潘 越，張朋飛，左光宇，劉永生，龐懿元

（1.河北工程大學 機械與裝備工程學院，邯鄲056000；2.冀中能源峰峰集團有限公司，邯鄲 056000）

在煤炭開采過程中，地下水、地表水和雨雪水都有可能通過各種通道涌入礦井。對此，不僅要保證在正常涌水期間，把礦井內水倉的水排出礦井外，還要在最大涌水和搶險排水期間，能夠及時地把水倉礦水排出。因此，礦井排水系統(tǒng)對確保礦井安全生產，排水設備安全、可靠、經(jīng)濟、合理地運行具有十分重要的意義[1-2]。

目前，我國多數(shù)礦井排水系統(tǒng)存在著可靠性差，水位檢測精度不高，不能遵循避峰填谷人原則運行，工業(yè)自動化水平較低等問題，無法實現(xiàn)水倉水位和涌水量的實時監(jiān)測以及自動啟停水泵。另外，控制閥門的開度調節(jié)流量容易造成能源的較大浪費和“水錘效應”，無法滿足礦井排水控制要求[3-4]。在此，針對目前排水系統(tǒng)存在的問題，提出基于安全節(jié)能的礦井主排水泵變頻調速系統(tǒng)，對礦井安全高效的生產具有重要意義。

1 水泵變頻調速原理

1.1 變頻調速系統(tǒng)的基本特性

礦山排水系統(tǒng)中最重要的設備是離心泵。在一定速度下離心泵的排水特性曲線如圖1所示。由圖可見，流量小時揚程比較高，隨著流量的增加而揚程逐漸下降。流量-揚程特性曲線反映了離心泵流量Q與揚程H具有反比的關系。

圖1 離心泵的排水特性曲線Fig.1 Drainage characteristic curve of centrifugal pump

管阻特性曲線是流體在管路中的能量和隨流量而變化的關系曲線，其變化規(guī)律是管阻損失隨著流量的增加而增加。2條曲線的交點A為整個礦井主排泵變頻調速系統(tǒng)的平衡點。此時，礦井排水系統(tǒng)同時滿足泵的揚程特性和管道阻力特性，使排水系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

1.2 變頻供水系統(tǒng)的能耗分析

在礦井排水系統(tǒng)中，常用閥門控制法和調速控制法來調節(jié)流量。通過控制閥門的開度來調節(jié)流量不會改變水泵的速度，但會改變管道阻力的大小。由于水倉的水位一直在變化，如果閥門開度保持恒定，就會導致過壓或欠壓的現(xiàn)象。調速控制方式是通過變頻器電動機變頻調速控制水泵的速度來調節(jié)流量。其實質是通過改變水的動能來調節(jié)流量，優(yōu)點是閥門開度恒定，揚程特性曲線將隨著流量大小而變化，但管阻特性曲線不變。

當采用閥門控制方式時，水泵工作曲線如圖2所示。在水倉水位高時，假設水泵運行平衡點為點A，此時平衡點的流量為Q1，揚程為H1；當水倉水位低時，水泵的排水量減小到Q2時，減小閥門開度會導致管道阻力增大，管阻特性曲線由α3變?yōu)棣?，而揚程特性曲線保持不變。此時揚程從H1增加到H2，平衡點由A點變到B點，此時可用矩形OQ2BH2的面積表示水泵輸出功率，即

式中：η為水泵的效率；k為常數(shù)。

圖2 采用閥門控制方式的水泵工作曲線Fig.2 Working curve of water pump with valve control

采用變頻調速控制方式時，為了保持水倉水位在一定范圍內，通過調節(jié)水泵轉速，揚程特性曲線由n1變?yōu)閚2，平衡點移到C點。此時用OQ2BH1的面積表示輸出功率，有

與閥門控制法相比較，采用變頻調速調節(jié)流量，可以節(jié)約的輸出功率為

通過計算可得，當使用閥門控制法調節(jié)流量時，電機速度恒定，所以排水功率保持不變，將會浪費功率ΔP，并且隨著流量減小管道阻力增加，最終導致?lián)p耗進一步增加。當水泵變頻調速時，功率隨著電動機的轉速降低而降低，變頻調速方法的節(jié)能效果更顯著[5-6]。

2 系統(tǒng)總體設計方案

基于PLC的礦井主排水泵變頻調速系統(tǒng)由3臺水泵機組、PLC、變頻器、超聲波液位儀、上位機及限位器組成。PLC和變頻器是控制系統(tǒng)的核心單元。變頻器采用一拖二控制方式，即1臺變頻器控制，2臺水泵變頻調速，第3臺水泵備用。在礦井水倉中安裝4個水位限制器，利用超聲波液位傳感器檢測水位高度，根據(jù)系統(tǒng)設定的水位高度范圍來對實際的水位高度進行調節(jié)，并將水池的水位的高度模擬量輸入PLC，將模擬信號A/D轉換變成0～10 V的電信號輸入到變頻器的模擬輸入端，從而改變變頻器的輸出頻率，控制電動機帶動離心泵的轉速，實現(xiàn)了水倉水位在安全范圍內控制的目的。上位機通過以太網(wǎng)與PLC建立通信，對整個控制系統(tǒng)進行界面監(jiān)控，并實時顯示水泵參數(shù)。該系統(tǒng)構成如圖3所示。

圖3 變頻器排水系統(tǒng)的組成Fig.3 Composition of frequency converter drainage system

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 PLC選型設計

變頻器排水系統(tǒng)采用SIMATIC S7-200，控制模塊為CPU226。通過PLC設計主程序、子程序、中斷程序可以完成系統(tǒng)的數(shù)字量控制和報警中斷等功能。PLC通過以太網(wǎng)連接通信模塊與上位機建立通信，并通過RS485通訊接口與變頻器建立通信。系統(tǒng)的數(shù)字量輸入信號包括液位開關信號、水泵電機開關信號、控制模式選擇信號；模擬量輸入信號包括水池液位信號、超聲波液位儀、水泵排水壓力、水泵入口真空度等信號；數(shù)字量輸出信號包括電機的開關信號、警鈴開關信號、運行指示燈。礦井主排水泵變頻調速系統(tǒng)設計結構框圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)的結構框圖Fig.4 Control system structure block diagram

3.2 EM235模擬量擴展模塊

該系統(tǒng)檢測的模擬量有4個，PLC選擇了EM235模塊。該模塊有4個Al口，1個AQ口。通過水倉水位超聲波傳感器輸出的信號是0～10 V，可對EM235 DIP開關進行設置用來選擇模擬量輸入量程和精度。

3.3 變頻器參數(shù)的設定

為使主排水泵變頻調速，必須對變頻器參數(shù)進行正確的選擇和設定。該系統(tǒng)選擇西門子MM420型變頻器。首先對變頻器進行快速調試，設置參數(shù)P0010=1進入快速調試過程，可以完成變頻器主要參數(shù)的設置；根據(jù)電動機的額定功率、轉速和電流電壓進行變頻器參數(shù)設定；設置參數(shù)代號選擇電機最低和最高工作頻率，選擇加速、減速時間，選擇外部數(shù)字端子控制，選擇過流電流方式，選擇斷電重啟模式，等。

3.4 上位機界面設計

該系統(tǒng)采用WINCC組態(tài)軟件編寫，為了實現(xiàn)對系統(tǒng)的在線監(jiān)控，上位機設計了3個監(jiān)控界面：主監(jiān)控界面、數(shù)據(jù)查詢界面、報警查詢監(jiān)控界面。

①主監(jiān)控界面搭建系統(tǒng)組態(tài)框架，實時顯示水倉水位高度、水泵出口壓力、流量大小、真空度等相關參數(shù)。

②數(shù)據(jù)查詢界面包括實時數(shù)據(jù)查詢和歷史數(shù)據(jù)查詢，實時記錄并顯示各泵組運行情況及相關參數(shù)。

③報警查詢監(jiān)控界面設計電機故障、水泵機組故障、排水管路故障等報警指示燈，一旦出現(xiàn)故障對系統(tǒng)進行中斷處理。

3.5 主電路

該系統(tǒng)的主電路結構如圖5所示。選用MM420變頻器和 S7-200 PLC，作為基于PLC的礦井主排水泵變頻調速系統(tǒng)的核心部分。圖中，M1，M2，M3為電動機；FR1，F(xiàn)R2為熱繼電器，起保護電路的作用；KM1和KM3為接通接觸器，可以使電機M1和M2在工頻下工作；KM2和KM4為接通接觸器，可以使電機M1和M2在變頻下工作，實現(xiàn)電機變頻與工頻工作的切換；KM5為接觸器，控制M3的工頻運行，用于緊急排水或者檢修設備時備用排水。

4 系統(tǒng)軟件設計

圖5 礦井主排水泵變頻調速系統(tǒng)的主電路結構Fig.5 Main circuit structure of variable frequency speed regulating system for mine main drainage pump

該系統(tǒng)共有3臺離心泵：2臺主泵，另1臺水泵備用；2臺電動機變頻調速，1臺變頻器拖動。根據(jù)水倉水位來決定和工作水泵的數(shù)量。當應急排水時，啟動工頻備用泵加強排水能力。系統(tǒng)的控制流程如6所示。

圖6 控制流程Fig.6 Control flow chart

基于PLC的礦井主排水泵變頻調速系統(tǒng)設計應該實現(xiàn)以下功能：

（1）“避峰就谷”策略。

根據(jù)電費價格及用電量，利用PLC合理設定水泵機組的啟動。用電高峰期，充分利用水倉的有效容積，減少啟動水泵的數(shù)量；在用電低峰期，對水倉中的水集中排水，使其達到最低點。

（2）礦井水倉水位保持在一定范圍內。

水位高于上限水位時，變頻器輸出頻率升高，電動機轉速加快，水泵排水量增加；當水位高于上極限水位時，電機 M1頻率達到50 Hz并切換至工頻恒速運行，同時啟動電機M2進行變頻調速，增加水倉水位排水量。反之，頻率降低，電動機轉速減小，水位上升，最終達到水倉水位保持在一定的范圍內。

（3）系統(tǒng)具有手動和自動工作模式。

開關可以選擇系統(tǒng)的控制方式。在手動工作模式下，礦井排水系統(tǒng)的3個水泵均可獨立工頻工作，適合應急排水。手動操作可以進行故障檢修，解除互鎖關系對單獨水泵進行調試。礦井主排水泵變頻調速系統(tǒng)一般在自動操作模式下正常運行，根據(jù)PLC所檢測到的水倉水位高度，自動完成水泵機組的調速變頻控制和工頻切換。

5 應用實例

基于PLC的礦井主排水泵變頻調速系統(tǒng)設計原理，對邯鄲某礦的水泵房進行了改造，并在水泵組中安裝計電表，用于統(tǒng)計在1個月內3臺泵在1天中不同時段內自動化排水耗電量。改造前和改造后計電表分別累計1個月的耗電量見表1。

表1 改造前、改造后各一個月耗電量Tab.1 Power consumption before and after the transformation

礦井排水系統(tǒng)水泵房改造后，在基于PLC主排水泵變頻調速設計的基礎上，運用避峰就谷的原則進行自動化排水，1個月的時間可節(jié)省用電12%。

6 結語

目前，基于PLC的礦井主排水泵變頻調速系統(tǒng)已經(jīng)在邯鄲某礦井下安裝使用?，F(xiàn)場的實際運行效果表明，運用避峰填谷原則對PLC程序合理設計，并改進原有排水系統(tǒng)，實現(xiàn)了水倉水位的實時監(jiān)測和控制；變頻器技術對礦井主排水泵變頻調速，從而減小排水設備的耗電量；上位機可實現(xiàn)遠程監(jiān)控，實時顯示參數(shù)，故障報警等，對礦井安全運行有重要意義?；赑LC的礦井主排水泵變頻調速系統(tǒng)保證順利開采煤炭資源中已經(jīng)發(fā)揮非常重要作用。