江國(guó)俊

(山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)保安煤業(yè)有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

1 引言

井下排水系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)中四大系統(tǒng)之一，擔(dān)負(fù)著井下積水排除的重要任務(wù)。尤其是一些繼電器控制線路、集成電路板等控制方式，存在著電氣設(shè)備陳舊、線路老化、自動(dòng)化集成水平低、維修困難等問(wèn)題，在很大的程度上制約著煤礦的安全、企業(yè)自動(dòng)化地實(shí)現(xiàn)。而且在生產(chǎn)過(guò)程中存在著極大的安全隱患等。針對(duì)這些現(xiàn)狀，必須進(jìn)行全面的、合理的、規(guī)范的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，以徹底消除設(shè)備的安全隱患。網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、信息化已經(jīng)成為大中型煤礦建設(shè)的重要內(nèi)容，隨著可編程控制器(PLC)在工業(yè)中應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，基于PLC的集中控制系統(tǒng)已經(jīng)成為企業(yè)的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中建設(shè)的亮點(diǎn)。

2 技術(shù)方案

2.1 現(xiàn)場(chǎng)情況

保安礦副井井底車(chē)場(chǎng)內(nèi)設(shè)中央水泵房，有內(nèi)、外水倉(cāng)各一條，水倉(cāng)實(shí)際有效容量為1626m3，水倉(cāng)配有3臺(tái)MD280-65×10型水泵，2趟排水管路DN200，三臺(tái)泵罐水管道分別引自主排水管路，罐水管道DN40，閥門(mén)、閘門(mén)均為手動(dòng)閥。水泵電機(jī)功率：630KW，6000V；水泵無(wú)底閥，采用手動(dòng)射流泵和潛水泵形式注水，管道及表計(jì)均無(wú)預(yù)埋探頭。

2.2 系統(tǒng)概述

根據(jù)排水控制方式，在泵房變電所內(nèi)設(shè)置一套排水自動(dòng)化系統(tǒng)，通過(guò)一套礦用隔爆PLC控制箱對(duì)各水泵、閘閥、射流泵、球閥等進(jìn)行集中控制，并實(shí)時(shí)監(jiān)控各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、排水壓力、流量、水位、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、泵體溫度、閘閥開(kāi)度、閥門(mén)開(kāi)關(guān)到位狀態(tài)等參數(shù)，并通過(guò)井下礦井自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控。

在地面監(jiān)控調(diào)度中心設(shè)井下泵房遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)上位機(jī)1臺(tái)，具有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、遠(yuǎn)程操作等功能。監(jiān)控主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)，與水泵房的自動(dòng)化系統(tǒng)PLC主機(jī)進(jìn)行通訊聯(lián)絡(luò)，采集泵房?jī)?nèi)各臺(tái)排水泵的運(yùn)行狀態(tài)、排水系統(tǒng)傳感器信息及相關(guān)的電量信息，泵房設(shè)置彩色低照度高清網(wǎng)絡(luò)攝像儀4臺(tái)，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)上傳至地面調(diào)度中心的硬盤(pán)錄像機(jī)，硬盤(pán)錄像機(jī)對(duì)各個(gè)泵房監(jiān)控到的畫(huà)面進(jìn)行存儲(chǔ)和畫(huà)面控制，硬盤(pán)錄像機(jī)連接液晶顯示器，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)的設(shè)計(jì)

3.1.1 顯示功能

⑴工況圖：動(dòng)態(tài)顯示井下泵房所有設(shè)備的運(yùn)行工況，以及水流量的大小和涌水量的大小。

⑵故障及保護(hù)顯示：實(shí)時(shí)顯示各水泵中傳感器采集的數(shù)據(jù)，對(duì)真空度、流量、軸承溫度、水位等故障類(lèi)型進(jìn)行診斷分析顯示。圖1為上位機(jī)監(jiān)控主界面。

⑶可實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)回顯、歷史趨勢(shì)分析，利用直方圖等圖形對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。

3.1.2 控制功能：

根據(jù)水倉(cāng)水位和礦井整體涌水量及避峰填谷要求，自動(dòng)控制水泵的開(kāi)停，效率高的泵為主運(yùn)行泵，效率低的泵的輪換運(yùn)行，保持完好即可。

3.1.3 報(bào)表功能：

把需要的工況數(shù)據(jù)如電流，溫度等做成報(bào)表的格式，供操作人員查詢參考。圖2監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)界面。

圖1 上位機(jī)監(jiān)控主界面

圖2 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)界面

3.2 下位機(jī)的設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中選用的是西門(mén)子公司S7-300系列PLC，水泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)層(遠(yuǎn)程IO)，控制層(PLC)和管理層(工控機(jī))組成的三級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動(dòng)控制。礦用工控機(jī)利用友好人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，PLC作為控制器完成邏輯處理和控制任務(wù)，遠(yuǎn)程IO實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和上傳。

排水泵房自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

系統(tǒng)為模塊化結(jié)構(gòu)：完成控制和參數(shù)采集等功能。所有模塊均為固態(tài)電路，具備標(biāo)準(zhǔn)化和熱插拔式結(jié)構(gòu)。具有相應(yīng)的聯(lián)鎖和保護(hù)功能，以免造成損壞或引起故障。

數(shù)字量輸入/輸出模塊：輸入信號(hào)類(lèi)型為DC24V。輸出增加繼電器隔離，繼電器選用魏德米勒的中間繼電器，具有指觸防護(hù)功能，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。

輸入模塊(AI)：標(biāo)準(zhǔn)4-20mADC，各通道間隔離，模擬量在進(jìn)入模塊之前應(yīng)先經(jīng)過(guò)隔離器。

I/O模塊具有容錯(cuò)功能，模塊可集中或分散布置，I/O模塊均配置預(yù)接線端子，便于維護(hù)和接線。通過(guò)編程軟件可以很方便地找出硬件錯(cuò)誤。

3.3 傳感器的設(shè)計(jì)

3.3.1 水位檢測(cè)傳感器

在內(nèi)、外水倉(cāng)內(nèi)各設(shè)置物位儀傳感器，浮球液位開(kāi)關(guān)，用來(lái)監(jiān)測(cè)水倉(cāng)水位的變化，當(dāng)傳感器出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警。

3.3.2 流量監(jiān)測(cè)傳感器

在每臺(tái)水泵的出水管路設(shè)置超聲波流量傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)管路流量的變化；出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3.3.3 壓力傳感器

每臺(tái)水泵出水口處設(shè)置壓力變送器(測(cè)量正壓)，在每臺(tái)水泵的抽氣出口處一個(gè)壓力變送器(測(cè)量負(fù)壓)。

3.3.4 溫度傳感器

系統(tǒng)具有電機(jī)繞組溫度和軸承溫度監(jiān)測(cè)的功能，在每臺(tái)電機(jī)軸承各設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)的傳感器一個(gè)，用來(lái)監(jiān)測(cè)電機(jī)溫度并發(fā)出超限報(bào)警。

4 系統(tǒng)功能

4.1 系統(tǒng)工作流程：水泵房自動(dòng)化監(jiān)控可按以下5個(gè)環(huán)節(jié)順序進(jìn)行操作：

4.1.1 水位實(shí)時(shí)檢測(cè)

水位信號(hào)是水泵自動(dòng)化系統(tǒng)中非常重要參數(shù)，水位實(shí)時(shí)檢測(cè)是根據(jù)水位高低的變化自動(dòng)發(fā)出“開(kāi)/?！彼玫拿睿粋鞲衅鞯目煽啃院蜏?zhǔn)確性將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。為此設(shè)置了液位傳感器，將水位變化的準(zhǔn)確值傳入PLC，在系統(tǒng)程序中將兩套水位信號(hào)加以比較，并實(shí)時(shí)顯示。如果液位傳感器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將信號(hào)屏蔽并及時(shí)報(bào)警。程序中將水位控制分為4個(gè)檔，分別為H1、H2、H3、H4。1檔最低，4檔最高。當(dāng)水位升到水位2時(shí)，若處于用電低谷低計(jì)費(fèi)階段，可以立即啟動(dòng)；若處于用電高峰高計(jì)費(fèi)階段，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)如何，必須啟動(dòng)水泵。若水位繼續(xù)上升至水位4時(shí)，則表明一臺(tái)水泵的排水量已不足以排出礦井的出水，另外一臺(tái)泵應(yīng)立即投入運(yùn)行，同時(shí)系統(tǒng)聲光報(bào)警。無(wú)論在那種電價(jià)階段運(yùn)行，水位都必須在下降到水位1以下時(shí)，方可停泵。按水倉(cāng)6M計(jì)算，危險(xiǎn)水位：5.5M，高水位：4.5，經(jīng)濟(jì)水位：3.5m，低水位：1.0M正壓、負(fù)壓：根據(jù)水倉(cāng)水位和揚(yáng)程的高低判斷。(圖3水位實(shí)時(shí)檢測(cè))

圖3 水位實(shí)時(shí)檢測(cè)

4.1.2 抽真空、自動(dòng)注水

在水泵腔內(nèi)無(wú)水情況下起動(dòng)，由于空氣密度比水小得多，即使水泵滿轉(zhuǎn)速運(yùn)行，也不可能把水吸入到泵腔內(nèi)；而且在無(wú)水情況下，由于“填函”中的密封填料與泵軸的干摩擦，會(huì)造成定子與轉(zhuǎn)子之間的熱咬合，因此水泵起動(dòng)前必須首先進(jìn)行抽真空或自動(dòng)注水。

4.1.3 電機(jī)起動(dòng)與閘閥操縱

水泵電機(jī)容量大，耗電量高，屬一級(jí)負(fù)荷，對(duì)控制系統(tǒng)的安全性、可靠性要求較高。若因水泵長(zhǎng)期不用，電機(jī)受潮或有其它故障而未被發(fā)現(xiàn)，在緊急情況下，需要投入?yún)s不能投入時(shí)，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的安全。故水泵房的電機(jī)按照“輪換工作制”的方式進(jìn)行工作，使故障早發(fā)現(xiàn)、早處理，確保礦井的安全。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某臺(tái)電機(jī)及其所屬閘閥故障時(shí)，該泵組自動(dòng)退出循環(huán)。電機(jī)起動(dòng)時(shí)，因?yàn)殡x心式水泵軸功率特性曲線，在零流量時(shí)具有最小起動(dòng)電流，為了降低起動(dòng)電流，水泵操作規(guī)定：離心式水泵一定要關(guān)閉出水閘閥進(jìn)行起動(dòng)；當(dāng)水泵停機(jī)時(shí)，為防逆止閥突然關(guān)閉，水流速度劇烈變化，造成水擊事故，必須先關(guān)閉出閥，緩慢減小水流流速，最后停機(jī)。

4.1.4 參數(shù)通信與屏幕顯示

在檢測(cè)水位的同時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流，電動(dòng)閘閥和電磁閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、排水流量、水倉(cāng)水位、水泵壓力、真空度、電量等參數(shù)都送到PLC，在安操作臺(tái)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)參數(shù)并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到地面上的礦井自動(dòng)化系統(tǒng)，使用戶直觀的了解泵房的運(yùn)行情況并方便地查詢和資源使用。

4.1.5 故障預(yù)防檢測(cè)

水泵正常排水后，對(duì)電動(dòng)機(jī)電流、電壓，電動(dòng)閘閥和電動(dòng)球閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、排水流量、水倉(cāng)水位、水泵壓力、真空度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及它們之間固有的約束關(guān)系，形成一個(gè)完善的故障預(yù)測(cè)閉鎖環(huán)。