井下排水自動系統設計

吳義虎

1 概述

1.1 井下排水自動化系統的重要性

排水系統作為礦山生產的八大系統之一是我們礦山企業安全生產的有力保障。目前國內的礦山井下排水系統的自動化水平還不是很高，制約著礦山生產的安全性和高效性。本文提及的礦井泵房PLC自動化系統能解決這些突出存在的問題。

2011年來由發改委、電監會聯合出臺的《電力需求側管理辦法》，對用電企業采取分時計價繳納電費，其中峰谷用電價差明顯。根據不完全統計，井下排水所需要的用電量占礦山在生產中的總電能耗的17.9%-42.8%。因此，面對資源品質不高的礦山企業，井下排水系統的成本效益也逐漸引起了廣泛關注。

傳統排水系統選擇的井下水泵能耗高，啟動頻繁，選型的水泵在啟動前吸水管路的充水，通常采用是抽真空吸水的方法來實現的。而且大多數都采用老式繼電器的控制方法，在實際操作過程中工作人員需要目視信號判斷檢測后，再啟停排水系統。選用此類控制方式線路設計相對比較復雜，設備運行的可靠性也不高，工人操作較繁瑣，對設備的磨損和能耗都影響很大，不適應礦山發展的需要。

本設計選用西門子S7-300系列PLC以及水位、壓力、流量等傳感器來實現井下自動排水控制，可根據井下水量大小以及“避峰就谷”原則來選擇開動水泵的臺數，達到節約能源和減少排水成本的目的。為了確保井下排水的安全性和穩定性，設計選擇主、備雙排水設計，其中排水泵和排水管線均采用“自動輪換”機制，避免了設備磨損和井下環境潮濕等因素對系統的影響，來實現系統所需要的控制功能。

1.2 現場基本情況

2 礦井下排水系統組成概況

2.1 離心式水泵工作原理

井下排水系統使用的水泵種類繁多，我們設計選用普通的離心排水泵，此類水泵主要由起動設備、電動機、離心式水泵、管路、管路附件及監測儀表等組成。如圖1所示。

2.2 離心式水泵的啟停過程

2.2.1 離心式水泵的啟動過程

系統先通過水位傳感器監測到水倉水位高度，當水位到達設定值時，PLC將發送數字開信號給射流泵電磁閥，通過射流泵為離心泵泵體注水。當水泵入口處的真空變化時，配水設施中的水會注入到離心水泵的腔體中直至注滿，當水泵入口處的真空度達到要求后，接通水泵機組中的電動機觸點來開啟水泵。電機啟動后，水泵出口壓力會慢慢增加。當達到某一數值后將不再增加，在滿足預先設定的壓力值后，為水泵開啟其出口處的電動閥門，水泵機組于是進行排水。同時，關閉射流泵，停止為其引水。

2.2.2 離心式水泵的停機過程

水倉在水泵排水的作用下水位逐漸下降，當達到設定水位時，先關閉排水管的閘閥，防止排水管中井水倒流，隨即關閉水泵電機，并停止其他排水工作。

3 系統硬件設計

3.1 可編程控制技術

3.1.1 PLC的主要特點

1）PLC（ Programmable Logic Controller）即可編程邏輯控制器特點

（1）靈活，通用。

（2）抗干擾，運行可靠性高。

（3）編程簡單，使用方便。

（4）接線簡單。PLC只需將數字、模擬輸入輸出設備與其相應端子聯接接線，工作量較小。

（5）功能強大。

2）PLC的主要功能

PLC是現今應用面最廣的自動化控制設備之一。PLC技術發展非常迅速，其在自動化領域和計算機集成制造過程中都占有極高的地位。如今PLC的系列功能，不僅是替代傳統的繼電器邏輯功能，還包括了一些復雜的順序控制和邏輯運算。

3.1.2 PLC的基本工作原理

PLC運行工作時，內部需要進行系列的驗證和運算操作，過程大致分為四種類型：其中公共操作包括以故障診斷、通信處理為主，聯系工業現場的數字模擬信號的輸入和輸出操作，執行各用戶已經設定的程序操作，以及對外部設備的中間操作，例如：外部設備的中斷請求。控制過程示意圖如圖2所示。

3.2 PLC控制系統總體設計

系統由現場檢測儀表、觸摸裝置、可編程控制器及其輸入輸出模塊和執行設備等部分組成，其工作結構連接如圖3所示。

3.2.1 控制系統的輸入/輸出點數統計

通過粗略統計，該系統需要添加模擬量輸入通道需要49路，數字輸出34路，數字輸入50路，分配情況見表1，表2，表3。

3.3 軟件流程圖

從現場實際情況和系統設計功能分析，系統的軟件流程圖繪制如圖4：

從上圖4中可以看到，在系統通電啟動后，首先PLC與觸摸裝置和上位機通訊，然后系統進行現場設備的模擬量數值和數字量分析，開始系統自檢與門處理程序。在現場控制柜上的切換旋鈕選擇遠程自動、就地自動和手動三種運行方式來進行相應操作。如果控制旋鈕切換到PLC遠程自動運行方式，則PLC按程序制定的流程順序執行。程序將自動完成排水工作以及自動輪換，如遇故障，系統報警并停止。控制旋鈕切換至半自動運行方式，那么操作人員此時可以在觸摸屏上選擇水泵投入工作，PLC則按照水泵的序號自動完成啟動，運行和停止。切換按鈕切換至手動方式，則PLC不參與過程控制，由操作人員手動逐一操作整個系統的設備運行。

4 結束語

經濟效益：礦山井下自動排水系統，有效地解決了礦山人員和電力投入費用，達到了減員增效和節能降耗的目的。“避峰擇谷”分時開停泵實現了經濟運行，每年節省的電費也很可觀，經濟效益尤為顯著。

社會效益：

1）井下排水泵房基本做到了無人值守運行，保障了井下職工的人身安全和勞動效率。

2）自動化的應用也大大提升了現代化礦山信息化管理的水平。

[責任編輯：朱麗娜]