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矿山井下排水自动化系统研究及应用

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  【摘 要】文章介绍了井下排水自动化系统的重要性,然后根据排水控制的要求,构建自动化控制系统。本文将系统分成现场设备层、现场控制层和集中控制层来分别介绍,并结合各种传感器(主要为水位传感器、负压传感器、压力传感器、流量传感器等),完成系统设计中要实现的控制功能。
  【关键词】PLC;井下排水;自动控制
  1 系统介绍
  矿山井下排水设备是矿山的重要设备,是井下安全生产的重要环节之一,实现井下泵房的远程控制与监测,是建设数字化矿山的重要组成部分。目前,在矿井泵房的排水系统设计中一般由多台离心式水泵构成,一组工作、一组备用 、一组检修。这种排水系统的操作以离心式水泵的工作特性为基础,泵站的起停时间判断及对水位、涌水量大小等现场数据的判断,完全依赖于工人的经验和已有的操作规程,作业过程比较复杂,要求工人具有很强的责任心,否则可能出现误操作,甚至发生大的事故。
  自动化控制能改变传统模式操作过程繁琐、劳动强度大、人为因素多等缺点,自动控制系统可以实现在主控机房对井下排水系统泵房的所有设备进行网络监控,做到泵房无人值守、设备安全可靠运行。
  2 系统构成
  自动控制系统由现场设备层、现场控制层和集中控制层组成。
  2.1 现场设备层
  现场设备层主要包含传感器和执行器,其中必须检测的量包含水仓水位检测、水泵流量检测、水泵压力检测、水泵负压检测和电机及水泵的温度检测,检测仪表根据现场工况选取,主要考虑的是工作压力、水中离子的腐蚀及水中杂质的影响等。
  考虑到对电机设备稳定性的监测及对泵耗能的统计,通过使用电流变送器和电压变送器将电机状态反馈到系统中来;考虑到对泵稳定性的监测,可以增加泵体轴承部位横向和纵向的振动传感器,将泵振动的强度和烈度定量的传送给上位机画面,并对轴承状况进行预报警。
  现场主要执行机构是电机和阀门,电机控制一般使用的均为高压软启动器,每小时的启停次数应控制在6次以内。抽真空用到的阀门一般是电动球阀,主管路一般使用电动或液动闸板阀,阀门的选取也要考虑水中离子的腐蚀及水中杂质的影响。
  2.2 现场控制层
  现场控制层采用SIEMENS S7 300 PLC控制器作为控制核心;选用西门子7.5" 或10.4"彩色触摸屏MP277作为下位机的就地显示界面,既可实现现场控制层的就地控制也可实现整个系统的集中控制。
  现场控制层采用PLC作为控制核心,根据集中控制台的指令、规定的工艺要求、各种逻辑连锁关系的要求、现场状态保护的要求,对现场进行实时控制。
  2.3 集中控制层
  集中控制层主要由工业控制计算机和操作台组成;工业控制计算机选用台湾研华IPC610工控机做为上位机,以进口组态软件Ifix4.0对整个系统的工艺流程画面进行设计,达到既可以对整个系统设备的监视,又可实现对各个设备和整个系统的整体控制。
  3 系统功能
  完善的功能是自动化水平的体现,从系统的控制功能上来说,至少应具备以下几个主要功能:
  3.1 数据自动采集与检测
  需要采集的数据主要包含模拟量数据和数字量数据。模拟量检测的数据主要有:水仓水位、电机工作电流和电压、水泵的流量和轴温、电机温度、水泵吸水管真空度、水泵出水口压力及轴振动的强度和烈度;数字量检测的数据主要有:水泵高压启动柜真空断路器和旁路真空接触器的状态、电动闸阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态、电动球阀状态等。
  3.2 三种工作方式
  系统控制具有自动、手动和检修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;手动工作方式时,由工作人员选择某台或几台泵组投入,PLC提示操作人员完成已选泵组的启停和监控工作;检修方式为故障检修及试车时使用,当某台水泵发生故障时,该泵组将自动退出运行,并发出声光报警,设备检修时,现场操作箱和组态画面均有检修按钮,可防止其他人员误操作,以保证系统安全可靠。
  3.3 结合“尖、峰、平、谷”的自动控制
  井下排水负荷容量一般比较大,用电量占整个矿上用电的15%-50%,因此结合不同的用电费率段,以节省开支是很有必要的,调度水泵在用电的“谷段”和“平段”时间段工作,尽量避免在“峰段”和“尖段”启动。这样就需调度各水泵在用电的“谷段”和“平段”时间段将水仓的水位排至较低液位,以便水仓能够腾出尽可能大的容积,使其在“峰段”和“尖段”容纳更多的矿井涌水而不用启动水泵,当然系统是以安全为第一位的,如果“峰段”和“尖段”涌流比较大,液位到达了安全液位时还是需要同时开启多台水泵将水位控制在合理的高度的。
  3.4 运行时间和流量的统计
  为了保证各台泵的运行时间基本一致,系统自动累计泵的运行时间,在设备投入自动的情况下,系统每次都会自动投入使用时间最少的泵;为了更好的分析系统的效率,系统自动累计流量值和电机的功率输出。
  3.5 系统保护功能
  启动保护:当水泵启动后,如流量达不到正常值或电机电流偏小,PLC判断本台泵为失载状态,自动设置使本台水泵停车,自动转换为启动另一台水泵,并发出声光报警。
  超温保护:电机和水泵长期运行,当轴承温度或定子温度超出允许值并持续一定时间时,PLC自动设置使本台水泵停车并转换为启动另一台水泵,并发出声光报警。
  振动保护:当水泵振动传感器反馈回来的信号经过软件滤波后依然超出合理的范围,PLC自动设置使本台水泵停车并转换为启动另一台水泵,并发出声光报警。
  电动机故障:当检测到电机电流、电压出现异常时, PLC根据情况自动完成水泵的投切。
  液位报警:出于安全的需要,现场一般采用一块超声波液位计和一块投入式液位计,当两个液位计反馈回来的值偏差大于0.2米时PLC自动声光报警,操作人员宜根据情况采取保守的操作方式并检查仪表。
  3.6 动态显示及数据库
  上位机采用IFIX进行组态,界面组态分为井下排水系统流程图、高压排水泵控制画面、参数显示画面、报表显示画面、综合趋势图画面、报警总貌画面等多个画面,可以动态显示各个变量,实时对执行机构进行操作。
  自动生成实时和历史数据报表:界面报表组态要有按工艺要求制作的班报表及月报表,即利用DDE方式将实时数据库的资料输出到EXCEL中生成报表数据,并进行相关的链接,实现人工操作打印。以模拟图、趋势图、成组参数和曲线等方式实时显示机组的运行状态,参数越限报警等。用软件定义、采集、显示蓄水池水位、出口压力、入口流量、耗电量(分时段)等重要参数的历史趋势数据。
  3.7 通讯接口
  排水自动化可以作为数字化矿山的一个有机的组成部分,可以在总控室或者调度室进行操作,因此通讯必不可少,可以通过配置以太网模块CP343将PLC与以太网连接,通过光纤介质将信息传至总控室及调度室,如果有需要也可以扩展WEB发布功能。
  4 结语
  排水自动化系统是数字化矿山的重要组成部分之一,也是关系到矿山安全的重要系统,因此传感器和执行器的选择以及控制算法的编写要优先考虑使用成熟的产品的技术。排水自动化虽然不能直接节约能源,但是能够对流量和电流进行统计、对泵的振动、电机电流以及泵和电机的温度预警,便于形成管理效益。
  参考文献:
  [1]付华,杨素君,汪玉凤.计算机矿井排水控制系统[J].工业控制计算机,1997(05).
  [2]李泽松.井下水泵房自动排水系统研究[D].太原理工大学,2005.
  [3]王振平,孙继平,宋秋爽,矿井通风、排水及压风设备[M].中国矿业大学出版社,2008(7).
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