PLC在煤礦礦井水回收利用工程的應用

董士珍

煤炭是我國的主要能源之一，我國煤炭基地主要分布在北方和西北方干旱和半干旱地區，礦區水資源缺乏已嚴重制約了煤炭工業的可持續發展。將礦井水回收利用，保護了礦區的環境，解決了礦區的生產和生活用水，具有很好的經濟和社會效益。

目前，隨著現代控制技術和計算機技術的飛速發展，將PLC技術應用于礦井水回收利用工程中，實現礦井水處理工藝過程的自動控制，既方便運行管理，又提高了自動化水平，同時在確保處理水量、出水水質的前提下，節省水處理成本，具有非常現實的意義。

我院環境工程所在石槽村煤礦礦井水回收利用總承包工程實施過程中，開發設計了一套由上位機、PLC、變頻器、相應傳感器及執行機構組成的自動控制系統，將PLC控制技術成功應用到實際項目中。該系統已連續運轉近一年時間，性能穩定可靠。本文簡要介紹了以西門子S7-300系列PLC為核心的自控系統。

1 水處理工藝(流程)

該礦井水處理系統的工藝流程:井下排水→緩沖預沉調節池→絮凝斜管沉淀池→無閥濾池→瓷砂過濾器→反滲透裝置。

概括起來，該礦井水處理工藝包含以下幾個過程:1)礦井水經井下排水泵提升至地面緩沖預沉調節池預沉淀;2)投加絮凝劑充分混合后進入絮凝斜管沉淀池沉淀，去除水中的顆粒懸浮物;3)沉淀后的出水經過無閥濾池和瓷砂過濾器的雙重過濾后進一步截留水體中的細小顆粒及膠體物;4)過濾后的出水進入反滲透裝置進行脫鹽;5)脫鹽處理后的產品水經過消毒滅菌后作為礦井工業場地的日常生產生活用水。

2 PLC系統實現的主要功能

1)自動加藥功能。現場運行實踐證明，經PLC控制的自動加藥系統比人工控制的加藥裝置減少藥劑(聚合氯化鋁)的投加量約1/3，大大降低了水處理站的運行成本。2)設備自動運行功能。根據設計，系統可實現自動、手動兩種運行方式，自動時在控制室內集中操作，手動時在現場可直接開啟各設備，集中操作是本系統的主要操作方式，手動操作主要用于設備的調試和維修。3)聯鎖控制功能。水泵的啟停與相應水池液位實現聯鎖控制;水泵與其進出水端電動閥門實現聯鎖;同時液位報警上下限和液位聯鎖上下限可在工控機上任意修改。4)反滲透裝置的自動運行功能。根據壓力變送器反饋給PLC的壓力信號，自動調節變頻器的頻率，以降低高壓泵的壓力，使反滲透裝置達到設計的產水量。5)全過程監控能力。上位機采用彩顯，畫面以動畫圖形及中文方式顯示液位、流量、壓力、水泵及閥門的運行狀況、生產狀況、設備狀況等信息。6)報警及保護功能。當發生電氣、液位、機械等故障時，系統進行聲、光報警，通知工作人員并采取相應措施。若整個上下位自動系統發生故障，可以通過就地控制按鈕手動啟停設備，以保證礦井水處理系統正常運行。

3 控制系統的硬件配置

本自控系統的硬件配置主要包括上位機系統、PLC主控單元、傳感器及執行機構等。采用集中控制、集中管理的方式，硬件元件少，故障少，系統便于管理。

PLC控制系統硬件配置如圖1所示。

1)上位機系統。上位機系統由主機、鍵盤、鼠標、顯示器、打印機等組成。2)PLC主控單元。主控單元選用西門子公司的S7-300系列可編程序控制器。它是系統的核心，由CPU單元、電源單元、數字量輸入輸出單元、模擬量輸入輸出單元、通訊單元、適配器單元等組成。主控單元負責采集模擬量信號，進行運算和處理，輸出控制信號去控制水泵自動運行等;同時負責采集濁度、流量、液位、壓力、設備故障等模擬量及開關量信號，通過內部處理，去控制動力設備，實現設備的遠控和邏輯聯鎖功能。西門子S7-300系列是模塊化中小型PLC系統，它能滿足中等性能要求的應用。它采用模塊化、無排風扇結構設計，易于實現分布、易于用戶掌握等特點，使得S7-300成為各種從小規模到中等性能要求控制任務的方便而又經濟的解決方案。3)傳感器(變送器)及執行機構。在緩沖預沉池，調節池、清水池、污泥池、反洗排水池設置液位變送器;在高壓泵進出口設置壓力開關;在水處理站的總進水管設置電磁流量計及濁度儀;在反滲透設備安裝pH計。這些傳感檢測裝置用于檢測水處理的濁度、流量、液位、壓力、pH值等，所有監測數據通過變送器轉換為4 mA～20 mA標準信號，輸入PLC，由PLC進行運算處理，然后發出控制信號給執行機構去執行，從而使系統按照工藝流程要求自動運行。

4 自控系統軟件

本自控系統軟件主要包括上位機管理程序、PLC控制與檢測程序以及它們之間的通訊程序。1)上位機的管理程序主要完成設備運行狀態的圖形顯示、生產狀況的數據庫管理、監測數據的處理、菜單處理以及報警等功能。2)PLC作為主控單元，它完成所有模擬量計算和邏輯控制，可以脫離上位機獨立工作。下位機采用西門子公司開發的step7 5.4軟件對PLC進行編程和對PLC設備配置進行維護。編制的軟件主要包括信號獲取處理，信號控制。

5 自控系統的特點

本自控系統成本大約40萬元，只占整個水處理站總投資1 396萬元的2.2%。但卻能有效的降低水處理的運行成本和職工的勞動強度，同時提高了整個水處理站的自動化管理水平。

水處理運行成本主要包括水處理藥劑費用、人工費用以及電費等，由于采用自動加藥系統，如前所述節約藥劑投加量約1/3，每年節約的藥劑費用不言而喻;以前像石槽村這樣規模的水處理站為保證不間斷運行，至少需工作人員25人，現采用自動運行后只需 15人，按人工成本30 000元/年，一年減少費用 30萬元;2套反滲透裝置附屬的4臺高壓泵(55 kW/臺)，2臺段間增壓泵(37 kW/臺)作為水處理站主要的用電設備，占整個水處理站用電負荷近一半，起初采用工頻運行，現均采用變頻調速運行，從實際運行情況來看，每天節約電費約20%。按水處理站計算容量294 kW計算，每年節省電費達29萬余元，半年即可收回投入變頻器的成本。

一般情況下，礦井水處理站采用手動閥門，并且數量比較多，必須人工開啟，對于直徑超過400 mm的大型閥門，無論開啟或者關閉，都很費力費時，一般女同志難以勝任，而石槽村水處理站大部分采用電動閥門，全自動運行，大大降低了工人的勞動強度。

6 結語

經過水處理站將近一年的運行，這套以PLC為核心的自動控制系統滿足了生產生活用水要求，實現了安全可靠的不間斷供水，確保了優質的出水水質，提高了管理人員的勞動效率，降低了水處理成本，達到生產自動化控制的目標。

在水處理站運行過程中也發現一些問題，需要改進和優化。1)由于反滲透裝置自帶控制箱，各類傳感器儀表一并配套，其自動運行由反滲透控制箱完成，在上位機畫面上還不能真實反映反滲透一些設備的運行情況，比如壓力，濁度，pH值等，以后可考慮把這些信號都送入集控室PLC，以便監控。2)由于PLC缺乏對眾多模擬量數據采集和綜合控制功能，例如反滲透裝置阻垢劑投加量的控制上，仍需工藝工程師憑借經驗來確定，因此單純靠PLC無法實現工藝的最佳控制，這為上位機的功能擴展提供了可能。在PLC保證基本功能的同時，上位機也不再單純的以信息采集為主要功能，水處理站運行穩定后，運用歷史數據和運行經驗，用上位機開發出專家系統和模擬控制等高級控制功能，進一步提高水處理的自動化水平，達到降低能耗的最佳控制。

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[3] 謝成元.廈門同安梅山凈水廠自動控制系統[J].山西建筑，2008，34(7):210-211.