自動控制系統在礦井排水中的應用

姜建軍，劉利波，王啟健，于曉剛

（招金礦業股份有限公司，山東 煙臺 265400）

礦井井下排水系統在礦井安全問題中占有重要地位。礦井涌水如果不能及時排出，將對礦井生產和工作人員安全構成威脅。排水系統耗電大，因此有效地控制排水系統是降低生產成本的重要途徑。目前大部分礦山井下排水系統由人工控制，其效率低，操作人員多，嚴重影響企業生產管理和經濟效益的提高。可編程序控制器(PLC)的廣泛應用使井下排水的自動化控制成為可能。

一、排水現場概況

礦區給排水屬于多級排水形式，主要用于礦區內生產用水。排水系統現階段主要對一級、二級兩條豎井進行排水自動化改造，采用無底閥式。在一級豎井－80m中段設有3臺水泵，2用1備，參數如下。水泵型號：200D-43×4；電機功率:200kW；電壓：400V；轉速：1 480r/min；吸水管徑：φ200mm×6mm；排水管徑：φ200mm×8mm。

二、排水自動控制系統設計思路

加強管理、節約能源、降低勞動強度，實現排水泵房的無人值守和自動排水。

1.排水安全可靠，節能增效

通過對液位、電流、時間等指標的綜合檢測，實現對井下排水的自動控制。

2.排水的自動控制

在集水倉設液位計，排水管道安裝電動閥，負壓罐安裝電磁閥、液位計等，通過PLC完成自動控制。電動機采用軟啟動器。

3.工作方式及原理

工作方式分自動、手動和遠程控制3種。通過在控制柜上設置轉換開關進行3種方式轉換。電動閥1#、2#、3#分別安裝在水泵的主排水管路上，其中3#水泵作為備用設備。3臺電磁流量計分別安裝在3臺水泵的吸水管路上。

(1)自動方式

PLC通過液位計檢測集水倉液位是否滿足排水條件；確定各電動閥是否處于關閉狀態；負壓罐和系統在無故障的情況下方可啟動工作水泵，工作水泵空載運行正常后，依次開啟水泵的所屬電動閥，并根據電機的工作情況控制電動閥的開閉。如果集水倉的水量超過上限或排水期間水位反而有所上升時則啟動3#水泵并打開3#電動閥。在排水期間，當PLC檢測水泵、液位、閥門工作狀態發生異常時，則認為故障，PLC會自動關閉故障設備，打開備用設備。

(2)手動方式

要求操作員根據現場情況、儀表顯示及操作規程啟動水泵，主要用于手動及異常操作時，以恢復水泵正常運行。

(3)遠程控制

地表監控室監控人員依據攝像頭的實時監控及儀表顯示，根據需要，通過安裝在地表的控制按鈕實現遠程操作。水泵運行后，可按照自動方式正常運行。

4.液位與時間雙控制

排水時間和水倉液位的檢測對安全生產起著至關重要的作用。在水倉安裝性價比較高的超聲波液位計，并采用冗余硬件設計，計算機程序能夠分析某個液位計是否存在故障并報警，確保人工及時更換以維護排水系統的安全性。在水位監測上設工作水位和報警水位兩種，工作水位設定排水、停機的液面高度；報警水位用于啟動應急備用設備并報警。

集水倉液位計設上上限、上限、下限3個工作水位，正常情況下，如集水倉內液位不超過上限時，為充分利用夜間的用電谷段，工作水泵在允許的時間范圍內啟動，排水至液位下限時，水泵停止。當異常情況——涌水量特別大時，集水倉內液位達到上限時，無論用電波峰或波谷，工作水泵均啟動排水；當液位達到上上限時，備用水泵啟動排水。

程序根據井下涌水量對水泵開啟時間進行設定，平段和谷段時間內水泵按照時間設定開停，高峰用電時，采用液位控制水泵，這樣可以節省電費。

5.電動機工作狀態的檢測

電動機的啟動，必須在電動閥關閉的情況下進行，當電動機的額定空載電流達到系統設定的SV值并保持時，系統無故障則認為電機正常啟動。電動機的主回路保護要求具有短路、過載、缺相及欠壓等。

電動機故障監測：系統安裝電能變送器、電壓變送器、電流變送器，電動機運行時能隨時將電動機電能、電流、電壓信號輸入計算機，進行檢測分析。通過PLC實現對電機運行狀態的實時監測，當電流過高或水泵存在不排水的其它故障，報警系統發出聲光報警信號并根據要求及時停車維修。

6.水泵工作狀態的測控

工作效率的測控，是通過在吸水管道上安裝的電磁流量計，測得水流量，并與額定流量相比，得出其工作效率。

水泵的正常工作通過電流、電壓、工作狀態、液位的軟件控制來實現，并通過儀表直觀反映。當水泵啟動時，電動閥處在關閉狀態，啟動正常后通過PLC對電動閥的開關控制來實現水泵的正常工作。

低壓開關柜合閘回路與控制柜的控制回路相串聯，可實現電機緊急停車。

電能測量采用低壓計量方式與系統數據累計方式兩種。PLC處理電能變送器的電信號，并通過上位機進行數據報表打印。

維持水泵的正常工作與負壓罐密不可分。采用無底閥排水首先要保證負壓罐的液位。負壓罐的工作設備包括電動球閥、液位計和真空泵，檢測設備由液位計檢測負壓罐的密封情況。

在排水泵正常工作期間，集水倉水位應稍微下降或保持不變。如在水泵排水期間，集水倉水位仍然上升，則說明涌水量變大，系統發出聲光報警，并在水位達到上限時啟動備用水泵。

7.電機及水泵的遠程監控及保護

通過在配電室內設置電壓、電流、流量顯示以監示水泵的工作狀態，可根據不同的情況進行聲光報警及事故保護停車，避免設備事故的發生。

8.數據采集

主要由上位機來完成排水量、工作時間、電壓、電流、設備運行狀態等指標的小時統計、日統計和月統計?？刂葡到y的日報表及月報表數據存放在控制器內，水泵和其他附屬設備的運行畫面經過組態在上位機實時顯示，并可以在組態畫面上運行設備，調用水泵的運行時間和其他主要數據，通過上位機將數據整合傳送并進行報表遠程打印。

控制系統可進行水泵開停時間、集水倉液面高度、報警高度等參數的動態調節。

9.系統特點

在中段設集中控制柜，由于PLC的應用，能夠極大提高生產效率及降低勞動強度。每個設備點的狀態能及時通過檢測數據準確傳遞給微機進行處理。各個中段之間采用profibus通信方式，便于集中管理。系統設有標準通用接口，為系統的擴展提供有力保障。

為了便于調試維護及生產需要，各控制柜通過轉換開關可以將運行方式轉為手動控制，每個設備點能夠獨立進行操作，解決了技改工程中生產與施工的矛盾。

三、系統的監控

攝像部分是電視監控系統的前沿部分，它把監視內容轉換為圖像信號并發送到監視器上。攝像部分產生的圖像信號質量將影響整個系統的質量。

1.控制部分

在控制中，閉路電視系統中的信息量與信息處理的工作量都很大，因此其控制臺的操作一般通過計算機以用戶軟件編程的全鍵盤方式來完成視頻切換、報警處理及設備狀態自檢等工作。數字視頻監控報警系統采用計算機多媒體技術，CCD攝像機為監控探頭，攝像機將獲取的視頻信號傳輸到主機，主機里的高速圖像處理器進行數字化處理，將視頻信號形成的圖像與背景圖像進行分析比較，同時主機自動采集報警圖像并存入計算機。事后用戶可隨時查閱報警現場的圖像。系統將電視監控系統與報警合二為一，實現了監視、報警與圖像記錄的同步進行。在系統中沒有錄像機和視頻分配器，一切報警記錄都在計算機的硬盤內，所有操作都根據屏幕上的軟件提示動作。

2.顯示與記錄

顯示與記錄設備安裝在控制室內，主要有監視器、硬盤錄像機和一些視頻處理設備。本系統采用的是硬盤錄像機，視頻壓縮采用增強型MPEG-4固定碼流、可變碼流幀率及硬件壓縮技術，24路視頻信號獨立同步硬件實時壓縮、錄像及回放，無滯后；可實現手動錄像、定時錄像、報警連動錄像、動態檢測錄像等多種錄像模式，并具有預錄功能。

為實現閉路監控全礦覆蓋，閉路監控系統可由4路擴展為24路，可以很方便的增加視頻設備。

四、恒壓供水系統

恒壓供水系統主要由PLC、變頻器、壓力變送器、液位傳感器、動力及控制線路及泵組組成。用戶通過控制柜面板的指示燈、按鈕及轉換開關來了解和控制系統的運行。通過安裝在出水管網上的壓力變送器，把4～20mA標準信號送入PID調節器，經PID運算并與給定壓力參數進行比較，對比較信號作出判斷后將結果送至變頻器。變頻器控制水泵的轉速以調節供水量。在變頻器設置中設定一個上限頻率和下限頻率檢測，當用水量大時，變頻器迅速上升到上限頻率，此時，變頻器輸出一個開關信號給PLC；當用水處于低峰時，變頻器輸出達到下限頻率，變頻器也輸出一個開關信號給PLC；PLC通過設定的內部程序驅動I/O端口開關量的輸出來實現切換交流接觸器組，以協調投入工作的水泵電機臺數，并完成電機的啟停、變頻與工頻的切換。通過調整投入工作的電機臺數和控制電機組中一臺電機的變頻轉速，使系統管網的工作壓力始終穩定，進而實現恒壓供水。變頻器采用ABB專用水泵變頻器，可編程控制器選用西門子S7-313C2DP型，作為井下排水系統上位機，并可參與井上供水控制。如井下排水產生故障，系統可報警提示并切換備用水源。

五、結語

PLC自動控制系統優越性在于采用了先進的通信網絡技術，實現PLC與上位機之間的通信，控制執行功能主要由PLC完成，上位機則完成信息處理和圖像顯示。PLC和上位機實現優勢互補、分工合作，使得系統運行可靠穩定。系統根據峰谷用電、采用時間和水倉液位雙控制，給出相應的可靠性設計，更有利于了企業的調荷節電；同時解決了由于通信、傳感器的不穩定導致控制系統運行不穩定問題，實現了井下排水系統的無人值守、減員提效和調荷節電。