主排水泵房自動控制系統研究與應用

李向陽

摘 要：針對目前煤礦井下主排水系統仍多采用繼電器控制，水泵的開停及選擇切換均由人工完成，隨著礦井自動化建設平臺的搭建，我礦主排水實施了自動化改造，實現了井下排水無人操作、自動排水，同時兼備遠程操作和監控功能，并根據避峰就谷的原則達到節能降耗的目的。

關鍵詞：排水自動化；遠程控制；節能降耗

中圖分類號：TD744 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）01-0047-01

1 主排水系統現狀

二礦現有-130泵房、-280泵房、-450泵房、-700泵房4個主排水泵房。此前，除了-130泵房、-280泵房能夠基本實現水泵集中控制之外，-450泵房、-700泵房由于建設較晚，尚未實現水泵的集中控制。-2015年6月，經過前期的充分論證后，二礦開始對井下主排水泵房進行改造，構建主排水泵房自動控制系統。改造前，-130泵房、-280泵房已能夠實現自動化排水，-450泵房和-700泵房由于建設較晚尚未實現泵房的自動化控制。此次改造主要是在-450泵房和-700泵房安裝水泵集控設備，完善-130泵房、-280泵房的原有水泵集控系統，從而建立一個統一集中控制平臺，實現井下主排水泵房的自動化控制，為礦井的安全高產高效奠定基礎。

2 設計原理

二礦主排水集控系統充分利用先進的PLC控制、傳感器監測、信號處理、網絡傳輸等技術，實現井下水泵排水系統的安全生產調度指揮的計算機化和網絡化。以“建設三層網絡結構體系”和“實現管控一體化”為目標，建立對水泵排水系統的監測、控制、管理一體化的、基于網絡的大型開放式分布控制系統，形成井下水泵排水系統各環節的過程控制自動化、數據分析智能化，將井下水泵的數據監測、控制方式從原先的井下集中于調度指揮集控中心，通過對井下水泵排水系統進行自動化建設，實現集中控制、集中調度、集中指揮[1]。

3 創新點

（1）實現對水泵運行狀況的實時監測。系統具備強大的數據處理能力，能夠實時動態模擬顯示主排水系統的整體運行狀態，如：排水壓力、排水流量、水泵真空度、閥門開度等。可實時顯示各設備的故障信息，能夠盡量避免因操作失誤而導致的設備損壞。且當故障發生后，系統能夠自動切除故障，并按故障級別分別發出相應報警，將故障影響時間縮短到最小，大大提升主排水系統運行的安全性。（2）實現對水泵開停的集中控制，具備多種開泵方式。每臺水泵具有“就地手動控制、就地自動控制、就地閉鎖、遠程手動、遠程自動、遠程全自動控制”多種工作方式。即能夠實現水泵地面集中控制、水泵的自主自動化開停控制、水泵現場的手動控制、水泵現場自動狀態下的控制，具有較高的可靠性。（3）具有較強的組網能力。系統采用西門子PLC，控制能力強、靈活度高且具有較好的可擴展性。系統采用分布式網絡結構，可以方便地滿足各種應用類型和應用規模的需要，不但可以滿足當前系統應用的需要，還可以在將來需要的時候隨時方便地擴展系統規模。上位機組態軟件提供了標準的OPC開放接口，易于實現數據共享，方便日后接入礦井綜合自動化系統。系統具備現場參數整定功能，用戶可以根據現場實際情況修改參數：如警戒水位、排水壓力閾值、射流水壓力閾值、峰谷電價時間、射流閥與真空閥的啟動間隔時間、水泵開度與水泵啟動開停時間等參數，具有較好的現場適應性與先進性[2]。

4 系統設計

4.1 系統組成

（1）地面自動化控制中心。地面監控站設置在集中控制中心，通過工作站對井下泵房相關設施進行集控和監視。主要設備、設施包括工作站、顯示器、不間斷電源、語音報警裝置等。（2）數據傳輸線路。單泵、現場操控及顯示裝置與主控設備之間通過現場總線完成實時數據雙向傳輸。主控設備與礦井機房及調度中心通過環網或光纜實現系統實時數據雙向傳輸。（3）泵房監控單元。泵房監控單元由礦用隔爆兼本安型監控分站、信號采集裝置、傳感器等組成，主控制站作為井下控制部分的通信核心，完成分站監控信息與地面控制中心的監控信息交互傳遞。同時，通過在現場的操作顯示屏，為井下巡檢人員提供整個系統的運行情況。

4.2 系統結構

（1）系統結構；（2）數據采集與檢測。系統采集與檢測數據：模擬量為電機電流、電機溫度、水泵軸溫、閘閥開度、出水口壓力、水倉水位、排水管流量、真空度；數字量有：電動閘閥的開關限位、電磁閥狀態、電機運行返回、電機故障點、電動閥的工作狀態與開關限位、射流泵工作狀態。

4.3 KXJ660礦用隔爆兼本安型可編程控制器

礦用隔爆兼本安型可編程控制器是一種新型的監控設備，可用于煤礦井下有瓦斯煤塵爆炸危險的場所，作為各種設備的自動監測、控制裝置，也可作為冶金礦山、露天煤礦、港口碼頭、選煤廠、發電廠等惡劣環境中的監測控制裝置。利用本產品可以通過開關量輸入接口、模擬量輸入接口將現場不同用途的開關量信號和傳感器的模擬量信號取入，經過可編程可編程控制器內部程序的處理和邏輯運算，將控制信息用開關量輸出接口輸出，控制現場設備的開停，同時將必要的監測數據傳送給上位機[3]。

性能指標：（1）額定輸入電壓：AC660/127V；輸入功率：不大于100VA；（2）本安開關量輸入：16路接點型開關量信號輸入；（3）開關量輸出（非本安）：16路接點型開關量信號輸出；（4）本安模擬量輸入：8路電流信號輸入；（5）按鈕：5個鍵，分別對應啟動、停止，3個備用；（6）指示燈：6個指示燈，分別對應啟動指示燈、停止指示燈，4個備用。

4.4 自動控制功能

系統根據工況設定，以及時間、水位、煤礦用電負荷等參數自動開啟、停止水泵的運轉、并能實現泵閥的聯鎖起動，對運行中的各種參數進行實時控制，通過接口向上傳送數據。

5 社會經濟效益

二礦主排水集控系統綜合利用計算機、網絡、PLC控制技術，實現了井下水泵排水系統的集中控制和集中指揮，同時結合傳感器檢測和數據分析加強了系統的安全穩定運行，系統的投運使井下水泵排水系統的各環節的聯系得到加強，做到信息數據，業務流程，控制系統相互協調、相互融合，實現了指揮與調度的數字化管理，實時觀看與生產有關的各種信息，同時針對上位機數據的采集、存儲和分析處理，為分析及決策指揮提供實時和可靠的手段，系統在提高系統安全可靠性及運行效率，降低工人勞動強度，提升礦井排水保障能力等方面效果明顯。

-130、-280、-450、-700四個水泵房都已實現無人值守，啟停水泵可由地面人員統一操作。按照井下各水泵房三班工作制來算，每個水泵房每班可以節省2個人的工資支出，共計8人，按照井下輔助工年平均工資3500元計算，每月可節省支出：8×3×3500=84000元。每年可節省支出：12×84000=1008000元。地面控制室可以很直觀的看到各個水倉的水位，實行“避峰填谷”，調度各水泵在用電的“谷段”和“平段”時間段，將水倉的水位排至設定的低位，以便水倉能夠騰出盡可能大的容積，使其在“峰段”容納更多的礦井涌水而不用啟動水泵，降低用電量。按照一個泵房水泵房開1臺泵，泵的功率710kw，峰谷差價0.869元，平均開泵180分鐘計算：每天可節約電費：710×0.869×3×4=7403.88元。年節約電費7403.88×365=2702416.2元。每年總共節省支出：1008000+2702416.2=3710416.2元。

參考文獻

[1]晁勤，傅成華，王軍，等.自動化控制原理（第三版）[M].重慶大學出版社，2010.

[2]戴緒愚，張開遜，等.現代高科技叢書——自動化技術[M].上海科技出版社，1994.

[3]王萬良.自動控制原理[M].機械工業出版社，2009.endprint