主排水泵集控系统应用分析

肖大军，杨 波

（陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 黄陵 727300）

黄陵二矿经过数字化矿山一期工程的建设，在2011年底已实现调度指挥、井下各生产系统自动化控制，数字化矿山已初具规模。

数字化矿山一期工程主要完成了以下七大部分的建设：①工业以太网系统建设；②一体化监控平台系统建设；③自动化监测控制各子系统改造和接入的建设；④视频监控及大屏幕显示系统的建设；⑤调度通信系统改造的建设；⑥应急广播通信系统的建设；⑦调度中心机房的建设。

1 工程概况

1.1 工程背景

黄陵二矿一期工程已建成并正常使用两年多，随着矿井的延伸、北一二盘区的建设，一些新建的子系统没有实现自动化集控，无法实时监控其生产运行状态和各种监控信息，无法实现统一的监测与监控。同时，运行三年多的数字化矿山一体化监控平台软件也需要进行升级完善。

1.2 泵房操作现状

启动水泵：现场人员打开总射流阀、分射流阀，开始抽真空；凭经验认为具备开泵的条件后，到配电柜合闸，给电机上电，启动电机、水泵；当水泵运行一段时间后，达到排水压力后，手动打开闸阀，选择排水管路，进行排水。

停止水泵：停泵前，手动关掉排水阀，关掉电机，停止水泵排水。

总之，现三个水泵房没有实现自动化集控，操作过程繁琐、劳动强度大，给水泵房系统的集中管理调度带来困难。

而三个水泵房远程控制系统改造后，可以完全实现矿井排水自动化控制和地面远程集控。能够有效的提高水泵有效利用率，减少看护人员、延长水泵电机使用寿命，减少事故停机时间，提高排水能力。从而大大提高井下作业的安全生产系数、降低生产成本。实现减员增效，基本达到无人值守的效果，实现在调度中心的远程集控功能。

1.3 系统功能

该系统采用以AB公司AB-5000系列PLC-CPU：1756-L61为核心的矿用隔爆兼本安型PLC矿井井底泵房重要控制中心为控制箱，利用高精度传感器、电动执行设备、系统保护装置等监控矿井井下的不同设备的运行情况，同时矿井井下的排水系统得到智能化控制，基于PLC控制的矿井井下水泵排水系统的多种功能充分发挥出来，为矿山生产节约了成本支出，同时到达了安全高效生产目标。

（1）系统运行的控制方法可根据实际情况进行挑选，控制方法可分为就地检修、远程控制、就地自动控制、无人监管等。

（2）矿井井下的各运行水泵使用检修、运行、备用等方式，有效地提升矿井井下水泵泵房的运行效率。

（3）矿井井下水泵房供排水系统检测测试较为全面，对井下出水压力、水泵轴温度、水仓水位、真空度、闸阀运行情况、电机轴承温度、进水出水流量等都可进行检测。

图1 二号风井井底水泵房供排水系统图

（4）系统中设置了多重保护功能，若矿井井下水泵发生开关故障、泵体压力不足、泵体温度持续升高、供排水的流量不达标等状况时，经过系统判断后会自动终止设备运转。

（5）具有历史数据、历史曲线查询、显示功能。

（6）接口类型丰富，配置有以太网及RS485通讯接口，易与电力监测系统、全矿井自动化系统联网。要求高压开关柜提供RS485通讯接口及标准的MODBUSRTU协议。

表1 绝缘电阻及工频耐压

2 方案设计

2.1 总体概述

（1）先进性：系统为当今工业控制系统的领先产品，控制分站是目前我国现存较为先进的隔爆兼本安型控制装置。井底水泵房供水全过程监控可通过控制系统达到要求，对运行设备工作信息进行实时采集和监测，同时能够对所收集的数据信息进行筛选并传输至综合控制系统中。

（2）可靠性：控制设备具有设备发生故障自动排查，单套泵组有专用控制，单套控制设备故障自动屏蔽，不影响其他泵组的正常工作。

系统软件接口使用通用的接口，传输较为稳定。

（3）系统内的软件和硬件有足够的可扩展量，可为系统的升级优化提供保障。

2.2 管网射流系统设计方案

射流系统改造：抽真空系统是水泵自动控制系统的关键环节，将直接影响水泵是否能够正常开启，射流泵抽真空吸上引水方式只要控制射流泵注水或注气管道阀门及真空管道阀门即可实现抽真空过程的自动控制。

2.3 控制系统配置及组成

水泵集控系统包括：防爆PLC箱、液晶显示屏、本安操作台、接线盒、球阀和传感器等。

在水泵房配置1台本安操作台，内置一台液晶显示屏完成对整个水泵系统的集中控制和开关、模拟量参数的实时显示。水泵就近位置配置2台防爆PLC控制箱，以控制电动球阀、台泵电动闸阀及水泵的运行电机，基于PLC的防爆控制箱设有输入和输出位置，也增设了模拟量、数字量模块的输入输出位置，更加利于水泵集控系统的容量扩充。同时，防爆PLC还可对各泵的设备进行就地自动控制。

每台泵配置1台负压传感器监测真空度、1台正压传感器监测出水压力、2台外壳温度传感器检测水泵轴承两端温度。2个水仓各配置1台水位传感器。

2.3.1 防爆PLC箱

运行控制系统的重要组成部分，控制核心编码为1756-L61，可以有效监测水泵阀门的状态。中间继电器、电路、可编程控制器等部件共同构成了防爆PLC箱，经过系统运算，筛选通过系统发出的多个控制信号，以达到监测水泵的运转情况，达到无人值守的目标。

在以太网模块的协助下防爆PLC箱的功能得到充分发挥，矿井井下水泵监控系统中的相关信息实现了内网信息共享，能够接收到远程控制信号。

2.3.2 本安操作台

本安操作台是人进行操作的工作台面，包括水泵、闸阀、球阀的状态显示，人工操作的按钮等相关控制设备。

2.3.3 液晶显示屏

液晶显示屏可为用户提供方便、完美的人机交互界面，并以动态方式实时显示设备的各种参数及状态信息。

2.3.4 现场设备及传感器部分

现场设备及传感器包括按钮盒、接线盒、传感器、闸阀、球阀等组成。

阀门就地控制箱安装于现场每台水泵旁，用于阀门的就地操作控制。

接线盒用于将现场的温度、压力、流量等信号汇总到箱内进行转接到PLC柜。

传感器包括水位计、压力传感器、负压传感器、电机温度、流量计等，所检测的参数主要有：水仓水位、水泵进水管真空度、水泵出水口压力及排水的瞬时流量等。

表2 四盘区水泵房设备清单

2.4 控制系统功能

本文研究的控制系统适用于矿井井下水泵房的控制作业，增设矿井井下水泵泵房控制模块，以方便收集水泵运行全过程信号，依据控制系统的工作流程，严格管控球阀和闸阀的运行情况，随时监测水泵房的工作状况。

充分发挥出集中控制器的作用，监测矿井井下的水泵主要运行设备的启停工况。所用的监控方式主要有三种，即自动检修、自动控制、手动控制等方式。

自动控制：水泵设备在自动控制的模式下，触摸屏内的各功能键可以对全部设备进行控制，同时可以清晰的显示出闸阀、球阀的工作状况或处于故障状态。通过PLC控制设备运行的数据信号得到有效采集。而集中控制根据设备运行流程及闭锁控制矿井井下水泵的开关。水泵水仓的所处水位的检测可以通过传感器获取到相关数据，找出影响水仓水位的相关因素，科学调节水泵的开关阀门，当水仓水位正处于规定范围内时，多台水泵可以进行轮换作业，涌水量超过规定范围时，自动控制系统发出报警信号，备用水泵接替主水泵进行工作。

手动控制方式：作业人员依据水仓水位的具体水位值，人工开启、关闭水泵，同时根据实际生产情况确定需要开启水泵台数，通过PLC控制水泵电机阀门的开启和关停。

水泵设备的检修：能够随时控制任意一台水泵电机，开启或关闭闸阀，实践过程中未发现对设备检修出现闭锁情况。

真空压力、泵轴温度、水仓水位、电机电源、排水管路流量、电机轴承温度、水泵压力共同构成了水泵自动控制系统的各功能。

此次研究的系统主要应用在矿井井下水泵泵房控制作业中，通过PLC控制水泵泵房，将其在运行过程中的相关信息收集起来，根据生产工艺流程集中分布管控水泵球阀、闸阀的运行，通过控制系统可以全面了解矿井井下水泵房内各种设备运行情况。水泵房集中控制系统组成部分分为就地控制、运行设备、调度中心远程控制。

图2 四盘区变电所泵房连线控制图

矿井井下设备工作情况在线监控需要通过控制器得以实现，控制方式有两种即手动控制和自动控制闸阀的开启、关闭。

自动：系统自动控制的情况下，设备运行状态监控器内均有显示，若某一个设备出现故障无法正常工作，可在监控器上查找到具体信息内容，自动控制程序开启，将对水泵的闸阀开启、关闭进行控制。传感器测出水仓水位，依据矿井井下水泵测得水位及影响因素，科学调节水泵阀门，当井下水位处于合理数值时，水泵自动调节功能开启，当突水量增大时，增加一定数量的水泵，依据实际运行水泵数量推测涌水量。

手动：操作工人根据水仓显示水位，人工手动开停水泵及确定开泵台数，电机及其阀门的开、停由PLC自动执行，即PLC完成单台水泵抽真空、启泵、开闸阀等自动控制，并完成运行停止。

检修：可操作任一水泵电机，闸阀的开关，可以实现不通过PLC完成水泵的启停。相互动作互不闭锁。

水泵自动控制系统的检测与保护信号：水仓水位、排水管路流量、真空压力、水泵压力、电机电流、泵轴温度、电机轴承温度等。

2.5 系统工作原理

水泵控制系统控制过程可概括为以下六个环节：自动注水环节、闸阀操作环节、水位自动监控环节、参数传示环节、故障保护环节和电动机的自动控制环节。

2.5.1 自动注水环节

当叶轮完全放置于水中时，水泵泵体也可正常进行运转，所以，矿井井下水泵设备运行重要一项是注水。使用喷射泵可完成排水泵的引水，自动注水所产生的能量，同时利用压力水产生的能源为备用能源，水泵内的真空度可应用真空表进行监测。

2.5.2 闸阀操作环节

闸阀均可采用手动和自动两种方式控制，在自动状态下，通过PLC对阀门进行集中控制和监视来控制闸阀的开、关及开度；在手动控制方式下，可在阀体上对各阀门进行操作。

2.5.3 水位自动监控环节

水位自动监控环节的任务是根据水位的高低自动准确发出开、停水泵命令。

2.5.4 参数传示环节

在液晶屏上可模拟显示水仓水位、水泵压力及电动机、球阀和闸阀的各种工作状态。

2.5.5 水泵设备出现故障后的自动保护功能

电动机故障：由高压开关柜实现。

闸阀故障：由各闸阀厂家提供故障型号并参与控制。

2.5.6 电动机自动控制方式

此步骤是矿井井下水泵设备进行自动控制的重要步骤。接触器、PLC、中间继电器共同构成了电动机自动控制系统，上述各个步骤均要与电动机自动控制步骤进行合作，以控制水泵的开启与关闭。

3 控制系统对节能增效的影响

现有的控制系统对水泵系统的节能主要通过“避峰填谷”的方式实现的，主要的手段是在用电“尖、峰”时段尽量不开泵或者少开泵，在用电“平、谷”时段开泵或者多开泵。系统中将用电的“尖、峰、平、谷”时间设定好，并设定好在这四个时段中起泵的数量；同时实时监测水仓水位变化，给水位设定多个门限“低水位、正常水位、高水位、危险水位”，在不同的水位值动作时触发不同的对应机制；以达到科学合理的安排水泵的起停，从而达到节能增效的目的。