肖大軍，楊 波

（陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司，陜西 黃陵 727300）

黃陵二礦經(jīng)過(guò)數(shù)字化礦山一期工程的建設(shè)，在2011年底已實(shí)現(xiàn)調(diào)度指揮、井下各生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化控制，數(shù)字化礦山已初具規(guī)模。

數(shù)字化礦山一期工程主要完成了以下七大部分的建設(shè)：①工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)；②一體化監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)；③自動(dòng)化監(jiān)測(cè)控制各子系統(tǒng)改造和接入的建設(shè)；④視頻監(jiān)控及大屏幕顯示系統(tǒng)的建設(shè)；⑤調(diào)度通信系統(tǒng)改造的建設(shè)；⑥應(yīng)急廣播通信系統(tǒng)的建設(shè)；⑦調(diào)度中心機(jī)房的建設(shè)。

1 工程概況

1.1 工程背景

黃陵二礦一期工程已建成并正常使用兩年多，隨著礦井的延伸、北一二盤區(qū)的建設(shè)，一些新建的子系統(tǒng)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化集控，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控其生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)和各種監(jiān)控信息，無(wú)法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)與監(jiān)控。同時(shí)，運(yùn)行三年多的數(shù)字化礦山一體化監(jiān)控平臺(tái)軟件也需要進(jìn)行升級(jí)完善。

1.2 泵房操作現(xiàn)狀

啟動(dòng)水泵：現(xiàn)場(chǎng)人員打開總射流閥、分射流閥，開始抽真空；憑經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為具備開泵的條件后，到配電柜合閘，給電機(jī)上電，啟動(dòng)電機(jī)、水泵；當(dāng)水泵運(yùn)行一段時(shí)間后，達(dá)到排水壓力后，手動(dòng)打開閘閥，選擇排水管路，進(jìn)行排水。

停止水泵：停泵前，手動(dòng)關(guān)掉排水閥，關(guān)掉電機(jī)，停止水泵排水。

總之，現(xiàn)三個(gè)水泵房沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化集控，操作過(guò)程繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大，給水泵房系統(tǒng)的集中管理調(diào)度帶來(lái)困難。

而三個(gè)水泵房遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)改造后，可以完全實(shí)現(xiàn)礦井排水自動(dòng)化控制和地面遠(yuǎn)程集控。能夠有效的提高水泵有效利用率，減少看護(hù)人員、延長(zhǎng)水泵電機(jī)使用壽命，減少事故停機(jī)時(shí)間，提高排水能力。從而大大提高井下作業(yè)的安全生產(chǎn)系數(shù)、降低生產(chǎn)成本。實(shí)現(xiàn)減員增效，基本達(dá)到無(wú)人值守的效果，實(shí)現(xiàn)在調(diào)度中心的遠(yuǎn)程集控功能。

1.3 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)采用以AB公司AB-5000系列PLC-CPU：1756-L61為核心的礦用隔爆兼本安型PLC礦井井底泵房重要控制中心為控制箱，利用高精度傳感器、電動(dòng)執(zhí)行設(shè)備、系統(tǒng)保護(hù)裝置等監(jiān)控礦井井下的不同設(shè)備的運(yùn)行情況，同時(shí)礦井井下的排水系統(tǒng)得到智能化控制，基于PLC控制的礦井井下水泵排水系統(tǒng)的多種功能充分發(fā)揮出來(lái)，為礦山生產(chǎn)節(jié)約了成本支出，同時(shí)到達(dá)了安全高效生產(chǎn)目標(biāo)。

（1）系統(tǒng)運(yùn)行的控制方法可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行挑選，控制方法可分為就地檢修、遠(yuǎn)程控制、就地自動(dòng)控制、無(wú)人監(jiān)管等。

（2）礦井井下的各運(yùn)行水泵使用檢修、運(yùn)行、備用等方式，有效地提升礦井井下水泵泵房的運(yùn)行效率。

（3）礦井井下水泵房供排水系統(tǒng)檢測(cè)測(cè)試較為全面，對(duì)井下出水壓力、水泵軸溫度、水倉(cāng)水位、真空度、閘閥運(yùn)行情況、電機(jī)軸承溫度、進(jìn)水出水流量等都可進(jìn)行檢測(cè)。

圖1 二號(hào)風(fēng)井井底水泵房供排水系統(tǒng)圖

（4）系統(tǒng)中設(shè)置了多重保護(hù)功能，若礦井井下水泵發(fā)生開關(guān)故障、泵體壓力不足、泵體溫度持續(xù)升高、供排水的流量不達(dá)標(biāo)等狀況時(shí)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)判斷后會(huì)自動(dòng)終止設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。

（5）具有歷史數(shù)據(jù)、歷史曲線查詢、顯示功能。

（6）接口類型豐富，配置有以太網(wǎng)及RS485通訊接口，易與電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、全礦井自動(dòng)化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。要求高壓開關(guān)柜提供RS485通訊接口及標(biāo)準(zhǔn)的MODBUSRTU協(xié)議。

表1 絕緣電阻及工頻耐壓

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 總體概述

（1）先進(jìn)性：系統(tǒng)為當(dāng)今工業(yè)控制系統(tǒng)的領(lǐng)先產(chǎn)品，控制分站是目前我國(guó)現(xiàn)存較為先進(jìn)的隔爆兼本安型控制裝置。井底水泵房供水全過(guò)程監(jiān)控可通過(guò)控制系統(tǒng)達(dá)到要求，對(duì)運(yùn)行設(shè)備工作信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)，同時(shí)能夠?qū)λ占臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行篩選并傳輸至綜合控制系統(tǒng)中。

（2）可靠性：控制設(shè)備具有設(shè)備發(fā)生故障自動(dòng)排查，單套泵組有專用控制，單套控制設(shè)備故障自動(dòng)屏蔽，不影響其他泵組的正常工作。

系統(tǒng)軟件接口使用通用的接口，傳輸較為穩(wěn)定。

（3）系統(tǒng)內(nèi)的軟件和硬件有足夠的可擴(kuò)展量，可為系統(tǒng)的升級(jí)優(yōu)化提供保障。

2.2 管網(wǎng)射流系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

射流系統(tǒng)改造：抽真空系統(tǒng)是水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將直接影響水泵是否能夠正常開啟，射流泵抽真空吸上引水方式只要控制射流泵注水或注氣管道閥門及真空管道閥門即可實(shí)現(xiàn)抽真空過(guò)程的自動(dòng)控制。

2.3 控制系統(tǒng)配置及組成

水泵集控系統(tǒng)包括：防爆PLC箱、液晶顯示屏、本安操作臺(tái)、接線盒、球閥和傳感器等。

在水泵房配置1臺(tái)本安操作臺(tái)，內(nèi)置一臺(tái)液晶顯示屏完成對(duì)整個(gè)水泵系統(tǒng)的集中控制和開關(guān)、模擬量參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。水泵就近位置配置2臺(tái)防爆PLC控制箱，以控制電動(dòng)球閥、臺(tái)泵電動(dòng)閘閥及水泵的運(yùn)行電機(jī)，基于PLC的防爆控制箱設(shè)有輸入和輸出位置，也增設(shè)了模擬量、數(shù)字量模塊的輸入輸出位置，更加利于水泵集控系統(tǒng)的容量擴(kuò)充。同時(shí)，防爆PLC還可對(duì)各泵的設(shè)備進(jìn)行就地自動(dòng)控制。

每臺(tái)泵配置1臺(tái)負(fù)壓傳感器監(jiān)測(cè)真空度、1臺(tái)正壓傳感器監(jiān)測(cè)出水壓力、2臺(tái)外殼溫度傳感器檢測(cè)水泵軸承兩端溫度。2個(gè)水倉(cāng)各配置1臺(tái)水位傳感器。

2.3.1 防爆PLC箱

運(yùn)行控制系統(tǒng)的重要組成部分，控制核心編碼為1756-L61，可以有效監(jiān)測(cè)水泵閥門的狀態(tài)。中間繼電器、電路、可編程控制器等部件共同構(gòu)成了防爆PLC箱，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)運(yùn)算，篩選通過(guò)系統(tǒng)發(fā)出的多個(gè)控制信號(hào)，以達(dá)到監(jiān)測(cè)水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，達(dá)到無(wú)人值守的目標(biāo)。

在以太網(wǎng)模塊的協(xié)助下防爆PLC箱的功能得到充分發(fā)揮，礦井井下水泵監(jiān)控系統(tǒng)中的相關(guān)信息實(shí)現(xiàn)了內(nèi)網(wǎng)信息共享，能夠接收到遠(yuǎn)程控制信號(hào)。

2.3.2 本安操作臺(tái)

本安操作臺(tái)是人進(jìn)行操作的工作臺(tái)面，包括水泵、閘閥、球閥的狀態(tài)顯示，人工操作的按鈕等相關(guān)控制設(shè)備。

2.3.3 液晶顯示屏

液晶顯示屏可為用戶提供方便、完美的人機(jī)交互界面，并以動(dòng)態(tài)方式實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的各種參數(shù)及狀態(tài)信息。

2.3.4 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及傳感器部分

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及傳感器包括按鈕盒、接線盒、傳感器、閘閥、球閥等組成。

閥門就地控制箱安裝于現(xiàn)場(chǎng)每臺(tái)水泵旁，用于閥門的就地操作控制。

接線盒用于將現(xiàn)場(chǎng)的溫度、壓力、流量等信號(hào)匯總到箱內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)接到PLC柜。

傳感器包括水位計(jì)、壓力傳感器、負(fù)壓傳感器、電機(jī)溫度、流量計(jì)等，所檢測(cè)的參數(shù)主要有：水倉(cāng)水位、水泵進(jìn)水管真空度、水泵出水口壓力及排水的瞬時(shí)流量等。

表2 四盤區(qū)水泵房設(shè)備清單

2.4 控制系統(tǒng)功能

本文研究的控制系統(tǒng)適用于礦井井下水泵房的控制作業(yè)，增設(shè)礦井井下水泵泵房控制模塊，以方便收集水泵運(yùn)行全過(guò)程信號(hào)，依據(jù)控制系統(tǒng)的工作流程，嚴(yán)格管控球閥和閘閥的運(yùn)行情況，隨時(shí)監(jiān)測(cè)水泵房的工作狀況。

充分發(fā)揮出集中控制器的作用，監(jiān)測(cè)礦井井下的水泵主要運(yùn)行設(shè)備的啟停工況。所用的監(jiān)控方式主要有三種，即自動(dòng)檢修、自動(dòng)控制、手動(dòng)控制等方式。

自動(dòng)控制：水泵設(shè)備在自動(dòng)控制的模式下，觸摸屏內(nèi)的各功能鍵可以對(duì)全部設(shè)備進(jìn)行控制，同時(shí)可以清晰的顯示出閘閥、球閥的工作狀況或處于故障狀態(tài)。通過(guò)PLC控制設(shè)備運(yùn)行的數(shù)據(jù)信號(hào)得到有效采集。而集中控制根據(jù)設(shè)備運(yùn)行流程及閉鎖控制礦井井下水泵的開關(guān)。水泵水倉(cāng)的所處水位的檢測(cè)可以通過(guò)傳感器獲取到相關(guān)數(shù)據(jù)，找出影響水倉(cāng)水位的相關(guān)因素，科學(xué)調(diào)節(jié)水泵的開關(guān)閥門，當(dāng)水倉(cāng)水位正處于規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，多臺(tái)水泵可以進(jìn)行輪換作業(yè)，涌水量超過(guò)規(guī)定范圍時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，備用水泵接替主水泵進(jìn)行工作。

手動(dòng)控制方式：作業(yè)人員依據(jù)水倉(cāng)水位的具體水位值，人工開啟、關(guān)閉水泵，同時(shí)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況確定需要開啟水泵臺(tái)數(shù)，通過(guò)PLC控制水泵電機(jī)閥門的開啟和關(guān)停。

水泵設(shè)備的檢修：能夠隨時(shí)控制任意一臺(tái)水泵電機(jī)，開啟或關(guān)閉閘閥，實(shí)踐過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)對(duì)設(shè)備檢修出現(xiàn)閉鎖情況。

真空壓力、泵軸溫度、水倉(cāng)水位、電機(jī)電源、排水管路流量、電機(jī)軸承溫度、水泵壓力共同構(gòu)成了水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的各功能。

此次研究的系統(tǒng)主要應(yīng)用在礦井井下水泵泵房控制作業(yè)中，通過(guò)PLC控制水泵泵房，將其在運(yùn)行過(guò)程中的相關(guān)信息收集起來(lái)，根據(jù)生產(chǎn)工藝流程集中分布管控水泵球閥、閘閥的運(yùn)行，通過(guò)控制系統(tǒng)可以全面了解礦井井下水泵房?jī)?nèi)各種設(shè)備運(yùn)行情況。水泵房集中控制系統(tǒng)組成部分分為就地控制、運(yùn)行設(shè)備、調(diào)度中心遠(yuǎn)程控制。

圖2 四盤區(qū)變電所泵房連線控制圖

礦井井下設(shè)備工作情況在線監(jiān)控需要通過(guò)控制器得以實(shí)現(xiàn)，控制方式有兩種即手動(dòng)控制和自動(dòng)控制閘閥的開啟、關(guān)閉。

自動(dòng)：系統(tǒng)自動(dòng)控制的情況下，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控器內(nèi)均有顯示，若某一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障無(wú)法正常工作，可在監(jiān)控器上查找到具體信息內(nèi)容，自動(dòng)控制程序開啟，將對(duì)水泵的閘閥開啟、關(guān)閉進(jìn)行控制。傳感器測(cè)出水倉(cāng)水位，依據(jù)礦井井下水泵測(cè)得水位及影響因素，科學(xué)調(diào)節(jié)水泵閥門，當(dāng)井下水位處于合理數(shù)值時(shí)，水泵自動(dòng)調(diào)節(jié)功能開啟，當(dāng)突水量增大時(shí)，增加一定數(shù)量的水泵，依據(jù)實(shí)際運(yùn)行水泵數(shù)量推測(cè)涌水量。

手動(dòng)：操作工人根據(jù)水倉(cāng)顯示水位，人工手動(dòng)開停水泵及確定開泵臺(tái)數(shù)，電機(jī)及其閥門的開、停由PLC自動(dòng)執(zhí)行，即PLC完成單臺(tái)水泵抽真空、啟泵、開閘閥等自動(dòng)控制，并完成運(yùn)行停止。

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

水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的檢測(cè)與保護(hù)信號(hào)：水倉(cāng)水位、排水管路流量、真空壓力、水泵壓力、電機(jī)電流、泵軸溫度、電機(jī)軸承溫度等。

2.5 系統(tǒng)工作原理

水泵控制系統(tǒng)控制過(guò)程可概括為以下六個(gè)環(huán)節(jié)：自動(dòng)注水環(huán)節(jié)、閘閥操作環(huán)節(jié)、水位自動(dòng)監(jiān)控環(huán)節(jié)、參數(shù)傳示環(huán)節(jié)、故障保護(hù)環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)控制環(huán)節(jié)。

2.5.1 自動(dòng)注水環(huán)節(jié)

當(dāng)葉輪完全放置于水中時(shí)，水泵泵體也可正常進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，所以，礦井井下水泵設(shè)備運(yùn)行重要一項(xiàng)是注水。使用噴射泵可完成排水泵的引水，自動(dòng)注水所產(chǎn)生的能量，同時(shí)利用壓力水產(chǎn)生的能源為備用能源，水泵內(nèi)的真空度可應(yīng)用真空表進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.5.2 閘閥操作環(huán)節(jié)

閘閥均可采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式控制，在自動(dòng)狀態(tài)下，通過(guò)PLC對(duì)閥門進(jìn)行集中控制和監(jiān)視來(lái)控制閘閥的開、關(guān)及開度；在手動(dòng)控制方式下，可在閥體上對(duì)各閥門進(jìn)行操作。

2.5.3 水位自動(dòng)監(jiān)控環(huán)節(jié)

水位自動(dòng)監(jiān)控環(huán)節(jié)的任務(wù)是根據(jù)水位的高低自動(dòng)準(zhǔn)確發(fā)出開、停水泵命令。

2.5.4 參數(shù)傳示環(huán)節(jié)

在液晶屏上可模擬顯示水倉(cāng)水位、水泵壓力及電動(dòng)機(jī)、球閥和閘閥的各種工作狀態(tài)。

2.5.5 水泵設(shè)備出現(xiàn)故障后的自動(dòng)保護(hù)功能

電動(dòng)機(jī)故障：由高壓開關(guān)柜實(shí)現(xiàn)。

閘閥故障：由各閘閥廠家提供故障型號(hào)并參與控制。

2.5.6 電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制方式

此步驟是礦井井下水泵設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制的重要步驟。接觸器、PLC、中間繼電器共同構(gòu)成了電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，上述各個(gè)步驟均要與電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制步驟進(jìn)行合作，以控制水泵的開啟與關(guān)閉。

3 控制系統(tǒng)對(duì)節(jié)能增效的影響

現(xiàn)有的控制系統(tǒng)對(duì)水泵系統(tǒng)的節(jié)能主要通過(guò)“避峰填谷”的方式實(shí)現(xiàn)的，主要的手段是在用電“尖、峰”時(shí)段盡量不開泵或者少開泵，在用電“平、谷”時(shí)段開泵或者多開泵。系統(tǒng)中將用電的“尖、峰、平、谷”時(shí)間設(shè)定好，并設(shè)定好在這四個(gè)時(shí)段中起泵的數(shù)量；同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水倉(cāng)水位變化，給水位設(shè)定多個(gè)門限“低水位、正常水位、高水位、危險(xiǎn)水位”，在不同的水位值動(dòng)作時(shí)觸發(fā)不同的對(duì)應(yīng)機(jī)制；以達(dá)到科學(xué)合理的安排水泵的起停，從而達(dá)到節(jié)能增效的目的。