基于PLC的礦井主排水泵變頻調速系統設計

潘 越，張朋飛，左光宇，劉永生，龐懿元

（1.河北工程大學 機械與裝備工程學院，邯鄲056000；2.冀中能源峰峰集團有限公司，邯鄲 056000）

在煤炭開采過程中，地下水、地表水和雨雪水都有可能通過各種通道涌入礦井。對此，不僅要保證在正常涌水期間，把礦井內水倉的水排出礦井外，還要在最大涌水和搶險排水期間，能夠及時地把水倉礦水排出。因此，礦井排水系統對確保礦井安全生產，排水設備安全、可靠、經濟、合理地運行具有十分重要的意義[1-2]。

目前，我國多數礦井排水系統存在著可靠性差，水位檢測精度不高，不能遵循避峰填谷人原則運行，工業自動化水平較低等問題，無法實現水倉水位和涌水量的實時監測以及自動啟停水泵。另外，控制閥門的開度調節流量容易造成能源的較大浪費和“水錘效應”，無法滿足礦井排水控制要求[3-4]。在此，針對目前排水系統存在的問題，提出基于安全節能的礦井主排水泵變頻調速系統，對礦井安全高效的生產具有重要意義。

1 水泵變頻調速原理

1.1 變頻調速系統的基本特性

礦山排水系統中最重要的設備是離心泵。在一定速度下離心泵的排水特性曲線如圖1所示。由圖可見，流量小時揚程比較高，隨著流量的增加而揚程逐漸下降。流量-揚程特性曲線反映了離心泵流量Q與揚程H具有反比的關系。

圖1 離心泵的排水特性曲線Fig.1 Drainage characteristic curve of centrifugal pump

管阻特性曲線是流體在管路中的能量和隨流量而變化的關系曲線，其變化規律是管阻損失隨著流量的增加而增加。2條曲線的交點A為整個礦井主排泵變頻調速系統的平衡點。此時，礦井排水系統同時滿足泵的揚程特性和管道阻力特性，使排水系統平穩運行。

1.2 變頻供水系統的能耗分析

在礦井排水系統中，常用閥門控制法和調速控制法來調節流量。通過控制閥門的開度來調節流量不會改變水泵的速度，但會改變管道阻力的大小。由于水倉的水位一直在變化，如果閥門開度保持恒定，就會導致過壓或欠壓的現象。調速控制方式是通過變頻器電動機變頻調速控制水泵的速度來調節流量。其實質是通過改變水的動能來調節流量，優點是閥門開度恒定，揚程特性曲線將隨著流量大小而變化，但管阻特性曲線不變。

當采用閥門控制方式時，水泵工作曲線如圖2所示。在水倉水位高時，假設水泵運行平衡點為點A，此時平衡點的流量為Q1，揚程為H1；當水倉水位低時，水泵的排水量減小到Q2時，減小閥門開度會導致管道阻力增大，管阻特性曲線由α3變為α1，而揚程特性曲線保持不變。此時揚程從H1增加到H2，平衡點由A點變到B點，此時可用矩形OQ2BH2的面積表示水泵輸出功率，即

式中：η為水泵的效率；k為常數。

圖2 采用閥門控制方式的水泵工作曲線Fig.2 Working curve of water pump with valve control

采用變頻調速控制方式時，為了保持水倉水位在一定范圍內，通過調節水泵轉速，揚程特性曲線由n1變為n2，平衡點移到C點。此時用OQ2BH1的面積表示輸出功率，有

與閥門控制法相比較，采用變頻調速調節流量，可以節約的輸出功率為

通過計算可得，當使用閥門控制法調節流量時，電機速度恒定，所以排水功率保持不變，將會浪費功率ΔP，并且隨著流量減小管道阻力增加，最終導致損耗進一步增加。當水泵變頻調速時，功率隨著電動機的轉速降低而降低，變頻調速方法的節能效果更顯著[5-6]。

2 系統總體設計方案

基于PLC的礦井主排水泵變頻調速系統由3臺水泵機組、PLC、變頻器、超聲波液位儀、上位機及限位器組成。PLC和變頻器是控制系統的核心單元。變頻器采用一拖二控制方式，即1臺變頻器控制，2臺水泵變頻調速，第3臺水泵備用。在礦井水倉中安裝4個水位限制器，利用超聲波液位傳感器檢測水位高度，根據系統設定的水位高度范圍來對實際的水位高度進行調節，并將水池的水位的高度模擬量輸入PLC，將模擬信號A/D轉換變成0～10 V的電信號輸入到變頻器的模擬輸入端，從而改變變頻器的輸出頻率，控制電動機帶動離心泵的轉速，實現了水倉水位在安全范圍內控制的目的。上位機通過以太網與PLC建立通信，對整個控制系統進行界面監控，并實時顯示水泵參數。該系統構成如圖3所示。

圖3 變頻器排水系統的組成Fig.3 Composition of frequency converter drainage system

3 系統硬件設計

3.1 PLC選型設計

變頻器排水系統采用SIMATIC S7-200，控制模塊為CPU226。通過PLC設計主程序、子程序、中斷程序可以完成系統的數字量控制和報警中斷等功能。PLC通過以太網連接通信模塊與上位機建立通信，并通過RS485通訊接口與變頻器建立通信。系統的數字量輸入信號包括液位開關信號、水泵電機開關信號、控制模式選擇信號；模擬量輸入信號包括水池液位信號、超聲波液位儀、水泵排水壓力、水泵入口真空度等信號；數字量輸出信號包括電機的開關信號、警鈴開關信號、運行指示燈。礦井主排水泵變頻調速系統設計結構框圖如圖4所示。

圖4 控制系統的結構框圖Fig.4 Control system structure block diagram

3.2 EM235模擬量擴展模塊

該系統檢測的模擬量有4個，PLC選擇了EM235模塊。該模塊有4個Al口，1個AQ口。通過水倉水位超聲波傳感器輸出的信號是0～10 V，可對EM235 DIP開關進行設置用來選擇模擬量輸入量程和精度。

3.3 變頻器參數的設定

為使主排水泵變頻調速，必須對變頻器參數進行正確的選擇和設定。該系統選擇西門子MM420型變頻器。首先對變頻器進行快速調試，設置參數P0010=1進入快速調試過程，可以完成變頻器主要參數的設置；根據電動機的額定功率、轉速和電流電壓進行變頻器參數設定；設置參數代號選擇電機最低和最高工作頻率，選擇加速、減速時間，選擇外部數字端子控制，選擇過流電流方式，選擇斷電重啟模式，等。

3.4 上位機界面設計

該系統采用WINCC組態軟件編寫，為了實現對系統的在線監控，上位機設計了3個監控界面：主監控界面、數據查詢界面、報警查詢監控界面。

①主監控界面搭建系統組態框架，實時顯示水倉水位高度、水泵出口壓力、流量大小、真空度等相關參數。

②數據查詢界面包括實時數據查詢和歷史數據查詢，實時記錄并顯示各泵組運行情況及相關參數。

③報警查詢監控界面設計電機故障、水泵機組故障、排水管路故障等報警指示燈，一旦出現故障對系統進行中斷處理。

3.5 主電路

該系統的主電路結構如圖5所示。選用MM420變頻器和 S7-200 PLC，作為基于PLC的礦井主排水泵變頻調速系統的核心部分。圖中，M1，M2，M3為電動機；FR1，FR2為熱繼電器，起保護電路的作用；KM1和KM3為接通接觸器，可以使電機M1和M2在工頻下工作；KM2和KM4為接通接觸器，可以使電機M1和M2在變頻下工作，實現電機變頻與工頻工作的切換；KM5為接觸器，控制M3的工頻運行，用于緊急排水或者檢修設備時備用排水。

4 系統軟件設計

圖5 礦井主排水泵變頻調速系統的主電路結構Fig.5 Main circuit structure of variable frequency speed regulating system for mine main drainage pump

該系統共有3臺離心泵：2臺主泵，另1臺水泵備用；2臺電動機變頻調速，1臺變頻器拖動。根據水倉水位來決定和工作水泵的數量。當應急排水時，啟動工頻備用泵加強排水能力。系統的控制流程如6所示。

圖6 控制流程Fig.6 Control flow chart

基于PLC的礦井主排水泵變頻調速系統設計應該實現以下功能：

（1）“避峰就谷”策略。

根據電費價格及用電量，利用PLC合理設定水泵機組的啟動。用電高峰期，充分利用水倉的有效容積，減少啟動水泵的數量；在用電低峰期，對水倉中的水集中排水，使其達到最低點。

（2）礦井水倉水位保持在一定范圍內。

水位高于上限水位時，變頻器輸出頻率升高，電動機轉速加快，水泵排水量增加；當水位高于上極限水位時，電機 M1頻率達到50 Hz并切換至工頻恒速運行，同時啟動電機M2進行變頻調速，增加水倉水位排水量。反之，頻率降低，電動機轉速減小，水位上升，最終達到水倉水位保持在一定的范圍內。

（3）系統具有手動和自動工作模式。

開關可以選擇系統的控制方式。在手動工作模式下，礦井排水系統的3個水泵均可獨立工頻工作，適合應急排水。手動操作可以進行故障檢修，解除互鎖關系對單獨水泵進行調試。礦井主排水泵變頻調速系統一般在自動操作模式下正常運行，根據PLC所檢測到的水倉水位高度，自動完成水泵機組的調速變頻控制和工頻切換。

5 應用實例

基于PLC的礦井主排水泵變頻調速系統設計原理，對邯鄲某礦的水泵房進行了改造，并在水泵組中安裝計電表，用于統計在1個月內3臺泵在1天中不同時段內自動化排水耗電量。改造前和改造后計電表分別累計1個月的耗電量見表1。

表1 改造前、改造后各一個月耗電量Tab.1 Power consumption before and after the transformation

礦井排水系統水泵房改造后，在基于PLC主排水泵變頻調速設計的基礎上，運用避峰就谷的原則進行自動化排水，1個月的時間可節省用電12%。

6 結語

目前，基于PLC的礦井主排水泵變頻調速系統已經在邯鄲某礦井下安裝使用。現場的實際運行效果表明，運用避峰填谷原則對PLC程序合理設計，并改進原有排水系統，實現了水倉水位的實時監測和控制；變頻器技術對礦井主排水泵變頻調速，從而減小排水設備的耗電量；上位機可實現遠程監控，實時顯示參數，故障報警等，對礦井安全運行有重要意義。基于PLC的礦井主排水泵變頻調速系統保證順利開采煤炭資源中已經發揮非常重要作用。