馮紀(jì)成 鄭文杰

摘 要：現(xiàn)我礦采用可編程序控制器（PLC）控制取代繼電器控制，取代以往人工操作，能實(shí)現(xiàn)地面的遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制，對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行過程進(jìn)行自動檢測、自動控制，使設(shè)備達(dá)到最佳工作狀態(tài)，從而達(dá)到有效地節(jié)約能源、降低勞動強(qiáng)度、降低運(yùn)行成本等目的。

關(guān)鍵詞：PLC；遠(yuǎn)程控制；經(jīng)濟(jì)性

1 現(xiàn)有煤礦井下排水系統(tǒng)

井下中央泵房共有水泵21臺，工作水泵10臺、備用水泵8臺和檢修水泵3臺，每臺水泵使用對應(yīng)的高壓真空電磁啟動器。

水泵啟動前，先通過人工操作將出口管路閘閥打開，然后將水泵上射流管打開，通過射流管的射流水使吸水管路抽成真空狀態(tài)，進(jìn)而充滿進(jìn)水管路，然后啟動水泵。在水泵運(yùn)行期間，操作人員需經(jīng)常巡查水位變化情況，根據(jù)水位情況開停水泵。

由于現(xiàn)泵房內(nèi)設(shè)備的操作運(yùn)行以及水倉水位的觀察，均采用人工操作方式，操作過程繁瑣、勞動強(qiáng)度大、水泵啟動時(shí)間長、自動化程度低、不適應(yīng)現(xiàn)代化礦井管理需要。

2 針對現(xiàn)有排水系統(tǒng)的改進(jìn)

針對礦井的實(shí)際要求，我礦井中央泵房安裝排水自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)滿足水泵機(jī)組起停、故障診斷和數(shù)據(jù)處理上完全自動化，不需要人工干預(yù)，從而達(dá)到節(jié)約能源和人力資源的功能。

本控制系統(tǒng)采用礦用一般型測控裝置，測控裝置PLC采用西門子S7-300系列，采用射流引水?，F(xiàn)場安裝六臺防爆攝像儀，用于監(jiān)視21臺水泵的開停狀態(tài)。泵房配備一臺TH1-24本安型操作臺，21臺就地控制箱與2臺PLC控制主站相結(jié)合，完成泵、電動閘閥和電動球閥的就地控制，改造引水方式，在原來的射流閥和排氣閥上分別接電動球閥以達(dá)到電控的要求，同時(shí)配備水位、流量、溫度、壓力、負(fù)壓等傳感器。

⑴對井下水泵房設(shè)備運(yùn)行實(shí)行在線監(jiān)控，具有自動、手動控制水泵的啟停及閘閥的開、關(guān)，并具有自診斷功能，可實(shí)現(xiàn)水泵房的無人值守。

⑵控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接入礦井工業(yè)以太干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)水泵監(jiān)控子系統(tǒng)與全礦井的監(jiān)控系統(tǒng)信息共享，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)廠家的遠(yuǎn)距離的在線監(jiān)測與維護(hù)指導(dǎo)。

⑶集中控制器采用西門子S7-300系列工業(yè)級PLC控制軟件，結(jié)合礦井涌水量大小和電力削峰填谷原則，實(shí)現(xiàn)井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的最優(yōu)控制；集中控制器還收集井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)警、信息顯示、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)情況。

⑷在井下泵房內(nèi)操作臺上，電視屏幕能清晰出顯示運(yùn)行水泵狀況、水倉水位高低、管路閘閥的開合、排水管路的使用等情況。

⑸根據(jù)水位控制原則，自動實(shí)現(xiàn)水泵的輪換工作。

⑹結(jié)合井底水倉水位高低和電力負(fù)荷信息，以“避峰填谷”原則確定開、停水泵時(shí)間。

⑺水泵監(jiān)控子系統(tǒng)有三種控制形式，就地控制、井下控制臺、地面遠(yuǎn)程控制。

就地控制：由操作人員根據(jù)水倉水位高低的顯示、涌水量大小等實(shí)際生產(chǎn)需要，確定開泵臺數(shù)，通過就地設(shè)備控制箱上的操作按鈕完成電機(jī)及其閥門的開、停，即PLC完成單臺水泵抽真空、啟泵、開液壓閥等自動控制，并完成運(yùn)行停止。

半自動控制：為了方便人員操作，減少人員及人員的勞動強(qiáng)度，可以在井下操作臺及地面控制主機(jī)上單獨(dú)控制系統(tǒng)中的各設(shè)備。為保證井下操作和地面控制互不干涉，在井下操作臺上設(shè)置轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)在近控時(shí)，由井下操作臺控制水泵運(yùn)行，而地面無法干涉水泵的操作，反之當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)在遠(yuǎn)控時(shí)，井下操作臺無法操作。

自動控制：在自動狀態(tài)下，由地面控制主機(jī)收集各水泵及閘閥工作狀況、各種故障、水倉水位高低等因素，按照事先編制的流程及PLC閉鎖程序順序控制水泵及閘閥的開啟。在正常水位時(shí)，各臺水泵自動輪換工作，當(dāng)水倉水位超高或突出涌水時(shí)，自動投入必要數(shù)量的水泵運(yùn)行。

⑻實(shí)施監(jiān)測水泵各工況參數(shù)，包括水位、電壓、電流、壓力、功率、溫度、振動、真空度等。當(dāng)水泵出現(xiàn)故障時(shí)，能夠及時(shí)報(bào)警，并能夠自動開啟備用水泵。

根據(jù)水泵使用臺數(shù)和水位變化率的情況可判斷礦井涌水情況，從而確定水泵增加臺數(shù)。

3 系統(tǒng)工作原理及工作方式

自動控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)檢測水倉水位高低、管路真空度、閘閥開合度、水泵完好情況等數(shù)據(jù)，配以模擬量的輸入輸出模塊以及以太網(wǎng)通訊模塊來控制相應(yīng)水泵的開停。

系統(tǒng)可有三種工作方式：全自動、就地手動、遠(yuǎn)程手動。

全自動運(yùn)行時(shí)，井下PLC控制器實(shí)時(shí)的采集水泵運(yùn)行時(shí)水位水位變化情況，結(jié)合每臺水泵工作狀態(tài)、輪換原則等啟動相應(yīng)水泵的運(yùn)行或停機(jī)，不需要人員操作，操作人員僅巡回檢查水泵運(yùn)行狀態(tài)。

就地手動時(shí)，當(dāng)PLC故障、失電或檢修水泵時(shí)，操作人員就地通過手動控制箱控制單臺水泵的啟停，而不是PLC或數(shù)據(jù)口通訊的方式控制水泵。

遠(yuǎn)程手動控制時(shí)，授權(quán)井上工作人員通過上位計(jì)算機(jī)控制水泵的啟動和停止；系統(tǒng)在正常運(yùn)行過程中，不論何種工作方式，均可實(shí)時(shí)將現(xiàn)場的各種參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳到地面水泵控制室。

4 水泵控制的控制原則

首先在與井下水倉相連通的配水井中設(shè)置水位標(biāo)尺，在水位標(biāo)尺上設(shè)置有低水位，高水位，報(bào)警水位、超限水位等。

對于狀態(tài)完好的水泵，在開啟前首先打開管路上的逆止閥門，然后啟動射流管上的真空系統(tǒng)，檢測真空度，真空度達(dá)到要求后即可開啟。

按照規(guī)定，水泵應(yīng)在300s內(nèi)完成啟動，因此，達(dá)到真空度的同時(shí)，還有一定的時(shí)間限制。若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)有真空度信號，則合上真空開關(guān)電磁閥，開啟電動閥門。電動閥門開啟10s后，系統(tǒng)置水泵為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，開始測量機(jī)組運(yùn)行參數(shù)及壓力。當(dāng)壓力值顯示低于3Pa時(shí)，說明水泵不能上水，系統(tǒng)應(yīng)立即自動停止該水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)。

水泵的開啟數(shù)量根據(jù)水倉水位的變化情況而定。首先對水泵編號，當(dāng)水位僅僅越過低水位時(shí)，運(yùn)行一臺水泵，當(dāng)系統(tǒng)第一次運(yùn)行，開啟1#水泵，以后按照運(yùn)行時(shí)間的多少，選擇運(yùn)行時(shí)間最少的泵開啟，如果所選水泵為檢修狀態(tài)，則開啟下一序號的水泵。當(dāng)開啟一臺水泵運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)水位仍然上漲，則增加水泵數(shù)量。當(dāng)水位下降到低水位限以下時(shí)，則依次按照水泵運(yùn)行時(shí)間長短的停止，由長到短停止，僅保留一臺運(yùn)行。

當(dāng)水位超過警戒水位時(shí)，水泵除檢修泵外全部開啟。

根據(jù)季節(jié)實(shí)行自動或半自動控制，當(dāng)雨季出現(xiàn)強(qiáng)降雨等惡劣天氣時(shí)，實(shí)行半自動控制，將水位排到礦要求的最低水位。其余時(shí)節(jié)時(shí)，根據(jù)水泵輪換制和我礦電力削峰填谷的原則實(shí)現(xiàn)水泵的起停。首先當(dāng)水位達(dá)到開啟水位時(shí)，且處于低谷或平谷時(shí)，可以立即啟動水泵；若處于高峰或尖峰時(shí)，則暫緩啟動。當(dāng)水位繼續(xù)上升至高水位時(shí)，則不論何時(shí)段，必須立即啟動水泵。若水位繼續(xù)上升到超限水位時(shí)，表明一臺水泵的排水量已不足以排除礦井出水，則增加水泵數(shù)量。當(dāng)水位必須下降到低水位時(shí)可依次停泵，僅留一臺水泵運(yùn)行。

5 系統(tǒng)特點(diǎn)

5.1 安全可靠性

該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)的監(jiān)控電機(jī)、水泵、高壓啟動器、真空度等各環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)出現(xiàn)的異常能夠提前預(yù)警。

該系統(tǒng)擁有遠(yuǎn)端控制、就地自動控制及手動控制三種控制方式，三種控制模式以“井下優(yōu)先”的原則可以進(jìn)行手動切換。在特殊條件下時(shí)也可以進(jìn)行自動切換，例如：當(dāng)井上與地面通訊中斷失聯(lián)的情況下，系統(tǒng)自動由井下PLC進(jìn)行控制。如果設(shè)備運(yùn)行在遠(yuǎn)端手動模式或井下PLC自動控制模式的情況下，PLC發(fā)生故障，則系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換為就地控制模式。

自動控制系統(tǒng)采用了技術(shù)先進(jìn)的西門子S7-300型PLC，性能穩(wěn)定，故障率低，且具有完備的故障診斷和保護(hù)功能，同時(shí)保留的人工控制方式可在PLC控制系統(tǒng)故障時(shí)正常啟動水泵。

5.2 經(jīng)濟(jì)性

⑴將電價(jià)的避峰填谷原則引入水泵啟動算法中，使得水泵耗能處于最經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)。

⑵減少故障時(shí)間，提高開機(jī)率。由于系統(tǒng)具有完善的監(jiān)視和控制功能，提高了運(yùn)行的可靠性，減少故障停機(jī)時(shí)間，開機(jī)率可達(dá)98%。

⑶通過對水倉水位的啟動水位、報(bào)警水位、超限水位、停機(jī)水位的設(shè)定，在保障水倉水位絕對安全的前提下，使水泵的啟動次數(shù)達(dá)到了最少。

⑷提高勞動效率，節(jié)約人力資源。由于本系統(tǒng)是按照無人值守的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，減少水泵房及采區(qū)變電所的操作人員，只配備巡檢工。將比為改造前年節(jié)約工資約18萬元。

[參考文獻(xiàn)]

[1]《九里山礦主排水集控系統(tǒng)使用手冊》.徐州中礦大華洋通訊設(shè)備有限公司.

[2]《煤礦安全規(guī)程》，2013版.

[3]《煤礦通訊、檢測、控制用電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)要求》（MT209-90）.

[4]《電力裝置的繼電保護(hù)和自動裝置的設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50062-92）.

[5]《應(yīng)用電視設(shè)備安全要求》（GB14861-93）.

[6]《可編程儀器的數(shù)字接口》.