矿井中央泵房水泵自动化系统的设计

方伟

（山东唐口煤业有限公司，山东 济宁 272055）

【摘要】井下排水系统是煤矿生产中主要系统之一，担负着井下积水排除的重要任务。本文以泵站的水泵为主要监控对象，采用功能丰富的MCGS组态软件作为组态监控软件开发出了一个井下中央泵房水泵控制系统，它具有远程监控、通讯连接、参数设置、实时在线显示和历史再现现实等功能。然而，由于我国当前的科技水平和开采技术目前还不完善，普遍使用的井下排水系统依旧是传统的人工操作方式。该系统便于操作，能够及时提供动态信息，具有较高的可靠性和灵活性。

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关键词 PLC；MCGS；组态软件；监控系统

0　引言

矿井主排水系统是煤矿大型设备的一个重要组成部分，其正常运行与否直接关系到整个矿井的生产安全。对于大部分水矿井，排水垂高大，一般采用分段式排水方式，主排水设备控制系统仍采用继电器控制，水泵的开停及选择切换均由人上完成，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而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，生产效率低。故如何提高矿井中央泵房的自动化程度，且满足煤矿生产调度综合自动化的要求，便成了急需解决的问题。针对以上特点和要求，本文提出一种实现矿井中央泵房综合自动化的设计模式，并付诸实践。

1　井下排水系统概述

以前的排水系统，大都是通过人工操作来启停水泵，工人劳动强度大，工作效率低，需要值班人员全天的看守，而且对矿井涌水量的变换反应不够及时准确，需要有一定经验的职工操作控制。

针对现有排水控制系统存在的问题，为了实现排水系统的自动化控制和提高排水系统的效率，特别是对于多水平联合排水系统的优化控制，利用现代控制技术与理论，研究开发了适用于煤矿井下的多水平排水智能控制系统。该控制系统利用可编程控制器PLC及其控制网络构建监控平台，利用冗余现场总线及工业以太网实现各分系统的统一监测监控。

该技术根据实际现场的具体情况，利用最优控制与模糊控制理论相结合建立了排水系统的优化控制模型并投入实际的应用。采用共享数据平台与独立功能模块相结合的模式设计开发了功能完善的远程监控软件，在实现各水平排水系统统一监控的同时利用实时数据库及历史数据库实现了设备的远程辅助管理。

设计过程中对重要的传感器进行了冗余设计及自检设计，保证了自动控制的可靠性，重要的控制网络采用冗余热备结构，实现了控制参数的不间断传输。利用高位排水、双管并联排水、躲峰填谷等策略结合最优控制有效地降低了排水系统的电耗，从而达到高效节电运行的目的。

2　系统总体概述

该系统中，选用PLC作为中心控制器，它的模拟量输入信号包括温度参数，电流参数，电压参数，水位参数，压力参数，流量参数；它的数字量输入信号包括水泵电机的开关状态反馈信号，排水管电动阀的开关状态;它的数字量输出信号包括各台水泵电机的开关信号控制，射流泵电磁阀的开关信号，排水管电动阀的开关信号。

另外，PLC还用到通信接口，上位监控计算机通信。只通过一个通信接口，PLC就可以采集到水泵电机的各个电量参数，进而分析判断电机的运行状态，这种方式节省了多个模拟量输入接口，节省了模拟量输入模块的昂贵费用。

3　排水系统的设计

该方案控制系统主要包括排水管路系统、控制系统以及远程监控系统等3个子系统。系统中设计有四台离心式排水泵和三条排水管路进行排水，并且每一个排水泵都和三个排水管路相连接，这是为了当其中一个管路故障时，可以继续用另外一个管路排水，而不至于排水中断。四台排水泵两台工作，两台备用，因而三条排水管路有两条工作，一条备用或检修。每一个排水泵和与它相连的三个排水管路之间都要用电动阀连接，可以方便的用PLC选择其中一条管路。排水管路和排水泵的系统连接图如图2所示。

由图2可以看出，每一个排水管路都有两个排水电动闸阀，鉴于离心式水泵独有的启动特性，它们的打开和关闭是有先后顺序的。以1#泵为例：在启动时，当需要打开电动阀时，应先按“转换工作”要求，打开11#或12#电动阀，然后再打开10#电动阀；在停止时，直接关10#电动闸阀。

4　排水系统控制方式

系统控制方式可分为自动、电动和手动检修三种方式。自动时，不需要人员参与，由PLC检测水位、压力、流量及有关信号，自动完成各泵组运行；电动方式由人工检测水位、压力等信号，并选择开哪台水泵和开几台水泵，自动完成；手动检修方式为故障检修和手动试车时使用，维修工人可操作任一水泵电机、电动闸阀、电磁阀的开关，解除相互闭锁关系。当PLC故障时，全部设备均为手动运行，由操作人员控制相应按钮完成;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。泵阀故障或检修时，该台泵阀由自动工作状态中切除，故障排除或检修完成后，手动试车，确认无故障后，即可参与整个自动轮换工作，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，设置有转换开关离心式水泵的开启和关闭相对较复杂,系统能够按照离心式水泵的开启和关闭步骤，自动为其注水，测量真空度，开启和关闭水泵电机，测量排水管压力，开启和关闭电动阀。

4.1　水泵开启条件

离心式水泵只有在泵壳内充满水的情况下才允许启动。如果泵壳内未充满水，真空度不够将会造成不上水、转动部件烧坏和气蚀等故障。因此，启动前的注水是水泵工作的重要操作项目之一。该设计采用射流喷管直灌式注水方式，通过射流喷管形成射流，依靠射流的吸力，使泵体内形成真空，靠大气压力将吸水井内的水压入泵内，充满泵体，即可启动水泵。

首先，打开射流管路的球阀，若阀正常开启，射流喷管内形成射流，泵开始排气注水。然后监测真空度能否在规定时间内达到要求，若不能，则发出声光报警，进入水泵关闭阶段；若能，则开动水泵电机，关闭射流管路的球阀。水泵开始运转后，监测其出口压力能否在规定时间内达到预设值，若不能则声光报警，进入水泵关闭阶段；若能则打开水泵出水口电动闸阀，此泵组进入正常运行阶段。

4.2　停止条件

在运行过程中，此泵组有停机故障或者满足停泵条件，则进入关闭阶段。由于存在逆止阀，无需关闭排水管路的闸阀，只需关闭连接水泵的闸阀，再关闭水泵即可。此处停泵条件是指通过排水使水位下降到规定的最低水位。

5　故障检测

水泵电机容量大，耗电量高，属一级负荷。因此，对排水设备自动控制系统的安全性、可靠性要求较高。本系统设有以下几种保护：

（1）过流、低电压、漏电保护：通过接在电机电源主回路里的电量监测模块可以测量出电机电流、电压、功率等，把这些数值通过通信接口传输到可编程控制器，由可编程控制器计算、判断电动机工况。当出现故障时，控制相应的执行机构或保护装置动作，并故障报警；

（2）超温保护：水泵长期运行，当轴承温度或定子温度，电机温度超出允许值时，通过温度保护控制使水泵停车；

（3）漏水保护：每台水泵均安装有真空度压力表，如在规定的注水时间内系统仍未收到真空度达到规定值的信号，则停止启动本台水泵，转为启动下台水泵，并发出故障报警信号；

（4）流量、压力保护：当水泵启动后或正常运行中，如流量或压力达不到正常值，通过流量、压力保护控制使本台水泵停车，转为启动下台水泵；

（5）逻辑错误故障保护：PLC外接的输入、输出元器件如电动阀、电磁阀、接触器等引起的故障较常见。如接触器主触点“烧死”造成线圈断电后电机运转不停等。一旦出现这样的故障，就要实现报警、停机等控制措施。

故障报警采用声光报警相结合的方式，在上位机上设置故障点光闪烁报警，另外，安装一个警铃。为了避免警铃频繁响起时，井下工作人员不必要的惊慌，只在发生重大故障，需要立即排除或者提示工作人员时，才会启动警铃报警，比如，当所有水泵都启动工作，但水仓水位依然快速上涨时。一般情况下，只启动光闪烁报警。

6　总结

6.1　实行在线监控

监控系统对水泵房设备运行实行在线监控，并具有自诊断功能，可实现水泵房的无人值守;并通过网络与矿井监控系统进行数据交换，接受管理人员指令。

6.2　控制灵活

可实现多种控制方式之间的切换，应用于不同的工作环境下。一般情况下，根据水位情况自动运行;故障检修或系统维修时，可使用电动或手动方式运行，即可以对运行环节“截断”操作。

6.3　延长水泵寿命

跟据水位控制原则，自动实现水泵的轮换工作，避免同一水泵长期使用，而其他水泵闲置;还可以根据水井涌水情况，选择不同的排水方案，避免涌水小量时水泵频繁启动，涌水大量时不能及时排除积水。从而使水泵合理运行，大大延长了使用寿命。

［责任编辑：薛俊歌］