胡正鑫

(銅陵有色銅冠〈廬江〉礦業(yè)有限公司，安徽 廬江231563)

0 引言

我礦筆東泵房安裝有3 臺200D65×6 水泵， 單機(jī)拖動功率500kW。水泵投入運(yùn)行后，由于閘閥口徑較大、壓力高，停泵時(shí)完全關(guān)閉困難以及逆止閥關(guān)閉不嚴(yán)和人工操作不當(dāng)?shù)榷喾N原因，造成水泵底閥損壞頻率很高，最多時(shí)一個月?lián)p壞達(dá)10 起，造成水泵因沒有引水而無法投入運(yùn)行，嚴(yán)重影響筆東排水安全，同時(shí)備件消耗大，維修時(shí)只有將泵吸水管拆下，更換底閥，檢修勞動強(qiáng)度高。

為解決筆東排水安全上存在的隱患，決定對筆東泵房進(jìn)行自動化改造。 現(xiàn)針對電氣的控制原理和控制特點(diǎn)進(jìn)行如下說明。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)包含電源柜、繼電器柜、PLC 控制柜、儀表箱、操作臺及三臺就地控制箱。

系統(tǒng)采用西門子可編程控制器（CPU 313C-2 DP）作為控制元件，通過profibus 通訊線與三臺控制箱中的IM153-1 子站進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)集中和就地控制。 配備CP343-1 通訊模塊和工業(yè)交換機(jī)，通過光纖將信號上傳到遠(yuǎn)程上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。 并且通過設(shè)置上位機(jī)的中WINCC WEB navigator，使得礦網(wǎng)內(nèi)的電腦均可以通過遠(yuǎn)程桌面連接實(shí)時(shí)監(jiān)控筆東泵房排水狀態(tài)，技術(shù)人員無需到現(xiàn)場即可知道水泵的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

2 系統(tǒng)功能

針對礦山排水的實(shí)際要求，本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下幾項(xiàng)內(nèi)容:

（1）選擇性能可靠地儀器儀表，實(shí)時(shí)監(jiān)測水泵排水系統(tǒng)各主要參數(shù)，包括水位、電壓、電流、排水壓力、功率、電機(jī)溫度、回水溫度、水泵軸承振動、真空度、排水流量、真空流量以及各開關(guān)、閘閥的狀態(tài)等。

（2）采用西門子S7300 系列的可編程控制器實(shí)時(shí)采集水泵房各類設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)水位、峰谷時(shí)段、用水需求等因素自動控制水泵機(jī)組的啟停，實(shí)現(xiàn)水泵房的無人值守。

（3）PLC 控制柜配備CP343-1 通訊模塊和工業(yè)交換機(jī)， 接入礦井工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)時(shí)將水泵自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳至礦山設(shè)備管理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

（4）系統(tǒng)設(shè)置自動、手動、檢修三種狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動、遠(yuǎn)程半自動（上位機(jī)上一鍵啟動）、現(xiàn)場手動三種開泵方式。

（5）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以WINCC 界面顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)顯示水位、電壓、電流、流量、壓力和各開關(guān)及閘閥的狀態(tài)，具有報(bào)警、歷史故障查詢、歷史電流曲線、報(bào)表等功能。在WINCC 中設(shè)置操作密碼，管理人員可在登錄后一鍵啟停水泵。

（6）設(shè)置輪換工作機(jī)制，使得水泵均衡磨損。

（7）設(shè)置水位和峰谷時(shí)段共同參與控制的啟停機(jī)制，最大量的降低排水電耗，同時(shí)保障礦山排水安全。

（8）采用運(yùn)行可靠、實(shí)現(xiàn)真空度高、抽真空時(shí)間短的真空泵運(yùn)行，一用一備。采用真空管流量和真空度測量雙重檢測，同時(shí)，選擇合適位置安裝真空管，以保證泵腔無氣體。

3 系統(tǒng)控制原理

（1）自動輪換工作

為了防止因備用泵及其電氣設(shè)備長期不用而使電機(jī)和電氣設(shè)備受潮或銹死，在工作泵出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵時(shí)，而不能及時(shí)投入以至影響礦井安全，系統(tǒng)設(shè)置自動輪換工作控制，對單臺水泵運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)累加，當(dāng)累加時(shí)間相差小于設(shè)定值時(shí)，原則上1～3# 泵依次運(yùn)行，即打開1# 泵啟停1 次后，下次開停即為2# 泵，依次為3# 泵，2# 泵故障不能啟動時(shí)，及時(shí)啟動開啟3# 泵。 以使各臺水泵具有較為平均的開機(jī)時(shí)間；當(dāng)累加時(shí)間相差超過設(shè)定值時(shí)，說明時(shí)間短的水泵效率較高，可優(yōu)先啟動。 這樣輪換工作，既可促使各水泵磨損量相近，延長其使用壽命，也可防止備用泵長時(shí)間不開而導(dǎo)致在需要投入時(shí)不能及時(shí)投入，保證礦山排水安全。

（2）自動控制

水泵啟動之前需要使其葉輪完全淹沒于水中，才能實(shí)現(xiàn)正常的排水。若真空度不夠，將會造成水泵空轉(zhuǎn)和泵體磨損。系統(tǒng)采用真空泵抽真空，由真空表、電磁流量計(jì)監(jiān)測真空度。

水泵的開機(jī)順序?yàn)椋?/p>

◆打開真空泵，自動抽真空；

◆檢測真空度，確定達(dá)到開泵條件；

◆抽真空完畢，開啟水泵；

◆打開排水管路上電動閘閥；

◆關(guān)閉真空管路上的電動球閥，停止真空泵；

◆水泵自動開機(jī)完畢。

水泵關(guān)機(jī)順序?yàn)椋?/p>

◆關(guān)閉出水電動閘閥；

◆停止水泵運(yùn)行。

（3）運(yùn)行模式

水泵自動化系統(tǒng)具有三種工作方式，“自動”、“手動”、“檢修”。

自動：自動控制下， PLC 采集各種信號，集中控制水泵及閘閥的啟停。 由超聲液位傳感器連續(xù)檢測水倉水位，根據(jù)吸水井的水位及峰谷時(shí)段因素，合理調(diào)度自動開停水泵及其閥門，在正常水位時(shí)，各臺水泵能自動輪換工作，最大涌水及突出涌水時(shí)，自動投入必要數(shù)量的水泵運(yùn)行。 此方式下可實(shí)現(xiàn)無人值守。

當(dāng)水泵出現(xiàn)故障時(shí)，能夠及時(shí)報(bào)警，并能夠自動開啟備用水泵。

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、開液壓閥等自動控制，并完成運(yùn)行停止。

手動運(yùn)行包括現(xiàn)場手動運(yùn)行及遠(yuǎn)程上位機(jī)上手動運(yùn)行兩種操作模式。

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

圖1 水位控制流程

（4）以水位控制為核心的工作原理

水泵開啟時(shí)，首先檢測水倉水位，水倉水位由超聲波液位計(jì)進(jìn)行檢測，浮球液位計(jì)作為后備，設(shè)置點(diǎn)為超限水位。 設(shè)定四個水位限值：H1（超限水位）、H2（報(bào)警水位）、H3（啟動水位）、H4（停泵水位），（現(xiàn)分別設(shè)置為水倉距液面距離：0.7 米、1 米、2 米、3.1 米， 設(shè)置具體數(shù)值隨涌水情況可改變。

在高峰用電時(shí)段，水倉水位上升至報(bào)警水位時(shí)，開啟一臺水泵，如果水位繼續(xù)上漲至超限水位，則備用泵（自動狀態(tài)下）全部自動投入，遠(yuǎn)程監(jiān)控同時(shí)發(fā)出訊號。 當(dāng)水位降至H3 時(shí)，備用泵自動停止，只保留一臺水泵運(yùn)行。

在平谷或低谷時(shí)段，當(dāng)水位超過啟動水位，開啟一臺水泵，當(dāng)開啟一臺水泵運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)水位仍然上漲，則順序開啟下一臺水泵。 當(dāng)水位下降到H3 以下時(shí)，則停止一臺運(yùn)行時(shí)間較長的水泵。

對于具備開啟條件的水泵，在開啟前首先啟動真空系統(tǒng)，檢測真空度，真空度達(dá)到后即可開啟。

當(dāng)水泵出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)停泵，顯示報(bào)警。

（5）根據(jù)避峰就谷的原則合理設(shè)置開泵時(shí)間

12 時(shí)到17 時(shí)平段電時(shí)間和23 時(shí)到8 時(shí)谷段電時(shí)間為允許開車時(shí)間，當(dāng)液位達(dá)到啟動水位則自動起動水泵，直到將水位降至停泵液位。 因?yàn)樗坎淮?，完全可以?shí)現(xiàn)用低谷電排水。

經(jīng)過多次試驗(yàn)，我礦正常運(yùn)行中每天23 時(shí)準(zhǔn)時(shí)啟動水泵，達(dá)到降低用電成本的效果。

4 系統(tǒng)隱患探討

系統(tǒng)自2010 年7 月完成自動化改造后，運(yùn)行一直比較穩(wěn)定。由于筆東-510m 水泵房只有筆東豎井可下， 在筆東卷揚(yáng)2012 年更換電機(jī)和2014 年初的更換首、尾繩及配重過程中，人員都無法到達(dá)水泵房現(xiàn)場，而水泵都能自動啟動，保障了排水安全，同時(shí)為檢修爭取了時(shí)間。

系統(tǒng)在擁有安全和節(jié)能優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也存在著部分隱患，具體如下：

（1）水泵房安排一個巡檢人員，無操作人員，而當(dāng)巡檢人員責(zé)任心不強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)問題不及時(shí)，或在職責(zé)范圍內(nèi)的工作不認(rèn)真執(zhí)行，將影響水泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）泵體抽真空是關(guān)鍵的一步，但是對于填料密封的水泵，盤根總會有所磨損，密封性不是很好，抽真空的同時(shí)盤根處會漏氣，影響很大。

（3）盤根需要經(jīng)常更換，且效率不高。

（4）水環(huán)真空泵都裝有過載保護(hù)繼電器，此過載保護(hù)繼電器跳了之后整個系統(tǒng)都將失去自動功能，需要人工現(xiàn)場恢復(fù)或切換到另一真空支路。

針對以上問題，我們一方面強(qiáng)化人員考核，加強(qiáng)設(shè)備保養(yǎng)；同時(shí)安裝輔助設(shè)備，在水環(huán)真空泵運(yùn)行同時(shí)，對盤根處進(jìn)行水封。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)的先進(jìn)性主要表現(xiàn)在其穩(wěn)定性、可靠性和安全性能。 同時(shí)我們通過涌水實(shí)際合理設(shè)置水位點(diǎn)， 使水泵運(yùn)行幾乎都在低谷時(shí)段，從而主井排水也相繼在低谷時(shí)段，大大降低了排水費(fèi)用。

［1］李志紅,王峰,閆曉雷.基于PLC 的礦井中央泵房自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2010(03).

［2］張國勇,沈印.礦山水泵自動排水控制系統(tǒng)研究[J].河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2011(04).

［3］王幸福.礦井排水自動化控制系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)電,2010(04).