自动控制系统在矿井排水中的应用

姜建军，刘利波，王启健，于晓刚

（招金矿业股份有限公司，山东 烟台 265400）

矿井井下排水系统在矿井安全问题中占有重要地位。矿井涌水如果不能及时排出，将对矿井生产和工作人员安全构成威胁。排水系统耗电大，因此有效地控制排水系统是降低生产成本的重要途径。目前大部分矿山井下排水系统由人工控制，其效率低，操作人员多，严重影响企业生产管理和经济效益的提高。可编程序控制器(PLC)的广泛应用使井下排水的自动化控制成为可能。

一、排水现场概况

矿区给排水属于多级排水形式，主要用于矿区内生产用水。排水系统现阶段主要对一级、二级两条竖井进行排水自动化改造，采用无底阀式。在一级竖井－80m中段设有3台水泵，2用1备，参数如下。水泵型号：200D-43×4；电机功率:200kW；电压：400V；转速：1 480r/min；吸水管径：φ200mm×6mm；排水管径：φ200mm×8mm。

二、排水自动控制系统设计思路

加强管理、节约能源、降低劳动强度，实现排水泵房的无人值守和自动排水。

1.排水安全可靠，节能增效

通过对液位、电流、时间等指标的综合检测，实现对井下排水的自动控制。

2.排水的自动控制

在集水仓设液位计，排水管道安装电动阀，负压罐安装电磁阀、液位计等，通过PLC完成自动控制。电动机采用软启动器。

3.工作方式及原理

工作方式分自动、手动和远程控制3种。通过在控制柜上设置转换开关进行3种方式转换。电动阀1#、2#、3#分别安装在水泵的主排水管路上，其中3#水泵作为备用设备。3台电磁流量计分别安装在3台水泵的吸水管路上。

(1)自动方式

PLC通过液位计检测集水仓液位是否满足排水条件；确定各电动阀是否处于关闭状态；负压罐和系统在无故障的情况下方可启动工作水泵，工作水泵空载运行正常后，依次开启水泵的所属电动阀，并根据电机的工作情况控制电动阀的开闭。如果集水仓的水量超过上限或排水期间水位反而有所上升时则启动3#水泵并打开3#电动阀。在排水期间，当PLC检测水泵、液位、阀门工作状态发生异常时，则认为故障，PLC会自动关闭故障设备，打开备用设备。

(2)手动方式

要求操作员根据现场情况、仪表显示及操作规程启动水泵，主要用于手动及异常操作时，以恢复水泵正常运行。

(3)远程控制

地表监控室监控人员依据摄像头的实时监控及仪表显示，根据需要，通过安装在地表的控制按钮实现远程操作。水泵运行后，可按照自动方式正常运行。

4.液位与时间双控制

排水时间和水仓液位的检测对安全生产起着至关重要的作用。在水仓安装性价比较高的超声波液位计，并采用冗余硬件设计，计算机程序能够分析某个液位计是否存在故障并报警，确保人工及时更换以维护排水系统的安全性。在水位监测上设工作水位和报警水位两种，工作水位设定排水、停机的液面高度；报警水位用于启动应急备用设备并报警。

集水仓液位计设上上限、上限、下限3个工作水位，正常情况下，如集水仓内液位不超过上限时，为充分利用夜间的用电谷段，工作水泵在允许的时间范围内启动，排水至液位下限时，水泵停止。当异常情况——涌水量特别大时，集水仓内液位达到上限时，无论用电波峰或波谷，工作水泵均启动排水；当液位达到上上限时，备用水泵启动排水。

程序根据井下涌水量对水泵开启时间进行设定，平段和谷段时间内水泵按照时间设定开停，高峰用电时，采用液位控制水泵，这样可以节省电费。

5.电动机工作状态的检测

电动机的启动，必须在电动阀关闭的情况下进行，当电动机的额定空载电流达到系统设定的SV值并保持时，系统无故障则认为电机正常启动。电动机的主回路保护要求具有短路、过载、缺相及欠压等。

电动机故障监测：系统安装电能变送器、电压变送器、电流变送器，电动机运行时能随时将电动机电能、电流、电压信号输入计算机，进行检测分析。通过PLC实现对电机运行状态的实时监测，当电流过高或水泵存在不排水的其它故障，报警系统发出声光报警信号并根据要求及时停车维修。

6.水泵工作状态的测控

工作效率的测控，是通过在吸水管道上安装的电磁流量计，测得水流量，并与额定流量相比，得出其工作效率。

水泵的正常工作通过电流、电压、工作状态、液位的软件控制来实现，并通过仪表直观反映。当水泵启动时，电动阀处在关闭状态，启动正常后通过PLC对电动阀的开关控制来实现水泵的正常工作。

低压开关柜合闸回路与控制柜的控制回路相串联，可实现电机紧急停车。

电能测量采用低压计量方式与系统数据累计方式两种。PLC处理电能变送器的电信号，并通过上位机进行数据报表打印。

维持水泵的正常工作与负压罐密不可分。采用无底阀排水首先要保证负压罐的液位。负压罐的工作设备包括电动球阀、液位计和真空泵，检测设备由液位计检测负压罐的密封情况。

在排水泵正常工作期间，集水仓水位应稍微下降或保持不变。如在水泵排水期间，集水仓水位仍然上升，则说明涌水量变大，系统发出声光报警，并在水位达到上限时启动备用水泵。

7.电机及水泵的远程监控及保护

通过在配电室内设置电压、电流、流量显示以监示水泵的工作状态，可根据不同的情况进行声光报警及事故保护停车，避免设备事故的发生。

8.数据采集

主要由上位机来完成排水量、工作时间、电压、电流、设备运行状态等指标的小时统计、日统计和月统计。控制系统的日报表及月报表数据存放在控制器内，水泵和其他附属设备的运行画面经过组态在上位机实时显示，并可以在组态画面上运行设备，调用水泵的运行时间和其他主要数据，通过上位机将数据整合传送并进行报表远程打印。

控制系统可进行水泵开停时间、集水仓液面高度、报警高度等参数的动态调节。

9.系统特点

在中段设集中控制柜，由于PLC的应用，能够极大提高生产效率及降低劳动强度。每个设备点的状态能及时通过检测数据准确传递给微机进行处理。各个中段之间采用profibus通信方式，便于集中管理。系统设有标准通用接口，为系统的扩展提供有力保障。

为了便于调试维护及生产需要，各控制柜通过转换开关可以将运行方式转为手动控制，每个设备点能够独立进行操作，解决了技改工程中生产与施工的矛盾。

三、系统的监控

摄像部分是电视监控系统的前沿部分，它把监视内容转换为图像信号并发送到监视器上。摄像部分产生的图像信号质量将影响整个系统的质量。

1.控制部分

在控制中，闭路电视系统中的信息量与信息处理的工作量都很大，因此其控制台的操作一般通过计算机以用户软件编程的全键盘方式来完成视频切换、报警处理及设备状态自检等工作。数字视频监控报警系统采用计算机多媒体技术，CCD摄像机为监控探头，摄像机将获取的视频信号传输到主机，主机里的高速图像处理器进行数字化处理，将视频信号形成的图像与背景图像进行分析比较，同时主机自动采集报警图像并存入计算机。事后用户可随时查阅报警现场的图像。系统将电视监控系统与报警合二为一，实现了监视、报警与图像记录的同步进行。在系统中没有录像机和视频分配器，一切报警记录都在计算机的硬盘内，所有操作都根据屏幕上的软件提示动作。

2.显示与记录

显示与记录设备安装在控制室内，主要有监视器、硬盘录像机和一些视频处理设备。本系统采用的是硬盘录像机，视频压缩采用增强型MPEG-4固定码流、可变码流帧率及硬件压缩技术，24路视频信号独立同步硬件实时压缩、录像及回放，无滞后；可实现手动录像、定时录像、报警连动录像、动态检测录像等多种录像模式，并具有预录功能。

为实现闭路监控全矿覆盖，闭路监控系统可由4路扩展为24路，可以很方便的增加视频设备。

四、恒压供水系统

恒压供水系统主要由PLC、变频器、压力变送器、液位传感器、动力及控制线路及泵组组成。用户通过控制柜面板的指示灯、按钮及转换开关来了解和控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力变送器，把4～20mA标准信号送入PID调节器，经PID运算并与给定压力参数进行比较，对比较信号作出判断后将结果送至变频器。变频器控制水泵的转速以调节供水量。在变频器设置中设定一个上限频率和下限频率检测，当用水量大时，变频器迅速上升到上限频率，此时，变频器输出一个开关信号给PLC；当用水处于低峰时，变频器输出达到下限频率，变频器也输出一个开关信号给PLC；PLC通过设定的内部程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组，以协调投入工作的水泵电机台数，并完成电机的启停、变频与工频的切换。通过调整投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使系统管网的工作压力始终稳定，进而实现恒压供水。变频器采用ABB专用水泵变频器，可编程控制器选用西门子S7-313C2DP型，作为井下排水系统上位机，并可参与井上供水控制。如井下排水产生故障，系统可报警提示并切换备用水源。

五、结语

PLC自动控制系统优越性在于采用了先进的通信网络技术，实现PLC与上位机之间的通信，控制执行功能主要由PLC完成，上位机则完成信息处理和图像显示。PLC和上位机实现优势互补、分工合作，使得系统运行可靠稳定。系统根据峰谷用电、采用时间和水仓液位双控制，给出相应的可靠性设计，更有利于了企业的调荷节电；同时解决了由于通信、传感器的不稳定导致控制系统运行不稳定问题，实现了井下排水系统的无人值守、减员提效和调荷节电。