泵房自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張忠魏

(山東八一煤電化有限公司，山東 滕州277524)

1 八一煤礦井下主排水系統(tǒng)概述

八一煤電化公司井下水泵的開停及選擇切換均由人工完成，系統(tǒng)不能根據(jù)水位或其它參數(shù)自動開停水泵，僅能實(shí)現(xiàn)就地的簡單操作，大量的實(shí)時數(shù)據(jù)不能由地面調(diào)度人員及時監(jiān)測和管理，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)以及出現(xiàn)故障時不能及時發(fā)現(xiàn)并處理，給統(tǒng)一調(diào)配、事故處理造成不便，而且每個泵房均設(shè)置專人專崗進(jìn)行操作，這將嚴(yán)重影響井下主排水泵房的管理水平和經(jīng)濟(jì)效益的提高,生產(chǎn)效率低，為實(shí)現(xiàn)礦并排水系統(tǒng)的集中控制和管理，八一煤礦對中央泵房進(jìn)行自動化改造。

八一礦井原是一座全水力化采煤礦井，1958年建井，1963年投產(chǎn)，1970年經(jīng)過改擴(kuò)建建成生產(chǎn)能力75萬噸的礦井，于1992年底注銷生產(chǎn)能力，2007年政策性破產(chǎn)重組改名為八一煤電化公司。礦井井下涌水量較大，中央泵房設(shè)計(jì)安裝了6臺MD500-57×9主排水泵，配套電動機(jī)1050kW，3趟排水管路，三個水倉。正常涌水時，2臺工作，2臺備用，2臺檢修。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)及要求

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；達(dá)到節(jié)約能源和人力資源的功能，并能長時間連續(xù)穩(wěn)定地工作。

鑒于PLC的先進(jìn)性和可靠性，對中央泵房的6臺主排水泵及其附屬的抽真空系統(tǒng)與管道電動閥門（注：原為手動閥門）等裝置實(shí)施了PLC自動控制及運(yùn)行參數(shù)自動檢測，動態(tài)顯示，并將數(shù)據(jù)傳送到地面生產(chǎn)調(diào)度中心，進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測及報(bào)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6臺水泵運(yùn)行。系統(tǒng)通過觸摸屏以圖形、圖像、數(shù)據(jù)、文字等方式，直觀、形象、實(shí)時地反映系統(tǒng)工作狀態(tài)以及水倉水位、電機(jī)工作電流、電機(jī)溫度、軸承溫度、3趟排水管流量等參數(shù)，并通過通訊模塊與綜合監(jiān)測監(jiān)控主機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。該系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、操作方便、自動化程度高等特點(diǎn)，并可節(jié)省水泵的運(yùn)行費(fèi)用。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)組成

八一煤礦中央泵房井下主排水泵自動化控制系統(tǒng)，整個自動控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)自動采集、自動輪換工作、自動控制、動態(tài)顯示及故障記錄報(bào)警和通訊接口等5個部分組成。

圖1 八一煤電化公司泵房排水示意圖

圖2 PLC控制系統(tǒng)原理圖

3.2 自動控制

系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)選用了日本三菱公司FX2N-64型PLC為控制主機(jī)。該無人信守系統(tǒng)以水倉水位作為水泵的起停的基本條件，在此條件滿足的前提下，然后再根據(jù)均勻磨損的原則、電價(jià)避峰填谷的原則實(shí)現(xiàn)水泵的起停。該原理為：首先設(shè)定四個水位限值：H1、H2、H3、H4（H：實(shí)時水位 H1：超限水位H2：報(bào)警水位H3：啟動水位 H4停機(jī)水位），當(dāng)水位達(dá)到報(bào)警水位時，首先對電網(wǎng)的負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)測，若處于用電谷段或平段時，可以立即啟動；若處于用電峰段，則暫緩啟動。當(dāng)水位繼續(xù)上升至超限水位時，則不論電網(wǎng)負(fù)荷如何，必須立即啟動水泵。若水位繼續(xù)上升到超限水位時，則表明一臺水泵的排水量已不足以排除礦井出水，以礦井的最大排水能力來排除礦井涌水。不論投入幾臺水泵，水位必須下降到低限水位方可停泵。即當(dāng)PLC讀取的水倉水位值為H4時，表示水倉水位低于低限水位，水泵機(jī)組將不投入運(yùn)行；水位值≥H3，并且時間為電價(jià)谷段或者平段時間，一臺水泵機(jī)組投入運(yùn)行，如果為峰段時間，則等待水位上漲到H2時再投入一臺水泵機(jī)組運(yùn)行。當(dāng)一臺機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài)時水位仍然上漲到H1，則繼續(xù)投入一臺機(jī)組運(yùn)行，如果水位仍然上漲，則陸續(xù)投入所有水泵。機(jī)組運(yùn)行至水位下降到H4時，水泵機(jī)組限出運(yùn)行。

3.3 系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

3.3.1 PLC控制程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可按程序模塊分段調(diào)試，分段運(yùn)行。該程序結(jié)構(gòu)具有清晰、簡捷、易懂，便于模擬調(diào)試，運(yùn)行速度快等特點(diǎn)。

3.3.2 系統(tǒng)根據(jù)水位和壓力控制原則，自動實(shí)現(xiàn)水泵的輪換工作，延長了水泵的使用壽命。

3.3.3 系統(tǒng)可根據(jù)投入運(yùn)行泵組的位置，自動選擇啟動就近的真空泵，若在程序設(shè)定的時間內(nèi)達(dá)不到真空度，便自動啟動備用真空泵。

3.3.4 系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷和供電部門所規(guī)定的平段、谷段、峰段供電電價(jià)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，提高礦井的電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量。

3.3.5 PLC自動檢測水位信號，計(jì)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(yùn)行臺數(shù)，合理地調(diào)度水泵運(yùn)行。

3.3.6 在觸摸屏上動態(tài)監(jiān)控水泵及其附屬設(shè)備的運(yùn)行狀況，實(shí)時顯示水位、流量、壓力、溫度、電流、電壓等參數(shù)，超限報(bào)警，故障畫面自動彈出，故障點(diǎn)自動閃爍。具有故障記錄，歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

3.3.7 系統(tǒng)具有通訊接口功能，PLC可同時與觸摸屏及地面監(jiān)測監(jiān)控主機(jī)通訊，傳送數(shù)據(jù)，交換信息，實(shí)現(xiàn)遙測遙控功能。

3.3.8 系統(tǒng)保護(hù)功能有以下幾種：

超溫保護(hù)：水泵長期運(yùn)行，當(dāng)軸承溫度或定子溫度超出允許值時，通過溫度保護(hù)裝置及PLC實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警。

流量保護(hù)：當(dāng)水泵啟動后或正常運(yùn)行時，如流量達(dá)不到正常值，通過流量保護(hù)裝置使本臺水泵停車，自動轉(zhuǎn)換為啟動另一臺水泵。

電動機(jī)故障：利用PLC及觸摸屏監(jiān)視水泵電機(jī)過電流、漏電、低電壓等電氣故障，并參與控制。

電動閘閥故障：由電動機(jī)綜保監(jiān)視閘閥電機(jī)的過載、短路、漏電、斷相等故障，并參與水泵的聯(lián)鎖控制。

3.3.9 系統(tǒng)控制具有自動、半自動和手動檢修3種工作方式。自動時，由PLC檢測水位、壓力及有關(guān)信號，自動完成各泵組運(yùn)行，不需人工參與；半自動工作方式時，由工作人員選擇某臺或幾臺泵組投入，PLC自動完成已選泵組的啟停和監(jiān)控工作；手動檢修方式為故障檢修和手動試車時使用，當(dāng)某臺水泵及其附屬設(shè)備發(fā)生故障時，該泵組將自動退出運(yùn)行，不影響其它泵組正常運(yùn)行。PLC柜上設(shè)有該泵的禁止啟動按鈕，設(shè)備檢修時，可防止其他人員誤操作，以保證系統(tǒng)安全可靠。系統(tǒng)可隨時轉(zhuǎn)換為自動和半自動工作方式運(yùn)行。

4 結(jié)束語

該自動化系統(tǒng)完成了各種信號的采集，系統(tǒng)保護(hù)完備，工作流程準(zhǔn)確，減輕工人的負(fù)擔(dān)。實(shí)現(xiàn)無人值守，提高了泵房的安全掛、可靠性，同時節(jié)約了大量地電能，提升了泵房的現(xiàn)代化管理水平。

［1］何堃山.可編程序設(shè)計(jì)范例大全[M].同濟(jì)大學(xué)出版社，2010.

［2］莫正康.半導(dǎo)體變流技術(shù)[M].冶金工業(yè)出版社，2009.

［3］王順晃.智能控制系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［4］徐平.電控及自動化設(shè)備可靠性工程[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.