PLC在礦井主排水控制系統的應用

隨著計算機控制技術的迅速發展，以微處理器為核心的可編程序控制器(PLC)控制已逐步 取代繼電器控制，普遍應用于各行各業的自動化控制領域。煤炭行業也不例外，但目前煤礦 井下主排水系統仍多采用繼電器控制，水泵的開停及選擇切換均由人工完成，還做不到根據水位或其它參數自動開停水泵，這將嚴重影響井下主排水泵房的管理水平和經濟效益的提高 。

岱莊煤礦是1999年設計竣工的生產能力為1.8Mt／a的現代化礦井，井下涌水量較大，中央泵 設計安裝了5臺MD500-57×9主排水泵，配套電動機1250kW，3趟排水管路。正常涌水時，2 臺工作，2臺備用，1臺檢修。鑒于PLC的先進性和可靠性，煤炭工業邯鄲設計院對5臺主排水泵及其附屬的抽真空系統與管道電動閥門等裝置實施了PLC自動控制及運行參數自動檢測，動態顯示，并將數據傳送到地面生產調度中心，進行實時監測及報警顯示。

系統通過檢測水倉水位和其它參數，控制水泵輪流工作與適時啟動備用泵，合理調 度5臺水泵運行。系統通過觸摸屏以圖形、圖像、數據、文字等方式，直觀、形象、實時地 反映系統工作狀態以及水倉水位、電機工作電流、電機溫度、軸承溫度、3趟排水管流量等 參數，并通過通訊模塊與綜合監測監控主機實現數據交換。該系統具有運行可靠、操作方便 、自動化程度高等特點，并可節省水泵的運行費用。

2、系統組成

岱莊煤礦中央泵房井下主排水泵自動化控制系統由數據自 動采集、自動輪換工作、自動控制、動態顯示及故障記錄報警和通訊接口等5個部分組成。

2、1 數據自動采集與檢測

數據自動采集與檢測主要分為兩類：模擬量數據和數字量數據。

模擬量檢測的數據主要有：水倉水位、電機工作電流、水泵軸溫、電機溫度、3趟排水管流量；數字量檢測的數據主要有：水泵高壓啟動柜真空斷路器和電抗器柜真空接觸器的狀態、電動閥的工作狀態與啟閉位置、真空泵工作狀態、電磁閥狀態、水泵吸水管真空度及水泵出水口壓力。

數據自動采集主要由PLC實現，PLC模擬量輸入模塊通過傳感器連續檢測水倉水位，將水位變 化信號進行轉換處理，計算出單位時間內不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，控制排水泵的啟停。電機電流、水泵軸溫、電機溫度、排水管流量等傳感器與變送器，主要用于監測水泵、電機的運行狀況，超限報警，以避免水泵和電機損壞。PLC的數字量輸入模塊將各種開關量信號采集到PLC中作為邏輯處理的條件和依據，控制排水泵的啟停。

在數據采集過程中，模擬量信號的處理是將模擬信號變換成數字信號(A/D轉換)，其變換速度由采樣定律確定。一般情況下，采樣頻率應為模擬信號中最高頻率成分的2倍以上，這樣經A/D變換的精度可完全恢復到原來的模擬信號精度。A/D變換的精度取決于A/D變換器的位數。如5V電壓要求以5mV精度變換時，精度為5mV/5V=0.1%,即1/1000十進制的1000用二進 制表示時要求為10位,而本系統所采用的A/D模塊分辨率為16bit,其精度在±0.05%以上，該精度等級足以滿足控制系統要求。同時，PLC所采用的A/D模塊均以積分方式變換，可使輸入信號的尖峰噪音和感應噪聲平均化，適用于噪音嚴重的工業場所。

2、2 自動輪換工作

為了防止因備用泵及其電氣設備或備用管路長期不用而使電機和電氣設備受潮或其他故障未 經及時發現，當工作泵出現緊急故障需投入備用泵時，而不能及時投入以至影響礦井安全，本系統程序設計了5臺泵自動輪換工作控制，控制程序將水泵啟停次數及運行時間和管路使 用次數及流量等參數自動記錄并累計，系統根據這些運行參數按一定順序自動啟停水泵和相 應管路，使各水泵及其管路的使用率分布均勻，當某臺泵或所屬閥門故障、某趟管路漏水時，系統自動發出聲光報警，并在觸摸屏上動態閃爍顯示，記錄事故，同時將故障泵或管路自 動退出輪換工作，其余各泵和管路繼續按一定順序自動輪換工作，以達到有故障早發現、早處理，以免影響礦井安全生產的目的。

2、3 自動控制

系統控制設計選用了日本歐姆龍公司C200HE型PLC為控制主機，該機為模塊化結構，由PLC機 架、CPU、數字量I/O、模擬量輸入、電源、通訊等模塊構成。PLC自動化控制系統根據水倉 水位的高低、井下用電負荷的高、低峰和供電部門所規定的平段、谷段、峰段供電電價時 間段(時間段可根據實際情況隨時在觸摸屏上進行調整和設置)等因素，建立數學模型，合理調度水泵，自動準確發出啟、停水泵的命令，控制5臺水泵運行。

為了保證井下安全生產，系統可靠運行，水位信號是水泵自動化一個非常重要的參數，因此，系統設置了兩套水位傳感器，模擬量和開關量傳感器，兩套傳感器均設于水倉的排水配水倉內，PLC將接受到的模擬量水位信號分成若干個水位段，計算出單位時間內不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，同時檢測井下供電電流值，計算用電負荷率，根據礦井涌水量和用電負荷，控制在用電低峰和一天中電價最低時開啟水泵，用電高峰和電價高時停止水泵運行，以達到避峰填谷及節能的目的。

2、4 動態顯示

動態模擬顯示選用日本Digital公司的GP-570T型觸摸式工業圖形顯示器(觸摸屏)，系統通過圖形動態顯示水泵、真空泵、電磁閥和電動閥的運行狀態，采用改變圖形顏色和閃爍功能 進行事故報警。直觀地顯示電磁閥和電動閥的開閉位置，實時顯示水泵抽真空情況和壓力值 。

用圖形填充以及趨勢圖、棒狀圖方式和數字形式準確實時地顯示水倉水位，并在啟停水泵的水位段發出預告信號和低段、超低段、高段、超高段水位分段報警，用不同音響形式提醒工作人員注意。

采用圖形、趨勢圖和數字形式直觀地顯示3趟管路的瞬時流量及累計流量，對井下用電負荷的監測量、電機電流和水泵瞬時負荷及累計負荷量、水泵軸溫、電機溫度等進行動態顯示、 超限報警，自動記錄故障類型、時間等歷史數據，并在屏幕下端循環顯示最新出現的3條故障(故障顯示條數可在觸摸屏上設置)，以提醒工作人員及時檢修，避免水泵和電機損壞。

2、5 通訊接口

PLC通過通訊接口和通訊協議，與觸摸屏進行全雙工通訊，將水泵機組的工作狀態與運行參數傳至觸摸屏，完成各數據的動態顯示；同時，操作人員也可利用觸摸屏將操作指令傳至PL C，控制水泵運行。PLC同時將水泵機組的運行狀態與參數經安全生產監測系統分站傳至地面 生產調度監控中心主機，與全礦井安全生產監控系統聯網，管理人員在地面即可掌握井下主排水系統設備的所有檢測數據及工作狀態，又可根據自動化控制信息，實現井下主排水系統 的遙測、遙控，并為礦領導提供生產決策信息。觸摸屏與監測監控主機均可動態顯示主排水系統運行的模擬圖、運行參數圖表，記錄系統運行和故障數據，并顯示故障點以提醒操作人員注意。

3、系統功能及特點

(1)PLC控制程序采用模塊化結構，系統可按程序模塊分段調試，分段運行。該程序結構具 有清晰、簡捷、易懂，便于模擬調試，運行速度快等特點。
(2)系統根據水位和壓力控制原則，自動實現水泵的輪換工作，延長了水泵的使用壽命。
(3)系統可根據投入運行泵組的位置，自動選擇啟動就近的真空泵，若在程序設定的時間內達不到真空度，便自動啟動備用真空泵。
(4)系統根據電網負荷和供電部門所規定的平段、谷段、峰段供電電價時間段，以“避峰填谷”原則確定開、停水泵時間，從而合理地利用電網信息，提高礦井的電網運行質量。
(5)PLC自動檢測水位信號，計算單位時間內不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，自動投入和退出水泵運行臺數，合理地調度水泵運行。
(6)在觸摸屏上動態監控水泵及其附屬設備的運行狀況，實時顯示水位、流量、壓力、溫 度、電流、電壓等參數，超限報警，故障畫面自動彈出，故障點自動閃爍。具有故障記錄，歷史數據查詢等功能。
(7)系統具有通訊接口功能，PLC可同時與觸摸屏及地面監測監控主機通訊，傳送數據，交換信息，實現遙測遙控功能。
(8)系統保護功能有以下幾種。
超溫保護：水泵長期運行，當軸承溫度或定子溫度超出允許值時，通過溫度保護裝置及PLC 實現超限報警。
流量保護：當水泵啟動后或正常運行時，如流量達不到正常值，通過流量保護裝置使本 臺水泵停車，自動轉換為啟動另一臺水泵。
電動機故障：利用PLC及觸摸屏監視水泵電機過電流、漏電、低電壓等電氣故障，并參與控制。
電動閘閥故障：由電動機綜保監視閘閥電機的過載、短路、漏電、斷相等故障，并參與水泵的聯鎖控制。
(9)系統控制具有自動、半自動和手動檢修3種工作方式。自動時，由PLC檢測水位、壓力及有關信號，自動完成各泵組運行，不需人工參與；半自動工作方式時，由工作人員選擇某臺或幾臺泵組投入，PLC自動完成已選泵組的啟停和監控工作；手動檢修方式為故障檢修和手動試車時使用，當某臺水泵及其附屬設備發生故障時，該泵組將自動退出運行，不影響其它泵組正常運。PLC柜上設有該泵的禁止啟動按鈕，設備檢修時，可防止其他人員誤操作，以保證系統安全可靠。系統可隨時轉換為自動和半自動工作方式運行