PLC在煤矿矿井水回收利用工程的应用

董士珍

煤炭是我国的主要能源之一，我国煤炭基地主要分布在北方和西北方干旱和半干旱地区，矿区水资源缺乏已严重制约了煤炭工业的可持续发展。将矿井水回收利用，保护了矿区的环境，解决了矿区的生产和生活用水，具有很好的经济和社会效益。

目前，随着现代控制技术和计算机技术的飞速发展，将PLC技术应用于矿井水回收利用工程中，实现矿井水处理工艺过程的自动控制，既方便运行管理，又提高了自动化水平，同时在确保处理水量、出水水质的前提下，节省水处理成本，具有非常现实的意义。

我院环境工程所在石槽村煤矿矿井水回收利用总承包工程实施过程中，开发设计了一套由上位机、PLC、变频器、相应传感器及执行机构组成的自动控制系统，将PLC控制技术成功应用到实际项目中。该系统已连续运转近一年时间，性能稳定可靠。本文简要介绍了以西门子S7-300系列PLC为核心的自控系统。

1 水处理工艺(流程)

该矿井水处理系统的工艺流程:井下排水→缓冲预沉调节池→絮凝斜管沉淀池→无阀滤池→瓷砂过滤器→反渗透装置。

概括起来，该矿井水处理工艺包含以下几个过程:1)矿井水经井下排水泵提升至地面缓冲预沉调节池预沉淀;2)投加絮凝剂充分混合后进入絮凝斜管沉淀池沉淀，去除水中的颗粒悬浮物;3)沉淀后的出水经过无阀滤池和瓷砂过滤器的双重过滤后进一步截留水体中的细小颗粒及胶体物;4)过滤后的出水进入反渗透装置进行脱盐;5)脱盐处理后的产品水经过消毒灭菌后作为矿井工业场地的日常生产生活用水。

2 PLC系统实现的主要功能

1)自动加药功能。现场运行实践证明，经PLC控制的自动加药系统比人工控制的加药装置减少药剂(聚合氯化铝)的投加量约1/3，大大降低了水处理站的运行成本。2)设备自动运行功能。根据设计，系统可实现自动、手动两种运行方式，自动时在控制室内集中操作，手动时在现场可直接开启各设备，集中操作是本系统的主要操作方式，手动操作主要用于设备的调试和维修。3)联锁控制功能。水泵的启停与相应水池液位实现联锁控制;水泵与其进出水端电动阀门实现联锁;同时液位报警上下限和液位联锁上下限可在工控机上任意修改。4)反渗透装置的自动运行功能。根据压力变送器反馈给PLC的压力信号，自动调节变频器的频率，以降低高压泵的压力，使反渗透装置达到设计的产水量。5)全过程监控能力。上位机采用彩显，画面以动画图形及中文方式显示液位、流量、压力、水泵及阀门的运行状况、生产状况、设备状况等信息。6)报警及保护功能。当发生电气、液位、机械等故障时，系统进行声、光报警，通知工作人员并采取相应措施。若整个上下位自动系统发生故障，可以通过就地控制按钮手动启停设备，以保证矿井水处理系统正常运行。

3 控制系统的硬件配置

本自控系统的硬件配置主要包括上位机系统、PLC主控单元、传感器及执行机构等。采用集中控制、集中管理的方式，硬件元件少，故障少，系统便于管理。

PLC控制系统硬件配置如图1所示。

1)上位机系统。上位机系统由主机、键盘、鼠标、显示器、打印机等组成。2)PLC主控单元。主控单元选用西门子公司的S7-300系列可编程序控制器。它是系统的核心，由CPU单元、电源单元、数字量输入输出单元、模拟量输入输出单元、通讯单元、适配器单元等组成。主控单元负责采集模拟量信号，进行运算和处理，输出控制信号去控制水泵自动运行等;同时负责采集浊度、流量、液位、压力、设备故障等模拟量及开关量信号，通过内部处理，去控制动力设备，实现设备的远控和逻辑联锁功能。西门子S7-300系列是模块化中小型PLC系统，它能满足中等性能要求的应用。它采用模块化、无排风扇结构设计，易于实现分布、易于用户掌握等特点，使得S7-300成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便而又经济的解决方案。3)传感器(变送器)及执行机构。在缓冲预沉池，调节池、清水池、污泥池、反洗排水池设置液位变送器;在高压泵进出口设置压力开关;在水处理站的总进水管设置电磁流量计及浊度仪;在反渗透设备安装pH计。这些传感检测装置用于检测水处理的浊度、流量、液位、压力、pH值等，所有监测数据通过变送器转换为4 mA～20 mA标准信号，输入PLC，由PLC进行运算处理，然后发出控制信号给执行机构去执行，从而使系统按照工艺流程要求自动运行。

4 自控系统软件

本自控系统软件主要包括上位机管理程序、PLC控制与检测程序以及它们之间的通讯程序。1)上位机的管理程序主要完成设备运行状态的图形显示、生产状况的数据库管理、监测数据的处理、菜单处理以及报警等功能。2)PLC作为主控单元，它完成所有模拟量计算和逻辑控制，可以脱离上位机独立工作。下位机采用西门子公司开发的step7 5.4软件对PLC进行编程和对PLC设备配置进行维护。编制的软件主要包括信号获取处理，信号控制。

5 自控系统的特点

本自控系统成本大约40万元，只占整个水处理站总投资1 396万元的2.2%。但却能有效的降低水处理的运行成本和职工的劳动强度，同时提高了整个水处理站的自动化管理水平。

水处理运行成本主要包括水处理药剂费用、人工费用以及电费等，由于采用自动加药系统，如前所述节约药剂投加量约1/3，每年节约的药剂费用不言而喻;以前像石槽村这样规模的水处理站为保证不间断运行，至少需工作人员25人，现采用自动运行后只需 15人，按人工成本30 000元/年，一年减少费用 30万元;2套反渗透装置附属的4台高压泵(55 kW/台)，2台段间增压泵(37 kW/台)作为水处理站主要的用电设备，占整个水处理站用电负荷近一半，起初采用工频运行，现均采用变频调速运行，从实际运行情况来看，每天节约电费约20%。按水处理站计算容量294 kW计算，每年节省电费达29万余元，半年即可收回投入变频器的成本。

一般情况下，矿井水处理站采用手动阀门，并且数量比较多，必须人工开启，对于直径超过400 mm的大型阀门，无论开启或者关闭，都很费力费时，一般女同志难以胜任，而石槽村水处理站大部分采用电动阀门，全自动运行，大大降低了工人的劳动强度。

6 结语

经过水处理站将近一年的运行，这套以PLC为核心的自动控制系统满足了生产生活用水要求，实现了安全可靠的不间断供水，确保了优质的出水水质，提高了管理人员的劳动效率，降低了水处理成本，达到生产自动化控制的目标。

在水处理站运行过程中也发现一些问题，需要改进和优化。1)由于反渗透装置自带控制箱，各类传感器仪表一并配套，其自动运行由反渗透控制箱完成，在上位机画面上还不能真实反映反渗透一些设备的运行情况，比如压力，浊度，pH值等，以后可考虑把这些信号都送入集控室PLC，以便监控。2)由于PLC缺乏对众多模拟量数据采集和综合控制功能，例如反渗透装置阻垢剂投加量的控制上，仍需工艺工程师凭借经验来确定，因此单纯靠PLC无法实现工艺的最佳控制，这为上位机的功能扩展提供了可能。在PLC保证基本功能的同时，上位机也不再单纯的以信息采集为主要功能，水处理站运行稳定后，运用历史数据和运行经验，用上位机开发出专家系统和模拟控制等高级控制功能，进一步提高水处理的自动化水平，达到降低能耗的最佳控制。

[1] 于庆广.可编程序控制器原理及系统设计[M].北京:清华大学出版社，2004.

[2] SIMATIC.S7-300可编程序控制器系统手册[Z].北京:西门子公司，2001.

[3] 谢成元.厦门同安梅山净水厂自动控制系统[J].山西建筑，2008，34(7):210-211.