吳義虎

1 概述

1.1 井下排水自動(dòng)化系統(tǒng)的重要性

排水系統(tǒng)作為礦山生產(chǎn)的八大系統(tǒng)之一是我們礦山企業(yè)安全生產(chǎn)的有力保障。目前國(guó)內(nèi)的礦山井下排水系統(tǒng)的自動(dòng)化水平還不是很高，制約著礦山生產(chǎn)的安全性和高效性。本文提及的礦井泵房PLC自動(dòng)化系統(tǒng)能解決這些突出存在的問題。

2011年來由發(fā)改委、電監(jiān)會(huì)聯(lián)合出臺(tái)的《電力需求側(cè)管理辦法》，對(duì)用電企業(yè)采取分時(shí)計(jì)價(jià)繳納電費(fèi)，其中峰谷用電價(jià)差明顯。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，井下排水所需要的用電量占礦山在生產(chǎn)中的總電能耗的17.9%-42.8%。因此，面對(duì)資源品質(zhì)不高的礦山企業(yè)，井下排水系統(tǒng)的成本效益也逐漸引起了廣泛關(guān)注。

傳統(tǒng)排水系統(tǒng)選擇的井下水泵能耗高，啟動(dòng)頻繁，選型的水泵在啟動(dòng)前吸水管路的充水，通常采用是抽真空吸水的方法來實(shí)現(xiàn)的。而且大多數(shù)都采用老式繼電器的控制方法，在實(shí)際操作過程中工作人員需要目視信號(hào)判斷檢測(cè)后，再啟停排水系統(tǒng)。選用此類控制方式線路設(shè)計(jì)相對(duì)比較復(fù)雜，設(shè)備運(yùn)行的可靠性也不高，工人操作較繁瑣，對(duì)設(shè)備的磨損和能耗都影響很大，不適應(yīng)礦山發(fā)展的需要。

本設(shè)計(jì)選用西門子S7-300系列PLC以及水位、壓力、流量等傳感器來實(shí)現(xiàn)井下自動(dòng)排水控制，可根據(jù)井下水量大小以及“避峰就谷”原則來選擇開動(dòng)水泵的臺(tái)數(shù)，達(dá)到節(jié)約能源和減少排水成本的目的。為了確保井下排水的安全性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)選擇主、備雙排水設(shè)計(jì)，其中排水泵和排水管線均采用“自動(dòng)輪換”機(jī)制，避免了設(shè)備磨損和井下環(huán)境潮濕等因素對(duì)系統(tǒng)的影響，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需要的控制功能。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)基本情況

2 礦井下排水系統(tǒng)組成概況

2.1 離心式水泵工作原理

井下排水系統(tǒng)使用的水泵種類繁多，我們?cè)O(shè)計(jì)選用普通的離心排水泵，此類水泵主要由起動(dòng)設(shè)備、電動(dòng)機(jī)、離心式水泵、管路、管路附件及監(jiān)測(cè)儀表等組成。如圖1所示。

2.2 離心式水泵的啟停過程

2.2.1 離心式水泵的啟動(dòng)過程

系統(tǒng)先通過水位傳感器監(jiān)測(cè)到水倉水位高度，當(dāng)水位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，PLC將發(fā)送數(shù)字開信號(hào)給射流泵電磁閥，通過射流泵為離心泵泵體注水。當(dāng)水泵入口處的真空變化時(shí)，配水設(shè)施中的水會(huì)注入到離心水泵的腔體中直至注滿，當(dāng)水泵入口處的真空度達(dá)到要求后，接通水泵機(jī)組中的電動(dòng)機(jī)觸點(diǎn)來開啟水泵。電機(jī)啟動(dòng)后，水泵出口壓力會(huì)慢慢增加。當(dāng)達(dá)到某一數(shù)值后將不再增加，在滿足預(yù)先設(shè)定的壓力值后，為水泵開啟其出口處的電動(dòng)閥門，水泵機(jī)組于是進(jìn)行排水。同時(shí)，關(guān)閉射流泵，停止為其引水。

2.2.2 離心式水泵的停機(jī)過程

水倉在水泵排水的作用下水位逐漸下降，當(dāng)達(dá)到設(shè)定水位時(shí)，先關(guān)閉排水管的閘閥，防止排水管中井水倒流，隨即關(guān)閉水泵電機(jī)，并停止其他排水工作。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 可編程控制技術(shù)

3.1.1 PLC的主要特點(diǎn)

1）PLC（ Programmable Logic Controller）即可編程邏輯控制器特點(diǎn)

（1）靈活，通用。

（2）抗干擾，運(yùn)行可靠性高。

（3）編程簡(jiǎn)單，使用方便。

（4）接線簡(jiǎn)單。PLC只需將數(shù)字、模擬輸入輸出設(shè)備與其相應(yīng)端子聯(lián)接接線，工作量較小。

（5）功能強(qiáng)大。

2）PLC的主要功能

PLC是現(xiàn)今應(yīng)用面最廣的自動(dòng)化控制設(shè)備之一。PLC技術(shù)發(fā)展非常迅速，其在自動(dòng)化領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)集成制造過程中都占有極高的地位。如今PLC的系列功能，不僅是替代傳統(tǒng)的繼電器邏輯功能，還包括了一些復(fù)雜的順序控制和邏輯運(yùn)算。

3.1.2 PLC的基本工作原理

PLC運(yùn)行工作時(shí)，內(nèi)部需要進(jìn)行系列的驗(yàn)證和運(yùn)算操作，過程大致分為四種類型：其中公共操作包括以故障診斷、通信處理為主，聯(lián)系工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字模擬信號(hào)的輸入和輸出操作，執(zhí)行各用戶已經(jīng)設(shè)定的程序操作，以及對(duì)外部設(shè)備的中間操作，例如：外部設(shè)備的中斷請(qǐng)求?？刂七^程示意圖如圖2所示。

3.2 PLC控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表、觸摸裝置、可編程控制器及其輸入輸出模塊和執(zhí)行設(shè)備等部分組成，其工作結(jié)構(gòu)連接如圖3所示。

3.2.1 控制系統(tǒng)的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)

通過粗略統(tǒng)計(jì)，該系統(tǒng)需要添加模擬量輸入通道需要49路，數(shù)字輸出34路，數(shù)字輸入50路，分配情況見表1，表2，表3。

3.3 軟件流程圖

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能分析，系統(tǒng)的軟件流程圖繪制如圖4：

從上圖4中可以看到，在系統(tǒng)通電啟動(dòng)后，首先PLC與觸摸裝置和上位機(jī)通訊，然后系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的模擬量數(shù)值和數(shù)字量分析，開始系統(tǒng)自檢與門處理程序。在現(xiàn)場(chǎng)控制柜上的切換旋鈕選擇遠(yuǎn)程自動(dòng)、就地自動(dòng)和手動(dòng)三種運(yùn)行方式來進(jìn)行相應(yīng)操作。如果控制旋鈕切換到PLC遠(yuǎn)程自動(dòng)運(yùn)行方式，則PLC按程序制定的流程順序執(zhí)行。程序?qū)⒆詣?dòng)完成排水工作以及自動(dòng)輪換，如遇故障，系統(tǒng)報(bào)警并停止。控制旋鈕切換至半自動(dòng)運(yùn)行方式，那么操作人員此時(shí)可以在觸摸屏上選擇水泵投入工作，PLC則按照水泵的序號(hào)自動(dòng)完成啟動(dòng)，運(yùn)行和停止。切換按鈕切換至手動(dòng)方式，則PLC不參與過程控制，由操作人員手動(dòng)逐一操作整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行。

4 結(jié)束語

經(jīng)濟(jì)效益：礦山井下自動(dòng)排水系統(tǒng)，有效地解決了礦山人員和電力投入費(fèi)用，達(dá)到了減員增效和節(jié)能降耗的目的?！氨芊鍝窆取狈謺r(shí)開停泵實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，每年節(jié)省的電費(fèi)也很可觀，經(jīng)濟(jì)效益尤為顯著。

社會(huì)效益：

1）井下排水泵房基本做到了無人值守運(yùn)行，保障了井下職工的人身安全和勞動(dòng)效率。

2）自動(dòng)化的應(yīng)用也大大提升了現(xiàn)代化礦山信息化管理的水平。

[責(zé)任編輯：朱麗娜]