張東永

金川集團(tuán)股份有限公司二礦區(qū) 甘肅金昌 737100

排 水系統(tǒng)作為井下礦山“八大”系統(tǒng)之一，在礦井安全生產(chǎn)中有著舉足輕重的作用，排水系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行是礦山正常生產(chǎn)和防止“淹井”的先決條件。因此，《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》將排水系統(tǒng)負(fù)荷列為井下礦山一級(jí)負(fù)荷，并對(duì)水泵房水泵配置提出了同一水泵房必須配置 3 臺(tái)同型號(hào)水泵，以滿足“一用、一備、一檢修”的要求。水泵控制系統(tǒng)作為排水系統(tǒng)的控制核心，其先進(jìn)性、可靠性和穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)排水系統(tǒng)的正常運(yùn)行有至關(guān)重要的作用。目前大多數(shù)國(guó)內(nèi)礦山井下排水系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的繼電器手動(dòng)控制，泵站的啟停和調(diào)度完全依賴于工人的經(jīng)驗(yàn)和手工操作，自動(dòng)化程度較低，可靠性差。筆者借助某礦井下泵站升級(jí)改造，通過(guò)采用 PLC、計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套礦山井下泵站無(wú)人值守的排水控制系統(tǒng)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明系統(tǒng)的自動(dòng)化、信息化水平有了顯著提升。

1 礦山排水控制系統(tǒng)

1.1 礦山排水系統(tǒng)

金屬非金屬地下礦山常見(jiàn)的排水方式主要有自流式和揚(yáng)升式。自流式排水一般僅用于平硐開(kāi)拓的礦山；揚(yáng)升式排水需要借助水泵將礦井涌水揚(yáng)送至地面或坑外，適用于豎井或斜井開(kāi)拓的礦山。揚(yáng)升式排水系統(tǒng)分為集中排水系統(tǒng)和分段排水系統(tǒng)。集中排水系統(tǒng)是指礦井上部涌水通過(guò)自流至井底主排水泵房的水倉(cāng)中，然后由主排水設(shè)備集中排至地面；分段排水系統(tǒng)是指深井開(kāi)采時(shí)，若水泵的揚(yáng)程不足以把水直接排至地面，可在礦井中部設(shè)置泵房和水倉(cāng)，把水先排至中部水倉(cāng)，再排至地面。

地下礦山排水系統(tǒng)主要包括水泵房、排水設(shè)備、管線及水倉(cāng)等。水泵常采用吸入式吸水，即水泵位于水倉(cāng)上方，靠水泵產(chǎn)生的負(fù)壓引水。海拔較高的區(qū)域常采用安裝在排水泵吸水管路上的喂水泵喂水。離心式排水系統(tǒng)如圖 1 所示。排水設(shè)備主要由水泵 (一般為離心式水泵)、電動(dòng)機(jī)、喂水泵、檢測(cè)器件、驅(qū)動(dòng)及控制單元、管路及管路附件等組成。

圖1 離心式排水系統(tǒng)Fig.1 Centrifugal drainage system

1.2 離心式水泵自動(dòng)排水工藝

離心式水泵自動(dòng)排水工藝如圖 2 所示。喂水倉(cāng)液位計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水倉(cāng)水位信息，當(dāng)水位達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的水位值時(shí)，PLC 打開(kāi)喂水管調(diào)節(jié)閘閥、溢流水管放氣閥，啟動(dòng)喂水泵對(duì)主排水泵注水、排氣；離心泵泵腔注滿水后，水通過(guò)溢流閥外側(cè)的流量開(kāi)關(guān)流出，待泵腔中充滿水且無(wú)氣泡時(shí)，關(guān)閉溢流水管路電動(dòng)閥，啟動(dòng)離心泵電動(dòng)機(jī)，喂水泵繼續(xù)為離心泵喂水，開(kāi)啟出水口處電動(dòng)閥，將水排至地表廢水池。當(dāng)喂水倉(cāng)水位下降到設(shè)定的停泵水位時(shí)，系統(tǒng)按照邏輯程序依次停止喂水泵和離心泵，關(guān)閉喂水和排水管路電動(dòng)閥，停止排水，并打開(kāi)泄水管路電動(dòng)閥，將排水管路內(nèi)存水排到井下中心水倉(cāng)，完成一次排水。逆止閥可依靠管路回流而自動(dòng)關(guān)閉閥瓣切斷水流，避免由于“水錘”現(xiàn)象造成閘閥和離心泵因受到排水管中的水力沖擊而損壞。

圖2 離心式水泵自動(dòng)排水工藝Fig.2 Automatic drainage process of centrifugal pump

2 系統(tǒng)功能需求

礦山排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)本著“技術(shù)先進(jìn)、可靠”和“自動(dòng)化減人”的設(shè)計(jì)原則，具有以下功能[1-5]。

(1) 具有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)、現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)、遠(yuǎn)程手動(dòng)和遠(yuǎn)程自動(dòng) 4 種控制方式，以滿足系統(tǒng)維護(hù)檢修、應(yīng)急啟停和無(wú)人值守的要求。

(2) 具有完善的狀態(tài)檢測(cè)和系統(tǒng)保護(hù)及報(bào)警，對(duì)各水泵電動(dòng)機(jī)電流、電動(dòng)機(jī)溫度、軸承溫度、水泵振動(dòng)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度、排水流量、壓力、水倉(cāng)水位等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并依據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的過(guò)流、速斷、超溫保護(hù)和故障停車。

(3) 具有 6 臺(tái)水泵“自動(dòng)輪換使用”管理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì) 6 臺(tái)水泵均衡、合理使用，防止某臺(tái)水泵過(guò)度使用，影響使用壽命。

(4) 上位機(jī)能以動(dòng)畫圖形動(dòng)態(tài)模擬水泵運(yùn)行情況和電動(dòng)閥門的開(kāi)閉情況?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的圖形、數(shù)字和文字顯示功能，同時(shí)具備顯示顏色與參數(shù)閾值動(dòng)態(tài)變化，突出預(yù)警的易見(jiàn)性。

(5) 能夠自動(dòng)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)電流、水位、流量、溫度等工藝參數(shù)和電氣參數(shù)自動(dòng)生成趨勢(shì)曲線并歸檔。

(6) 具有泵站運(yùn)行時(shí)刻及累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、故障數(shù)據(jù)的記錄和查詢功能，并可生成運(yùn)行報(bào)表，具備存儲(chǔ)和打印功能。

(7) 具有用戶權(quán)限管理功能，將用戶設(shè)置為工程師、操作員、普通用戶 3 級(jí)訪問(wèn)權(quán)限，根據(jù)不同權(quán)限分別授予程序修訂、系統(tǒng)操作、參數(shù)修改和監(jiān)視的權(quán)利。

3 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

礦山排水控制系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表、人機(jī)交互裝置、可編程控制器及其輸入輸出模塊、執(zhí)行設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)施和上位機(jī)及軟件組成[6-8]，其控制方案如圖 3 所示。

圖3 排水控制系統(tǒng)方案Fig.3 Scheme of drainage control system

礦山排水控制系統(tǒng)采用了傳感器＋PLC＋觸摸屏/上位機(jī)控制架構(gòu)[9]，分為 3 級(jí)?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)由閥門、泵和儀表構(gòu)成；控制級(jí)由 PLC、接觸器和中間繼電器等組成，完成信號(hào)的處理；監(jiān)控級(jí)由上位機(jī)、上位機(jī)組態(tài)軟件、柜裝觸摸屏和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成，可監(jiān)視系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并遠(yuǎn)程啟停設(shè)備。礦山排水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)、現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)、遠(yuǎn)程手動(dòng)和遠(yuǎn)程自動(dòng) 4 種控制功能。手動(dòng)時(shí)，各臺(tái)設(shè)備均可在現(xiàn)場(chǎng)操作箱、觸摸屏和集控室上位機(jī)單獨(dú)操作、啟停設(shè)備；自動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)水倉(cāng)液位檢測(cè)信號(hào)，并結(jié)合溫度、液位、壓力、流量等各種傳感器完成喂水泵自動(dòng)喂水、閘閥和排水泵的自動(dòng)啟停和系統(tǒng)保護(hù)及報(bào)警，同時(shí)，根據(jù)預(yù)定的“自動(dòng)輪換”原則實(shí)現(xiàn) 6 臺(tái)水泵的“自動(dòng)輪換”排水。

4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 控制單元硬件設(shè)計(jì)

控制單元核心采用 PLC 系統(tǒng)，考慮到泵站水泵較多，控制架構(gòu)采用主、子站形式，PLC 主站選用了西門子 S7-300，2 個(gè)子站選用 ET200。PLC硬件配置如圖 4 所示。系統(tǒng)硬件主要包括電源模塊 PS307、CPU 模板 315-2PN/DP、FEPROM952-1KL00-0AA0、機(jī)架 390-1AE80 和 195-1GG30、子站 IMF153、DI 模板 SM321、DO 模板 SM322、AI 模板 SM331、AO 模板 SM332、MOXAEDS-316 交換機(jī)、TP1500 Comfort 6AV2124 觸摸屏、DC24V/10A明緯電源、中間繼電器和 UPS 電源。CPU 自帶 2 個(gè)Profinet 和 Profibus-DP 通信口，分別作為編程和組網(wǎng)通信使用；MOXAEDS-316 交換機(jī)采用 Profinet 通信協(xié)議完成 PLC 主、子站之間的組網(wǎng)，并以以太網(wǎng)方式通過(guò)礦區(qū)環(huán)網(wǎng)將信息傳送至地面集控室?，F(xiàn)場(chǎng)柜裝觸摸屏 TP1500 Comfort 6AV2124 通過(guò) MOXAEDS-316 交換機(jī)與 PLC 通信；負(fù)載 DO 通道增設(shè)了中間繼電器來(lái)滿足負(fù)載對(duì)高帶載能力的要求。

圖4 PLC 系統(tǒng)硬件配置Fig.4 Hardware configuration of PLC system

4.2 檢測(cè)單元

控制系統(tǒng)檢測(cè)單元主要包括靜壓式液位計(jì)、溢流水流量開(kāi)關(guān)、壓力變送器、電動(dòng)機(jī)及水泵軸承溫度傳感器、電動(dòng)機(jī)電樞熱敏電阻、水泵振動(dòng)傳感器和電磁流量計(jì)。

(1) 液位計(jì)用于水倉(cāng)高、低水位的檢測(cè)，為泵站排水系統(tǒng)的啟停提供控制信號(hào)。為了確保水位信息的絕對(duì)準(zhǔn)確、可靠，防止排水系統(tǒng)由于液位“失真”誤啟動(dòng)，采用冗余設(shè)計(jì)，每個(gè)水倉(cāng)布置了 2 臺(tái)液位計(jì)。

(2) 溢流水流量開(kāi)關(guān)用于離心泵腔體排氣及溢流管中水量的檢測(cè)。當(dāng)喂水泵啟動(dòng)、電動(dòng)閥打開(kāi)向離心泵腔體喂水時(shí)，控制系統(tǒng)同時(shí)會(huì)打開(kāi)離心泵腔體溢流管上的溢水閥 (兼做放氣閥)，泵體內(nèi)的空氣隨著腔體內(nèi)水量的增加逐步排出，泵腔注滿水排空了空氣后，水從溢流閥外側(cè)的流量開(kāi)關(guān)流出，通過(guò)檢測(cè)流量開(kāi)關(guān)檢測(cè)流量，就可判斷泵腔內(nèi)是否充滿水。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，流過(guò)流量開(kāi)關(guān)的水流量 ≥1.0 L/min 時(shí)，水流開(kāi)關(guān)輸出“通”信號(hào)，離心泵腔體內(nèi)注滿水，離心泵就可啟動(dòng)排水。

(3) 溫度傳感器安裝在水泵、電動(dòng)機(jī)軸承和電動(dòng)機(jī)電樞上，用于測(cè)量水泵、電動(dòng)機(jī)軸承和電動(dòng)機(jī)電樞溫度，實(shí)現(xiàn)溫度預(yù)警和保護(hù)。

(4) 壓力傳感器用于檢測(cè)水泵排水口壓力。

(5) 振動(dòng)傳感器安裝于水泵軸承兩側(cè)，用于檢測(cè)軸承振動(dòng)位移。

(6) 電磁流量計(jì)安裝在主排水管道上，用于測(cè)量流量瞬時(shí)值和累積值。

4.3 執(zhí)行單元

控制系統(tǒng)執(zhí)行單元主要包括各類電動(dòng)閥、潛水泵和離心泵。

(1) 電動(dòng)閥作為排水系統(tǒng)主要的被控對(duì)象和執(zhí)行器件，主要用于控制喂水管路、排水管路和溢流水管路的通斷。設(shè)計(jì)選用了自帶“開(kāi)到位”和“關(guān)到位”反饋信號(hào)的電動(dòng)閥。

(2) 潛水泵主要用于完成離心泵啟動(dòng)前的注水和排水過(guò)程中連續(xù)向離心泵喂水。

(3) 離心泵主要用于完成水倉(cāng)廢水的排出。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 PLC 控制

控制系統(tǒng)編程選用 SETP7 v5.6。

5.1.1 控制方式

根據(jù)排水系統(tǒng)維護(hù)和運(yùn)行需求，系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)、現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)、遠(yuǎn)程手動(dòng)和遠(yuǎn)程自動(dòng) 4 種控制方式，以滿足維護(hù)檢修、應(yīng)急啟停和無(wú)人值守的要求。

(1) 手動(dòng)控制 要求水泵操作人員結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)或上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)情況、儀表顯示數(shù)據(jù)、排水設(shè)備控制程序等要求啟停水泵。每臺(tái)設(shè)備均需操作人員在現(xiàn)場(chǎng)操作箱上或上位機(jī)上單獨(dú)操作。

(2) 自動(dòng)控制 通過(guò)喂水倉(cāng)液位計(jì)檢測(cè)到的水倉(cāng)液位情況，自動(dòng)啟停排水設(shè)備。喂水倉(cāng)液位按高度由高至低依次為 H (上限水位)、M (開(kāi)泵水位)、L (停泵水位) 3 擋水位。當(dāng)檢測(cè)水位達(dá)到 M (開(kāi)泵水位) 時(shí)，PLC 循環(huán)掃描各輸入點(diǎn)狀態(tài)和信息滿足下列條件時(shí)方可啟動(dòng)水泵。①電動(dòng)閘閥無(wú)故障；② 啟動(dòng)設(shè)備具備啟動(dòng)條件；③溫度無(wú)異常。具備以上條件后先打開(kāi)喂水管電動(dòng)閥，溢流水管電動(dòng)閥開(kāi)啟喂水倉(cāng)潛水泵，向離心泵腔體內(nèi)喂水，當(dāng)溢流管流量開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控壓力和流量判斷啟動(dòng)是否成功。當(dāng)水倉(cāng)液面達(dá)到 H 液位警戒值時(shí)，備用泵自動(dòng)開(kāi)啟 1 臺(tái)；當(dāng)水倉(cāng)水量減少，水倉(cāng)液位低于 L 液位時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)停止所有工作水泵，并使各閥門恢復(fù)到泵啟動(dòng)前原始狀態(tài)，排水結(jié)束。

5.1.2 安全聯(lián)鎖報(bào)警保護(hù)和故障處理

泵站除設(shè)置了啟動(dòng)方式 (就地遠(yuǎn)程) 閉鎖開(kāi)關(guān)外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了電流保護(hù)、溫度保護(hù)、水泵振動(dòng)保護(hù)、流量保護(hù)、壓力異常保護(hù)、電動(dòng)閥開(kāi)關(guān)到位保護(hù)、水位超限及水位傳感器故障報(bào)警保護(hù)、排水量異常報(bào)警保護(hù)等，并根據(jù)各類保護(hù)信息對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響程度，將異常信息劃分為提醒報(bào)警和故障停泵2 個(gè)級(jí)別。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，PLC 將實(shí)時(shí)采集的電流、溫度、壓力、振動(dòng)和喂水倉(cāng)液位等信息與 PLC 系統(tǒng)預(yù)設(shè)的保護(hù)值進(jìn)行比較，當(dāng)超過(guò)第1 設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)給出聲光報(bào)警，當(dāng)超過(guò)第2 設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)停泵并報(bào)警。立即停泵的故障主要有出水壓力達(dá)不到、出水閥開(kāi)超時(shí)、溢流管流量開(kāi)關(guān)故障、水泵前后軸溫度過(guò)高、水泵前后軸振動(dòng)過(guò)大、電動(dòng)機(jī)前后軸溫度過(guò)高、電動(dòng)機(jī)電樞溫度過(guò)高、喂水泵和排水泵電動(dòng)機(jī)電流過(guò)高等。例如：在 PLC 軟件中，電動(dòng)機(jī)電樞溫度保護(hù)設(shè)計(jì)為高溫報(bào)警和超高溫故障，電動(dòng)機(jī)電樞溫度大于85 ℃ 時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行高溫報(bào)警。當(dāng)電動(dòng)機(jī)溫度繼續(xù)升高達(dá)到 120 ℃ 時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)立即執(zhí)行停泵程序，并進(jìn)行超高溫報(bào)警。

5.1.3 按周自動(dòng)輪換調(diào)度

為了防止某臺(tái)水泵過(guò)度使用影響使用壽命，合理地利用 6 臺(tái)排水泵和 3 臺(tái)喂水泵，采用按周輪換調(diào)度。

以 3 周為一個(gè)輪換周期。第1 周將 1、4 號(hào) 排水泵和 1 號(hào)喂水泵作為首啟泵，2、3 號(hào)排水泵為 1 號(hào)排水泵備用，5、6 號(hào)排水泵為 4 號(hào)排水泵備用，2、3 號(hào)喂水泵為 1 號(hào)喂水泵備用；第2 周將 2、5 號(hào) 排水泵和 2 號(hào)喂水泵作為首啟泵，1、3 號(hào)排水泵為 2 號(hào)排水泵備用，4、6 號(hào)排水泵為 5 號(hào)排水泵備用，1、3號(hào)喂水泵為 2 號(hào)喂水泵備用；第3 周類似。

5.2 上位機(jī)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件選用 WinCC 7.0 中文版。WinCC 7.0 可通過(guò)系統(tǒng)的工控組態(tài)界面，在線實(shí)時(shí)監(jiān)控排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)[10]。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主畫面如圖 6 所示。監(jiān)控畫面[5]主要包括排水工藝、關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)控實(shí)時(shí)曲線、故障報(bào)警等。畫面主要顯示喂水泵、排水泵、電動(dòng)閥門等設(shè)備的工作狀態(tài)和運(yùn)行方式，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，以圖形、數(shù)字和文字的形式實(shí)時(shí)顯示水泵電動(dòng)機(jī)電壓、電流、溫度、水量、水位等主要參數(shù)，并提供語(yǔ)音報(bào)警等功能。同時(shí)具備顏色顯示與參數(shù)閾值動(dòng)態(tài)變化，而且通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理功能，實(shí)現(xiàn)了報(bào)警和故障信息、水泵開(kāi)停時(shí)刻、排水運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、水泵排水量、電動(dòng)機(jī)溫度、電流和水倉(cāng)液位等信息和數(shù)據(jù)的匯總和存檔，便于排水系統(tǒng)管理和故障追溯、分析處理。另外，通過(guò)系統(tǒng)基本設(shè)置、權(quán)限管理和用戶登錄，滿足不同用戶不同的操作權(quán)限和管理需求。

6 結(jié)語(yǔ)

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)主畫面Fig.5 Main interface of monitor and control system

礦山排水控制系統(tǒng)通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。水泵在自動(dòng)控制方式下，PLC 對(duì)檢測(cè)單元信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析和診斷，并根據(jù)邏輯控制程序?qū)λ?、電?dòng)執(zhí)行器進(jìn)行操作和保護(hù)，并自動(dòng)啟停設(shè)備和發(fā)送報(bào)警、故障信息，實(shí)現(xiàn)了井下排水泵站遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。該系統(tǒng)建成后取消了井下水泵房水泵操作人員，改善了工人勞動(dòng)環(huán)境，且能夠自動(dòng)按照輪回制度調(diào)度泵站，使 6 臺(tái)水泵均衡使用，達(dá)到了無(wú)人值守的目的，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，提高了設(shè)備使用效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本，符合目前礦山“四化”建設(shè)和“降本增效”的要求，達(dá)到了智能化采礦。