泵房自动化控制系统的设计与应用

张忠魏

(山东八一煤电化有限公司，山东 滕州277524)

1 八一煤矿井下主排水系统概述

八一煤电化公司井下水泵的开停及选择切换均由人工完成，系统不能根据水位或其它参数自动开停水泵，仅能实现就地的简单操作，大量的实时数据不能由地面调度人员及时监测和管理，系统运行状态以及出现故障时不能及时发现并处理，给统一调配、事故处理造成不便，而且每个泵房均设置专人专岗进行操作，这将严重影响井下主排水泵房的管理水平和经济效益的提高,生产效率低，为实现矿并排水系统的集中控制和管理，八一煤矿对中央泵房进行自动化改造。

八一矿井原是一座全水力化采煤矿井，1958年建井，1963年投产，1970年经过改扩建建成生产能力75万吨的矿井，于1992年底注销生产能力，2007年政策性破产重组改名为八一煤电化公司。矿井井下涌水量较大，中央泵房设计安装了6台MD500-57×9主排水泵，配套电动机1050kW，3趟排水管路，三个水仓。正常涌水时，2台工作，2台备用，2台检修。

2 设计目标及要求

系统应满足水泵机组起停、故障诊断和数据处理上完全自动化；达到节约能源和人力资源的功能，并能长时间连续稳定地工作。

鉴于PLC的先进性和可靠性，对中央泵房的6台主排水泵及其附属的抽真空系统与管道电动阀门（注：原为手动阀门）等装置实施了PLC自动控制及运行参数自动检测，动态显示，并将数据传送到地面生产调度中心，进行实时监测及报警显示。系统通过检测水仓水位和其它参数，控制水泵轮流工作与适时启动备用泵，合理调度6台水泵运行。系统通过触摸屏以图形、图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时地反映系统工作状态以及水仓水位、电机工作电流、电机温度、轴承温度、3趟排水管流量等参数，并通过通讯模块与综合监测监控主机实现数据交换。该系统具有运行可靠、操作方便、自动化程度高等特点，并可节省水泵的运行费用。

3 系统设计方案

3.1 系统组成

八一煤矿中央泵房井下主排水泵自动化控制系统，整个自动控制系统由数据自动采集、自动轮换工作、自动控制、动态显示及故障记录报警和通讯接口等5个部分组成。

图1 八一煤电化公司泵房排水示意图

图2 PLC控制系统原理图

3.2 自动控制

系统控制设计选用了日本三菱公司FX2N-64型PLC为控制主机。该无人信守系统以水仓水位作为水泵的起停的基本条件，在此条件满足的前提下，然后再根据均匀磨损的原则、电价避峰填谷的原则实现水泵的起停。该原理为：首先设定四个水位限值：H1、H2、H3、H4（H：实时水位 H1：超限水位H2：报警水位H3：启动水位 H4停机水位），当水位达到报警水位时，首先对电网的负荷进行监测，若处于用电谷段或平段时，可以立即启动；若处于用电峰段，则暂缓启动。当水位继续上升至超限水位时，则不论电网负荷如何，必须立即启动水泵。若水位继续上升到超限水位时，则表明一台水泵的排水量已不足以排除矿井出水，以矿井的最大排水能力来排除矿井涌水。不论投入几台水泵，水位必须下降到低限水位方可停泵。即当PLC读取的水仓水位值为H4时，表示水仓水位低于低限水位，水泵机组将不投入运行；水位值≥H3，并且时间为电价谷段或者平段时间，一台水泵机组投入运行，如果为峰段时间，则等待水位上涨到H2时再投入一台水泵机组运行。当一台机组处于运行状态时水位仍然上涨到H1，则继续投入一台机组运行，如果水位仍然上涨，则陆续投入所有水泵。机组运行至水位下降到H4时，水泵机组限出运行。

3.3 系统功能及特点

3.3.1 PLC控制程序采用模块化结构，系统可按程序模块分段调试，分段运行。该程序结构具有清晰、简捷、易懂，便于模拟调试，运行速度快等特点。

3.3.2 系统根据水位和压力控制原则，自动实现水泵的轮换工作，延长了水泵的使用寿命。

3.3.3 系统可根据投入运行泵组的位置，自动选择启动就近的真空泵，若在程序设定的时间内达不到真空度，便自动启动备用真空泵。

3.3.4 系统根据电网负荷和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段，以“避峰 填谷”原则确定开、停水泵时间，从而合理地利用电网信息，提高矿井的电网运行质量。

3.3.5 PLC自动检测水位信号，计算单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，自动投入和退出水泵运行台数，合理地调度水泵运行。

3.3.6 在触摸屏上动态监控水泵及其附属设备的运行状况，实时显示水位、流量、压力、温度、电流、电压等参数，超限报警，故障画面自动弹出，故障点自动闪烁。具有故障记录，历史数据查询等功能。

3.3.7 系统具有通讯接口功能，PLC可同时与触摸屏及地面监测监控主机通讯，传送数据，交换信息，实现遥测遥控功能。

3.3.8 系统保护功能有以下几种：

超温保护：水泵长期运行，当轴承温度或定子温度超出允许值时，通过温度保护装置及PLC实现超限报警。

流量保护：当水泵启动后或正常运行时，如流量达不到正常值，通过流量保护装置使本台水泵停车，自动转换为启动另一台水泵。

电动机故障：利用PLC及触摸屏监视水泵电机过电流、漏电、低电压等电气故障，并参与控制。

电动闸阀故障：由电动机综保监视闸阀电机的过载、短路、漏电、断相等故障，并参与水泵的联锁控制。

3.3.9 系统控制具有自动、半自动和手动检修3种工作方式。自动时，由PLC检测水位、压力及有关信号，自动完成各泵组运行，不需人工参与；半自动工作方式时，由工作人员选择某台或几台泵组投入，PLC自动完成已选泵组的启停和监控工作；手动检修方式为故障检修和手动试车时使用，当某台水泵及其附属设备发生故障时，该泵组将自动退出运行，不影响其它泵组正常运行。PLC柜上设有该泵的禁止启动按钮，设备检修时，可防止其他人员误操作，以保证系统安全可靠。系统可随时转换为自动和半自动工作方式运行。

4 结束语

该自动化系统完成了各种信号的采集，系统保护完备，工作流程准确，减轻工人的负担。实现无人值守，提高了泵房的安全挂、可靠性，同时节约了大量地电能，提升了泵房的现代化管理水平。

［1］何堃山.可编程序设计范例大全[M].同济大学出版社，2010.

［2］莫正康.半导体变流技术[M].冶金工业出版社，2009.

［3］王顺晃.智能控制系统及其应用[M].机械工业出版社，2009.

［4］徐平.电控及自动化设备可靠性工程[M].机械工业出版社，2009.