彭如斌(馬鋼（集團）控股有限公司桃沖礦業(yè)公司,安徽蕪湖241233)

礦井井下水泵遠程啟停改造分析

彭如斌
(馬鋼（集團）控股有限公司桃沖礦業(yè)公司,安徽蕪湖241233)

【摘要】介紹了礦井井下水泵遠程控制問題分析和解決方法,從井下環(huán)境和對系統(tǒng)的要求入手,分析改造過程中對控制系統(tǒng)的組成進行了描述,并對控制系統(tǒng)功能和改造中的問題及解決方法進行了詳述。

【關鍵詞】水泵；啟停；自動控制

Analysis and Modification of Remote Startup and Stop Function of Downhole Water Pumps in Mines

Peng Rubin
(Taochong Mining Company of Magang(Group) Holding Co., Ltd., Wuhu, Anhui 241233, China)

【Abstract】Analysis and solutions for remote control problems of downhole water pumps in mines are introduced. Configuration of the control system during modification was analyzed starting with the requirement of underground condition on the system. Problems of control system functions occurring during the modification and solutions are also presented in detail.

【Keywords】water pump; startup and stop; automatic control

1　引言

馬鋼（集團）桃沖礦業(yè)公司是一個有著百年開采的井下鐵礦山，其中井下-107 m水泵房，距離地表200 m，有1個水倉，水泵排水是有底閥式排水，有4臺125D45水泵排水。配套電機為Y200L2-2，功率37 kW，電壓380 V，揚程：86 m，流量：101 m3/h；井下-107 m涌水通過4臺離心泵集中排至-60 m水倉，-57 m水倉里的水通過3臺高壓泵（360 kW）將水排到90 m水倉，經(jīng)沉淀處理后，部分用于井下采礦生產(chǎn)用水，多余部分排至選礦生產(chǎn)大塘（此水是作為循環(huán)水使用），目前-107 m水泵的啟動方式為現(xiàn)場手動按鈕控制，我礦打算將-107 m水泵房決定進行自動化改造，實現(xiàn)水泵自動化遠程控制。

2　改造想法

要求對該泵站水泵及其附屬的設備等裝置實施PLC自動控制及運行參數(shù)自動檢測，動態(tài)顯示，并將數(shù)據(jù)傳送到“六大系統(tǒng)”監(jiān)控室，進行實時監(jiān)測及報警顯示。系統(tǒng)通過檢測水倉水位和其它參數(shù)，控制水泵輪流工作與適時啟動備用泵，合理調(diào)度水泵運行，系統(tǒng)通過上位機以圖形、圖像、數(shù)據(jù)、文字等方式，直觀、形象、實時地反映系統(tǒng)工作狀態(tài)以及水倉水位、通過通訊模塊與監(jiān)控主機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。要求系統(tǒng)必須具有運行可靠、操作方便、自動化程度高、能夠遠程自動化控制的目的，并能節(jié)省水泵的運行費用。

3　改造目標及要求

3.1要求-107 m水泵實現(xiàn)自動化遠程控制，能在地表“六大系統(tǒng)”控制室遠程啟停水泵，地表控制站與-107 m井下水泵房控制站之間利用現(xiàn)有的“六大系統(tǒng)”網(wǎng)絡進行通信，

3.2水泵啟停和運行信號用控制電纜送到-57 m水泵房，控制電纜長350 m。在-57 m泵房內(nèi)部制作安裝一個信號箱，信號箱要求有啟、停聲光報警和運行指示功能。

3.3采用真空引水箱保持泵體內(nèi)始終充滿水，泵啟動時無需再灌引水或抽真空。

3.4有底閥式排水改為無底閥式排水。

3.5制作水位標尺，安裝于水倉中，并安裝網(wǎng)絡攝像機和投光燈，將標尺水位畫面?zhèn)魉偷健傲笙到y(tǒng)”監(jiān)控室。

4　水泵自動控制的系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳感器檢測子系統(tǒng)、前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、機房數(shù)據(jù)監(jiān)視與設備控制子系統(tǒng)、遠程數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)組成。

4.1現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳感器檢測子系統(tǒng)

電量傳感器（監(jiān)測電壓、電流等數(shù)據(jù)）、閥門開閉傳感器和水倉液位傳感器（實時采集水倉液位高度）等組成，所有變送器均經(jīng)過防水處理，確保使用壽命長、數(shù)據(jù)采集變換精度高、信號輸出穩(wěn)定。

4.2前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

負責將現(xiàn)場各種傳感器檢測的參數(shù)數(shù)據(jù)傳送到上位工控機和PLC模塊，PLC與監(jiān)控間采用以太網(wǎng)通訊。

4.3機房數(shù)據(jù)與設備控制子系統(tǒng)

主要由PLC、電動閥門、現(xiàn)場控制箱等組成。負責采集現(xiàn)場的檢測數(shù)據(jù)，進行本地顯示、超限報警、分析處理等操作；同時將機房或地表監(jiān)控室發(fā)來的控制命令下達到現(xiàn)場執(zhí)行設備，進行設備控制操作。泵房設有獨立PLC控制柜，分別通過網(wǎng)線和光纖與泵房值班室和地表監(jiān)控交換信息。每臺水泵都要有一臺現(xiàn)場控制柜或箱，具有就地/遠程轉換功能，有一套手動連鎖控制回路，保障緊急情況使用。

4.4遠程數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

負責將機房數(shù)據(jù)與設備控制子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)通過光纜上傳到監(jiān)控室，以便遠程監(jiān)控。

5　系統(tǒng)功能

5.1為了防止因備用泵及其電氣設備或備用管路長期不用而使電機和電氣設備受潮或其他故障未經(jīng)及時發(fā)現(xiàn)，當工作泵出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵時，而不能及時投入以至影響礦井安全，系統(tǒng)程序必須設計啟動水泵為自動輪換工作控制，控制程序將水泵啟停次數(shù)及運行時間及流量等參數(shù)自動記錄并累計，系統(tǒng)根據(jù)這些運行參數(shù)按一定順序自動啟停水泵，當某臺泵或所屬閥門故障、系統(tǒng)自動發(fā)出聲光報警，并在上位機上動態(tài)閃爍顯示，記錄事故，同時將故障泵自動退出輪換工作，其余各泵繼續(xù)按一定順序自動輪換工作，延長水泵的使用壽命。

5.2系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)負荷和供電部門所規(guī)定的平段、谷段、峰段供電電價時間段，以“避峰填谷”原則確定開、停水泵時間，從而合理地利用電網(wǎng)信息，節(jié)約水泵運行費用。

5.3PLC自動檢測水位信號，計算單位時間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，自動投入和退出水泵運行臺數(shù)，合理地調(diào)度水泵運行。

5.4系統(tǒng)通過圖形動態(tài)顯示水泵、電動閥和電機的運行狀態(tài)，采用改變圖形顏色和閃爍功能進行事故報警。直觀地顯示電動閥的開閉位置，實時顯示水泵流量情況和壓力值。

用圖形填充以及趨勢圖、棒狀圖和數(shù)字形式準確實時地顯示水倉水位，并在啟停水泵的水位段發(fā)出預告信號和低段、超低段、高段、超高段水位分段報警，用不同音響形式中控室人員注意。在上位機上動態(tài)監(jiān)控水泵及其附屬設備的運行狀況，實時顯示水位、流量、壓力、溫度、電流、電壓等參數(shù)，超限報警，故障畫面自動彈出，故障點自動閃爍。要有故障記錄，歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。水泵房動態(tài)模擬動態(tài)顯示。

5.5系統(tǒng)通訊接口功能，PLC可同時與上位機及監(jiān)測監(jiān)控主機通訊，傳送數(shù)據(jù)，交換信息，實現(xiàn)遙測、遙控、遙信功能PLC通過通訊接口和通訊協(xié)議，與上位機進行全雙工通訊，將水泵機組的工作狀態(tài)與運行參數(shù)傳至上位機，完成各數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示；同時，操作人員也可利用上位機將操作指令傳至PLC，控制水泵運行。PLC同時將水泵機組的運行狀態(tài)與參數(shù)傳至地面監(jiān)控室，管理人員在地面即可掌握井下主排水系統(tǒng)設備的所有檢測數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，又可根據(jù)自動化控制信息，實現(xiàn)井下主排水系統(tǒng)的遙測、遙控、遙信，并為公司領導提供生產(chǎn)決策信息。上位機與監(jiān)測監(jiān)控主機均可動態(tài)顯示主排水系統(tǒng)運行的模擬圖、運行參數(shù)圖表，記錄系統(tǒng)運行和故障數(shù)據(jù)，并顯示故障點以提醒操作人員注意。

6　系統(tǒng)保護功能

6.1超溫保護

水泵長期運行，當軸承溫度或定子溫度超出允許值時，通過溫度保護裝置及PLC實現(xiàn)超限報警

6.2流量保護

當水泵啟動后或正常運行時，如流量達不到正常值，通過流量保護裝置使本臺水泵停車，自動轉換為啟動另一臺水泵。

6.3電動閥門故障

監(jiān)視閘閥限位檢測，并參與水泵的聯(lián)鎖控制。

6.4壓力故障

主管路和泵出口壓力檢測。

6.5振動保護

對設備振動進行檢測。

7　改造過程中的遇到問題及解決

7.1水泵啟動過程中灌引水的解決

井下水泵都為有底閥排水，起動前必須向泵內(nèi)灌注引水，在啟動過程中，通過人工灌引注水辦法，使水泵處于真空狀態(tài)，然后才能啟動水泵，可是實行自動化遠程控制中，沒有人工來灌引注水，怎樣使水泵起來，我們首先考慮采用射流水泵的辦法抽真空，可是我們是井下礦山，井下排的是污水，含油、堿等各種廢棄物等，水泵盤根等損壞嚴重，水泵密封不好，密封螺絲上銹腐蝕嚴重漏水、滴水。如果采用射流泵的方案，則對水泵的密封要求很嚴格，根據(jù)現(xiàn)場條件，我們沒辦法做到水泵嚴格密封性能，我們井下共4臺排水泵，每臺都需要射流泵抽真空，現(xiàn)場沒有位置安裝，且投資維護量都很大，我們經(jīng)過考察計算，可以制作一個不銹鋼真空引水箱保持泵體內(nèi)始終充滿水，泵啟動時無需再灌引水或抽真空；真空引水箱上配置小型潛水泵、電磁閥和水位計，用來為水箱補水。水泵啟動前，首先檢測水箱內(nèi)是否缺水。當真空引水箱缺水時，先為水箱補充水，然后才能啟動水泵，順利解決水泵啟動之前的抽真空問題。

7.2真空引水箱補滿水的檢測

因為我礦井下排水都是污水，含油、堿具有腐蝕性，無法保證排水泵密封性能，有跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，因此真空引水箱里面的水會損失，根據(jù)國家對井下礦山安全的管理規(guī)定，井下水泵排水都是有很大富余量，正常情況下水泵每天只要開5 h就滿足排水生產(chǎn)要求，所以每次啟動排水泵都要為真空引水箱補水，但是怎樣檢測真空引水箱補滿水，就成了擺在我們面前一道難題，開始我們想到用水浮開關，水滿接點斷開，可是井下太潮濕又腐蝕，接點經(jīng)常銹蝕損壞，沒辦法我們購買一體的水流開關檢測水流，但是水流開關必須要水流動速度很大，水流開關才動作，那么真空引水箱補水泵要開很長時間，有時我們看到補滿，但是水流開關就是不動作，還要補水泵還要開一段時間才動作，且水流開關經(jīng)常損壞，可能水流開關對干凈自來水效果好壽命長，最后在真空引水箱上面裝一個引水管對著井下水倉，裝一個高清攝像頭，攝像畫面通過“六大系統(tǒng)”光纖接到中控室，只要引水管一出水，表示水箱補滿水，真空引水箱補滿水的檢測問題得到解決。

7.3井下水倉水位的檢測

井下水倉水位的檢測很重要，采用水位計檢測，結果發(fā)現(xiàn)效果不好，不準，還經(jīng)常損壞，因為井下是污水，還有漂浮物，接觸式水位計都不好，改為雷達水位計雷達反射，非接觸式的，但是和實際顯示有誤差，不準，要定期校準，校準工作量人要下到水倉中校準，工作量大，于是改為制作水位標尺，安裝于水倉中，并安裝網(wǎng)絡攝像機和投光燈，將標尺水位畫面?zhèn)魉偷健傲笙到y(tǒng)”監(jiān)控室。20天左右在中控室畫面上對著水位標尺，看看雷達水位儀誤差情況，在監(jiān)控軟件中將水位計算系數(shù)修改一下即可，很簡單，此問題順利解決。

8　結束語

我礦對井下水泵的遠程啟停已經(jīng)實現(xiàn)，但是和井下水泵無人職守自動化控制還是有一段距離，如何延長各種檢測元器件在井下潮濕、腐蝕氣體環(huán)境壽命是下一步考慮問題。礦井下還有很多設備的運程控制可以利用“六大系統(tǒng)”網(wǎng)絡光纖進行自動化控制，達到節(jié)約人員成本目的，現(xiàn)在國家對井下礦山安全要求的加強，井下礦山必須建立“六大系統(tǒng)”，在考慮建設“六大系統(tǒng)”同時可以同步考慮利用“六大系統(tǒng)”網(wǎng)絡光纖對井下水泵、風機遠程控制，達到節(jié)約人員成本的目標。

作者簡介：彭如斌(1976-),男,2010年畢業(yè)于安徽工程大學電氣工程及其自動化專業(yè),工程師,現(xiàn)從事電氣技術管理工作。

收稿日期:2014- 12- 11

【中圖分類號】TH3

【文獻標識碼】B

【文章編號】1006-6764（2015）04-0061-03