方勝海 王本治 張 浩 金春雷 陳昌明

（安徽馬鋼礦業(yè)資源集團南山礦業(yè)有限公司）

南山礦和尚橋選礦廠清環(huán)水泵房包括1 個清水池、1 個環(huán)水池和8 臺單極雙吸離心泵，其中環(huán)水泵5臺，驅(qū)動功率315 kW，清水泵3臺，驅(qū)動功率200 kW，均為6 kV 高壓三相異步電動機驅(qū)動。每臺泵將對應(yīng)泵池內(nèi)的水打入主廠房以供生產(chǎn)需要，啟動1臺環(huán)水泵需要依次啟動補水閥、排氣閥、風(fēng)機、主電機、出口閥一系列設(shè)備，泵啟動前必須進行抽真空作業(yè)，時間長、效率低下。每臺設(shè)備在現(xiàn)場有對應(yīng)的操作箱，一套操作流程下來，1 名崗位工人需跑5 處地點。為保證清水池液位的平衡需崗位工人頻繁調(diào)整清水補水閥，不僅操作過程復(fù)雜，勞動強度大，且容易發(fā)生操作失誤導(dǎo)致啟動故障。

S7-300PLC 系統(tǒng)根據(jù)邏輯關(guān)系編寫FC 塊，每臺設(shè)備只需反復(fù)調(diào)用編寫好的FC 塊，輸出模塊連接驅(qū)動各設(shè)備電機的繼電器，輸入模塊連接上位機操作畫面的按鈕變量，同時通過電機溫度接線盒、壓力計、流量計等設(shè)備，采集模擬量信號輸入至模擬量輸入模塊，即可在上位機畫面上實現(xiàn)遠程監(jiān)控與操作［1-2］。本項目通過S7-300PLC 系統(tǒng)和Wincc 上位機軟件，完成了遠程一鍵操作，實現(xiàn)了泵房無人值守［3-4］。

1 泵房無人值守系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 泵房設(shè)備及啟動流程

南山礦和尚橋選礦廠清環(huán)水泵房擔(dān)負著選廠磨選工序和尾礦濃縮工序的生產(chǎn)清環(huán)水的保障供給和整個水系統(tǒng)平衡的任務(wù)，是和尚橋選礦廠的重要工序之一。清環(huán)水泵房的水泵型號為350S-44 單極雙吸離心泵，均為6 kV 高壓三相異步電動機驅(qū)動，雙吸離心泵供輸送清水或其他液體，適用于工廠、礦山、城市給排水、電站、農(nóng)田排灌及各種水利工程。每當(dāng)水泵需要作業(yè)時，啟動前必須進行抽真空，打開抽真空用的補水泵閥門，抽真空完成后打開主電機冷卻風(fēng)機，打開進口閥、啟動泵，延時30 s左右再打開出口閥門，最后關(guān)閉抽真空用補水閥，觀察出口壓力、電機運行電流等參數(shù)，若一切正常則啟動完成。一臺泵的啟動流程見圖1。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用西門子S7-300 系列的CPU315-2PN/DP 為主，通過2 臺IM153-2 接口模塊以PROFIBUSDP 網(wǎng)絡(luò)擴展2 個300 機架，選取16 點數(shù)字量輸入模塊，32點數(shù)字量輸出模塊，4通道模擬量輸入模塊和4通道模擬量輸出量模塊，累計共21 塊。以上為PLC柜正面布置，為節(jié)省占地空間，設(shè)計了雙面PLC 柜，背面設(shè)計安裝4～20 mA信號隔離模塊、端子型繼電器以及輸入輸出端子，節(jié)省了空間，將所有元件都包含在1臺控制柜中。AI模塊負責(zé)采集電機溫度、電機電流、出口壓力、流量、泵池液位等模擬量信號。DI 模塊接收閥門開關(guān)到位信號和風(fēng)機、泵運行信號，DO模塊連接輸出繼電器，控制一系列設(shè)備的啟停。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在軟件設(shè)計上，由于現(xiàn)場8 臺設(shè)備幾乎相同，啟動與停止的操作基本一致，所以只需編寫1 個FC 程序塊，多次調(diào)用，每臺分配不同的地址，即可實現(xiàn)8臺設(shè)備的控制。用基本指令編寫梯形圖是最常規(guī)的設(shè)計方法，不必掌握過多的指令［5］。對清水池的液位調(diào)節(jié)需通過超聲波液位計采集清水池液位，以及用AO模塊輸出4～20 mA 信號來控制清水池補加水電動閥門的開度，通過程序計算，從而將液位穩(wěn)定在合理區(qū)間。輸入輸出點均留有20%余量，方便日后擴展。

上位機畫面使用西門子Wincc 畫面組態(tài)軟件對清環(huán)水泵房系統(tǒng)的控制工藝流程畫面、操作記錄、各設(shè)備運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，以及對關(guān)鍵參數(shù)等相關(guān)操作畫面進行組態(tài)。通過以太網(wǎng)與西門子S7-300系列的CPU315-2PN/DP 模塊進行通訊，將PLC 中的變量按要求關(guān)聯(lián)到Wincc 組態(tài)畫面中，若想操作某臺設(shè)備，只需點擊對應(yīng)設(shè)備，就會彈出該設(shè)備的操作畫面，按畫面按鈕進行操作即可。整個Wincc上位機畫面系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程單獨控制每臺水泵的主體電機及輔助設(shè)備，也可以實現(xiàn)自動一鍵啟停1個系列的所有設(shè)備；系統(tǒng)還可根據(jù)總管水流量及壓力等參數(shù)自動調(diào)節(jié)相關(guān)電動閥門，實現(xiàn)清環(huán)水泵的自動投切，保障清環(huán)水供給的平衡。

清水泵池深度為5 m，為防止液位過高跑溢流，或液位過低供水不足，原現(xiàn)場采用的調(diào)整方式為通過監(jiān)控攝像頭觀察液位情況，發(fā)現(xiàn)異常則人工前往現(xiàn)場手動調(diào)節(jié)水量，不僅操作頻繁，還經(jīng)常由于操作不及時對生產(chǎn)或者環(huán)境產(chǎn)生影響。現(xiàn)加裝的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過超聲波液位計采集液位，通過計算可令閥門開度在20%～30%調(diào)整，液位越高閥門的開度就越小，液位越低閥門的開度就越大，從而使清水泵池液位穩(wěn)定在4.5 m左右。

2 泵房無人值守系統(tǒng)技術(shù)方案

2.1 管道與閥門設(shè)計

在每臺環(huán)水泵連接環(huán)水泵池的進口原彎頭處安裝φ600 mm 的水上底閥，此閥門為單向閥門，啟動環(huán)水泵前利用水上底閥閥板的自重及反力彈簧的作用，將水上底閥關(guān)閉，保證注引水時水不能流入到泵池，水泵正常運行時水流將閥門自動完全打開，水泵停止后閥門自動關(guān)閉為下一次啟動做準備。

敷設(shè)安裝一路φ108 mm 清水總管道，從泵房總清水管道引入水源，分別引至5 臺環(huán)水泵的進口管道，通過對應(yīng)的補水電動閥門給每臺環(huán)水泵啟動前補加清水，排除水泵及管道系統(tǒng)內(nèi)的空氣，為水泵順利啟動做準備；安裝排氣電磁閥和流量開關(guān)，水泵系統(tǒng)注水時電磁閥同時打開排氣，雙路同時運行增加排氣效率，當(dāng)流量開關(guān)檢測到水流時，說明系統(tǒng)內(nèi)空氣已經(jīng)排凈，為保證系統(tǒng)一次啟動成功，延時啟動水泵主電機；水封水電磁閥在水泵運行時同步打開，確保軸承體運行過程中能夠得到充分冷卻，出口壓力檢測傳感器檢測泵的出口壓力，當(dāng)出口壓力低于設(shè)定值時發(fā)出報警，當(dāng)泵流量、壓力低于設(shè)定值時自動停機并報警。

2.2 電氣系統(tǒng)

整個泵房系統(tǒng)均有手動和自動2種啟動模式，保留了原現(xiàn)場操作的功能。若選擇手動模式，將現(xiàn)場所有操作箱的轉(zhuǎn)換開關(guān)均打到手動，啟動時需人工在泵房按照原流程依次啟動。若選擇自動模式，則將現(xiàn)場所有操作箱的轉(zhuǎn)換開關(guān)打到自動，此時現(xiàn)場將無法操作，待所有自動信號到來后，計算機畫面的備妥指示燈變綠，則代表可遠程啟動。在遠程啟動模式下又分為遠程單動啟動和遠程聯(lián)動啟動，區(qū)分方式為Wincc電腦畫面上的操作按鈕，設(shè)置了單擊可轉(zhuǎn)換單動和聯(lián)動的功能。遠程單動模式下，可在操作電腦上獨立操作補水電動閥、進出口電動閥、排氣電磁閥、主電機冷卻風(fēng)機、主電機等設(shè)備。遠程自動模式下，鼠標左鍵單擊畫面上所需啟動水泵的聯(lián)動啟動按鈕，補水電動閥自動打開從清水池向?qū)?yīng)水泵系統(tǒng)內(nèi)引水，同步打開排氣電磁閥將水泵系統(tǒng)內(nèi)的空氣外排，當(dāng)流量開關(guān)檢測到水流信號后，說明空氣已排空，延時5 s啟動主電機冷卻風(fēng)機和主電機，打開水封水電磁閥，同步關(guān)閉補水電動閥和排氣電磁閥，20 s 后系統(tǒng)壓力建立并超過設(shè)定壓力值時，自動打開出口電動閥，整個水泵系統(tǒng)啟動完成并正常運行。聯(lián)動停止水泵時，按下聯(lián)動停止按鈕，水泵主電機自動停止，水封水電磁閥自動關(guān)閉，延時30 s 停止主電機冷卻風(fēng)機后，自動關(guān)閉出口電動閥，系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)。當(dāng)泵房無人值守自動化系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可臨時手動運行維持生產(chǎn)，杜絕了因無人值守自動化系統(tǒng)故障對整個產(chǎn)線的影響。

主電機、風(fēng)機、進出口電動閥、補水電動閥等設(shè)備的啟停電路幾乎相同，以出口電動閥門為例，閥門操作箱上的轉(zhuǎn)換開關(guān)打到手動時，由現(xiàn)場按鈕控制開關(guān)閥，當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)打到自動時，由遠程電腦畫面上的按鈕進行控制。由于在自動回路中，PLC 輸出為1時，對應(yīng)的輸出繼電器常開點閉合，回路導(dǎo)通，開關(guān)閥門到達限位后，會因為限位的作用自動將閥門動作停止以保護電機，并斷開PLC 輸出。閥門控制電路如圖2所示。

在每臺水泵的操作箱箱門上安裝1 臺多回路溫度巡檢儀，循環(huán)檢測高壓電動機的繞組、前后軸承及水泵軸承體前后軸承的溫度，當(dāng)某點的溫度超過設(shè)定值時系統(tǒng)自動報警，并在系統(tǒng)運行畫面上實時顯示。采用多回路溫度巡檢儀是為了減少價格昂貴的西門子S7-300PLC 模擬量輸入模塊的用量，降低項目投資成本。

在8 臺高壓水泵的中置柜下柜門上各安裝1 臺ZZGJK-II 型高壓電機繞組絕緣在線監(jiān)控儀用于實時監(jiān)測熱備用水泵高壓電動機的絕緣電阻，當(dāng)電動機絕緣電阻低于設(shè)定值30 MΩ 時后臺上位機發(fā)出聲光報警，值班電工及時對絕緣電阻不合格的高壓電動機采取絕緣干燥處理，確保備用電動機始終處于熱備用狀態(tài)，為系統(tǒng)自動倒泵提供技術(shù)保障，同時該裝置還可監(jiān)控運行水泵系統(tǒng)的泄漏電流。

3 結(jié)語

（1）泵房無人值守系統(tǒng)使用后優(yōu)化了泵房每班人數(shù)3 人，減輕了崗位工人的工作壓力，改善了工作環(huán)境。

（2）系統(tǒng)采用當(dāng)今礦山廣泛使用的西門子S7-300PLC，適用度高，在工業(yè)現(xiàn)場無論是用于檢測或者控制，都能很好地完成目標任務(wù)。另一方面，Wincc的一個主要特點是開放性，它能和所有主要廠商的PLC進行通訊。可通過交換機、網(wǎng)線、光纖等設(shè)備，與選廠西門子S7-400 大系統(tǒng)進行通訊繼承，接入主控系統(tǒng)當(dāng)中，可實現(xiàn)在集控中心對所有設(shè)備的集中控制和數(shù)據(jù)實時監(jiān)控。

（3）系統(tǒng)完成后投入運行，可根據(jù)清水池液位自動調(diào)整補水電動閥門，保障清水池液位穩(wěn)定在正常的范圍內(nèi)。擁有實時監(jiān)控運行參數(shù)和記錄每臺水泵的累計運行時間功能，為設(shè)備檢修計劃提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

（4）系統(tǒng)設(shè)計簡單精巧，操作通俗易懂，利用大部分現(xiàn)場原設(shè)備及經(jīng)濟實用型的PLC 模塊，實用性較強，在各大礦山的泵房具有較強的推廣作用。