[J].合肥工業(yè)大學(xué).2009

[5]李繼紅.淺談因地制宜地進(jìn)行風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)電技術(shù)改造[J].節(jié)能技術(shù),2001.

[6]孫成寶,金哲.現(xiàn)代節(jié)電技術(shù)與節(jié)電工程[M].中國(guó)水利水電出版社,2005.

[7]江河泓.葉輪切削在水泵節(jié)能改造中的應(yīng)用[J].安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2009(9).