礦井泵房電控系統的自動化改造設計

孫迎濤

(河南平煤神馬電氣股份有限公司，河南 平頂山 467000)

0 引言

當前，我國開始實施產業升級，逐漸淘汰落后產能以實現節能減排的要求，煤礦企業為了響應國家號召，紛紛對煤礦開采過程進行了自動化改造，井下排水設備是保證煤礦正常開采的重要設備?，F在，有些企業主排水系統主要采用繼電器控制，相應的電氣控制采用硬件連接，對應的繼電器采用機械觸點實現邏輯的控制。此方式不僅消耗大量的電能，而且魯棒性比較差。與此同時，系統在控制方面很不靈活，相應的定時精度不準確。以上問題大大影響了井下排水泵房的工作效率，為此需要對設備進行有效的改進。

隨著網絡技術的不斷發展，PLC控制技術在煤礦行業得到了廣泛的應用，其中在井下水位監測以及流量監測等方面應用比較廣泛，其能夠極大地優化井下作業的自動化控制。筆者針對河南省某礦的實際情況，對井下泵房進行PLC優化改造設計，極大地優化了系統的可靠性，提升了煤礦開采的自動化水平，節省了大量的人力物力，達到了減員增效的目的。

1 改造概況

該煤礦目前年產量可達到200萬t左右。由于井下工況環境復雜，井下涌水量相對較大，設置有主水倉以及備用水倉，數量各1個，相應的單倉容量為1 000 m3，主排水泵4臺，揚程可以到達650 hm，流量為300 m3/h，并且設置備用泵1臺，水泵的吸水方式為真空吸水，可以借助主管道排放至地面。目前此煤礦排水主要是使用繼電器控制，工作人員對水泵的運行進行監測，因此對操作人員的技術具有較高的要求，同時存在諸多問題。

經過深度調研發現，在對煤礦進行改造的過程中，必須秉持資源循環利用、節省經費以及系統避繁就簡的理念。在參考國內外的成功經驗之后，該系統的控制核心選用西門子S71200PLC，進而對水泵電控系統進行合理優化，依據PLC控制臺作為核心，實現如下幾個功能：集成監測，保護，執行動作，數據鏈等，這樣可以實現遠程控制。

2 PLC控制設計

2.1 硬件設計

通常把PLC控制柜設置在井下變電所，顯示器是由顯T屏、狀態指T燈構成，其中機箱中包括如下幾個單元：I/O接口電路、UPS電源、配電開關線路、接線端子等。其中所選的1200系列可編程控制器包括如下幾個單元：CPU、開關量單元、模擬量單元、通信單元。

CPU集成數據存儲器以及各個數據接口都能和擴展單元實現通信。在總控箱內設置有CPU，各個單元通?？梢越柚惭b在水泵監測端子實現參數的上傳，這樣可以統一在調度中心實現數據的儲存。通常，PLC可以借助TCP/IP接口實現與工控機以及相應的操作屏之間的信息輸送，開關量能夠對設備的工作情況進行采集，而相應的模擬量輸入單元能夠檢測如下參數：溫度、電壓、壓力等，同時數據通過數模轉換，經數據傳輸給CPU。

開關量輸入單元可以把開關信號變成能夠被PLC識別的電信號。該單元可以把傳感器應激產生的電信號，經過補償電路處理以及相應的A/D轉換，把數字信號傳輸給CPU。

2.2 軟件設計

依據系統進行設計，可以依據不同的水位點設置對應的水倉水位，在水倉內設置的水位傳感器能夠有效地發出水泵用水量的信號，這樣能夠自動實現水泵上水，同時能夠發出水泵啟停以及待機的指令。與此同時，必須重點關注每個水位上升的速率，當采集到的上升水位的速率之后，將數據傳輸到系統數據庫中進行保存，在經過和當地水文數據進行比較與判斷，這樣才可以正確地啟動水泵。

對于程序循環采用“避峰填谷”的方式，可以把用電高峰與用電低峰的時間存放在儲存器中。假如處于不用的供電狀態下，可以選用2個不同的控制流程，當具有安全性的條件下，對水泵電控系統進行有效的配置，這樣能夠較好地實現節能效果。排水泵電控流程首先是開始進行自檢，若自檢正常同時水位快速上升，判斷是否處于用電峰段，若處于用電峰段，這時會暫不啟動強排水泵，若不是用電峰段，這時會迅速啟動強排水泵，若自檢不正常，這時會出現報錯，應進行記錄，并努力查找，排除故障。

當系統處于啟動時，首先開始實現自檢，當不存在錯誤時，

可以進行下一步操作。若出現錯誤，那么將出現報警信號，這樣可以讓技術人員進行處理。其次，對水位上升速率指標進行檢測。假如未出現上述情況，此時系統將會把當前時間和緩沖器中的時間進行比較，進而判斷是否處于用電高峰期，其他情況以此類推。

假如系統用電處于高峰期，為了能夠有效地避免不必要的用電負荷消耗，可以對水泵用電設置節能延退控制。假如監測到水位處于正常狀態，就暫時不啟動水泵；假如水位超過設置值，可啟動水泵。與此同時，需要觀察水位上升的速率，假如水位上升速率比較大，那么需要啟動備用水泵；當處于供電低估狀態，而相應的檢測到水位超過設定值，那么可以啟動當前排水泵。當水位達到預警水位時，可以啟動備用水泵；假如在開啟備用水泵之后，水位上升依舊比較快，就需要啟動所有的水泵。

2.3 其他功能

當程序處于正常的工作狀態時，必須把水泵的運行時間以及對應的啟動次數參數保存在儲存器中。當需要啟動水泵時，系統需要優先篩選近期未啟動的水泵，與此同時啟動水泵后，需要刷新水泵時鐘儲存器，同時把運行參數傳輸給服務器。這樣能夠有效地保護水泵，防止其因較長時間的運行而出現磨損。

此外，電控系統還設置了自我保護以及報警功能。其中主要包括如下幾個方面：水泵電機狀態、水泵入水口壓力、出水口壓力、水泵軸溫、閥閘開閉狀態等。①借助傳感器對水泵電機負載進行有效檢測。②通過入水出水口的壓力監測，來確保水泵不發生欠壓現象。③借助反饋的閥閘開關信號來判斷射流泵以及出水閥是否能夠正確打開。在系統進行自檢時應該包括如下幾個方面：過載報警、無反饋報警、超溫報警。當出現報警時，可以進行及時地維修。

3 結語

筆者基于河南某礦，對井下排水泵電控系統進行自動化改進。描述了PLC設計的思路，介紹點數分配等硬件設計，同時提出該電路應選用 “峰填谷”電控方式。通過改造設計，本礦已經實現對水泵的自動化改造，實現水泵的無人操作。經過統計每年可以給該煤礦節省人力成本約20萬元，相應的檢測費用節省近40萬元。經過對水泵運行情況進行改進，每年泵房綜合耗能減少約20%。經過工程實踐發現，改進之后的水泵電控系統穩定可靠，給該煤礦帶來了較大的經濟效益。