基于s7-300的井下泵房节能型自动控制系统设计

开滦（集团）蔚州矿业有限责任公司 刘 悦 缪江华 汪正果

煤矿的井下排水系统对整个煤矿的安全生产起着非常重要的作用，其安全可靠性直接影响矿井生产的效率和安全。目前，我国大多矿井水泵房仍然普遍使用传统的人工操作排水系统。这种排水系统由于自动化程度低，应急能力差，存在很大的安全隐患。随着我国煤炭行业的发展，井下排水系统自动化已成为亟待解决的问题[1]。本课题从我国煤矿生产实际出发，针对现有排水系统存在的弊病，结合现代水泵节电技术和控制理论，对井下排水系统的水泵采取相应合理的节能技术和状态的实时监控，通过s7-300PLC来实现井下泵房自动控制方案的设计保证煤矿水泵安全运行、节能降耗的一项重要措施。

1.系统实现的主要功能

1.1 水泵的控制方式

系统控制具有自动、半自动和手动检修3种工作方式。自动时，由PLC检测水位、压力等有关信号，自动完成各泵组运行，不需人工参与；半自动工作方式时，由工作人员选择某台或几台泵组投入，PLC自动完成已选泵组的启停和监控工作；手动检修方式为故障检修和手动试车时使用，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。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。

1.2 水泵及电机的工作参数显示

系统能实时监测水泵及电机的工作参数。如水泵流量、轴温、电机温度、电机开启状态与工作电流等。系统同时监测水泵和电机的用电参数，包括电流、电压、有功功率、效率等。

1.3 报警以及自动保护功能

系统具有报警功能，包括水仓水位高限、报警，电压高限、低限报警，电机水泵异常报警。同时实现电机和水泵的自我保护，如流量保护：当水泵启动后或正常运行时，如流量达不到正常值，通过流量保护装置使本台水泵停止运行，自动转换为启动另一台水泵。

图1 泵房控制系统结构图

2.控制系统的组成

该控制系统是由地面操作员站、井下水泵控制主站和水泵控制分站三部分组成[2]，其控制系统的组成如图1所示。主站控制器采用西门子S7-300系列PLC，PLC备有以太网模块通过通讯管理机上传地面调度室。分站控制分站采用西门子ET200M远程分布式I/O，分站通过IM153-2通讯接口模块来实现与主站的通讯。各个分站之间相对独立，系统可靠性更高。ET200M分站对泵房内排水泵、射流系统、抽真空系统、管道电动阀门和水泵轴震动等装置实施了自动控制及运行参数自动检测，通过检测水仓水位、电机电流、电机电压、闸阀开启度、流量、真空度等参数，从而来控制水泵的工作。

主站面板上设有Siemens6’液晶显示操作屏TP277，就地实时以图形、图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时地反映系统工作状态以及水仓水位、电机工作电流、电机温度、水泵温度、排水管流量、水泵真空度等参数[3]。与分站通讯控制水泵轮换工作，合理调度水泵运行。同时主站控制柜内备有2个CP340串口通讯模块，其中1个与水泵的高压开关柜微机综保模块通讯，采集高压开关柜的电流、电压、功率等信号，实现对高压开关柜三遥。另外一个串口通讯模块与每个分站上的温度巡检仪通讯，检测每台电机和泵的轴温。

通讯管理机将各种数据信息传送到地面生产调度中心和生产设备控制中心，地面操作员站进行实时监测监控及报警显示、故障历史查询、模拟量曲线显示和报表打印。该系统具有运行可靠、操作方便、自动化程度高等特点。

3.系统的主要工作环节

3.1 抽真空环节

水泵只有在其叶轮完全淹没于水中的情况下，泵体内部才能造成必要的真空度，实现正常排水。若真空度不够，泵内有空气存在，将会造成不上水和转动部件“干烧”等故障。本控制系统采用真空泵抽真空、真空表检测真空度，控制器在真空度达到要求后才会开泵。

3.2 闸阀操作环节

为了减小启动功率，水泵操作规程规定离心式水泵一定要关闭出水闸阀后启动，而当停止水泵时，为了避免水锤事故，必须先关闭闸阀，缓慢减小流速，最后停泵。控制系统就是采用这种闸阀与水泵的联锁控制方式。

3.3 水位自动监测环节

本系统水位自动监测环节的任务是通过超声波液位计实时采集水位高度的信息，根据水位的高低自动发出开停水泵的命令。系统中将水位从低到高设置为1，2，3，4档如图2所示，当水位达到水位2时，若时段处于低谷时段，可以立即启动水泵，若处于峰值时段，则暂缓启动。当水位继续上升到水位3时，则不论电网的负荷如何立即开启水泵。若水位继续上升至4时，则表明一台水泵的排水量已不足以排出矿井出水，必须启动第二套水泵，两台水泵一起排水。无论投入几台泵，水位必须下降到水位1方可停泵。

图2 水仓水位

3.4 故障保护环节

水泵机组的电机容量大，耗电量高，属于一级负荷。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)流量保护。系统通过电磁流量计实时的检测水泵的流量，当水泵启动后或者正常运行过程当中，如果流量达不到正常值，通过程序设计使本台水泵停车，转为启动另一台水泵。

(2)电动机故障保护。系统通过CP340与综保进行通讯来采集水泵电机的电压电流情况，实时监视水泵电机欠压、过流、短路等故障，并参与控制。

(3)电动闸阀故障保护。由PLC采集电动闸阀的信息，并实时显示闸阀的开度。如发现故障则通过程序来实现保护。

3.5 电动机自动控制环节

该环节是排水综合自动化控制系统的中心环节。它由PLC、中间继电器、接触器等组成，本系统程序设计了泵自动轮换工作，控制程序将水泵启停次数及运行时间和管路使用次数及流量等参数自动记录累计，系统根据这些运行参数按一定规律自动启停水泵，使各水泵及其管路的使用率分布均匀，当水泵在启动或运行过程中出现故障时，系统自动停止故障水泵、投入新的水泵排水，实现水泵自动轮换工作，同时系统自动发出声光报警，并在操作屏和地面操作站上动态闪烁显示，记录事故，达到有故障早发现、早处理。以免影响矿井安全的目的。系统根据水泵的开启次数自动按一定顺序轮换开启水泵，当某台或者其所属阀门故障或检修时，该泵自动退出轮换，其余各泵仍按轮换工作制运行[4]。

4.控制运行策略

系统通过超声波液位计自动检测水位信号，计算单位时间内不同水位段水位上升的速率，从而计算矿井的涌水量的大小，根据预先设定的控制策略，自动投入和退出水泵运行台数，合理调度水泵运行，从而避免水少多泵运转的情况。系统通过CP340通讯模块来与温度巡检仪通讯，实时检测电机轴温、电机定子温度，如果发现温度超限，能及时发出报警信号，并且自动切换到备用水泵工作，保护电机不被损坏，减少电机维修次数。从而有效的降低了水泵的磨损，延长电机使用寿命。系统根据电机的工作电压和工作电流计算电机轴功率根据流量和扬程计算有功功率，从而计算出排水系统效率，一旦水泵运行在低效率范围内，自动切换到备用水泵工作，使该泵处于检修状态，并发出信号通知管理人员及的对该泵进行检修。根据矿上的实际峰谷时段并结合实际涌水量的大小来实现水泵的启动和停止，达到节省电量的目的，水泵节能控制运行策略如图3所示。

图3 水泵运行控制决策图

5.水泵的节能方法

(1)水泵的调速节电

调速控制是节电的一种十分有效的途径[5]。水泵的水泵的耗电量与机组的转速的三次方成正比。在使用恒定转速的电动机通过调节阀控制出水量时。随着管道阻力的增加，由图4所示R(I)变成R(II)，工作点由A移到B，出水量由Q1减少到Q2。同时，扬程由H1增加到H3。因而轴功率由N1变成N2。

如果使用调速电机控制出水量，则随着泵的出水量变化，若要使管道末端的压力总保持恒定，就可以改变泵的转速。如图4中相对应的转速从n1减小到n2，工作点由A移到C，出水量由Q1减少到Q2，扬程由H1增加到H3。

图4 水泵调速原理示意图

由上面分析可知，上述两种方法都可以控制出水量。但由调节阀进行控制时，使泵在B点运行时所消耗的电力（轴功率）N2为：

由调速方式使水泵的在D点运行时，所消耗的电力（轴功率）N3为：

因此，通过调速来控制出水量比用调节阀控制所节约的电力为：

采用泵调速措施，初期投资大，但节能效果显著，尤其适用于大容量泵。要注意，扬程越大，阻力曲线越平，即使转速稍有变化，流量也会大幅度变动，且节能效果差。

水泵和风机类负载为平方转矩负载，可选用通用变频器或节能型变频器。低速下负载转矩非常小，对变频器的运行温度、转矩等都不存在问题，只考虑在额定点变频器运行引起的损耗增大即可。如采用节能型变频器，能取得更好的节能效果，比调节挡板、阀门可节能40%-50%[6]。

(2)水泵叶轮改造节电

a.车削或更换叶轮（只限于离心泵），当使用中的泵流量比实际所需要的流量大，而又不能采用调速控制时，可将泵的叶轮车削一段或更换叶轮[7]。

b.抽去叶轮叶片（改变级数），该方法不能改变流量，只改变扬程。

(3)减少管道阻力和选择合理扬程的水泵，消除管道上的多余的管件和不必要的弯角及锐角，以减少管道阻力，能降低输送水的单位耗电量。

(4)更换泵及电动机，用新式的效率高的去代替老的效率低的水泵，当电动机功率大于实际需要时，可以更换电动机的方法节电。

(5)水泵串、并联运行。根据实际需要的负荷状况，可采取串联或并联方式来运行水泵。

以上各种的水泵的节能方式需针对各个矿上的实际的情况，合理的选用水泵的节电方法，这将会大大提高水泵的运行效率，使整个系统的在节电技术方面有很大的改进。

6.结语

基于s7-300的节能型矿井水泵自动控制系统，对设备运行状况和运行过程进行自动检测、自动控制，使设备达到最佳工作状态，同时根据峰谷分时电价、水仓的水位控制电机的启停，综合矿上实际情况合理选取水泵的节电技术，从而达到有效节约能源、降低劳动强度、降低运行成本和延长设备使用寿命的目的。

[1]朱全印.矿井泵房节能型自动控制系统的研制与应用[J].煤炭工程,2009(7).

[2]刘冰,陈洪亮,贾立新.煤矿水泵自动化监控系统设计[J].煤矿机电,2004(5).

[3]柴紫娟.西门子PLC高级培训教程[M].人民邮电出版社,2009.

[4]孙新梅.煤矿井下排水设备控制系统的改造[J].合肥工业大学.2009

[5]李继红.浅谈因地制宜地进行风机、水泵的节电技术改造[J].节能技术,2001.

[6]孙成宝,金哲.现代节电技术与节电工程[M].中国水利水电出版社,2005.

[7]江河泓.叶轮切削在水泵节能改造中的应用[J].安徽水利水电职业技术学院学报,2009(9).