基于用电避峰填谷及PLC的矿山水泵自动控制系统

孙秀金　盛有锡　陈庆亮

摘 要 矿山水泵是矿山排水的重要设备，也是大型耗能设备，采用用电避峰填谷策略及PLC控制技术对其实现自动控制，使之始终运行在良好状态，对降低水泵能耗、节约矿山运营成本、提高矿山的本质安全具有重要意义。

【关键词】矿山水泵 PLC 自动控制技术

随着国民经济的迅猛发展，我国的电力资源供应愈发紧张，电力供应部门制定了不同时间段用电异价政策来调节电力供应。矿山井下排水均为大功率水泵，用电大约占矿山生产用电的20%左右，统计各地峰谷电价，峰期电价约是谷期电价的4.25倍左右，如采用智能控制系统进行错峰排水，可节约井下排水项目大约40%的电费。

自动控制系统可以根据水仓水位的高低及时间段自动控制水泵的启停，还可以实时监控水泵的各种运行参数，降低水泵的故障率，降低矿山的运行成本。

1 矿山排水自动控制系统的国内现状

目前，许多矿山井下主排水系统还采用人工控制，水泵的开停及切换均需人工完成，完全依赖工人的责任心，也无法预测水仓水位的增长速度。极少数大型矿山安装了部分远程控制系统，但仅仅实现远程的水泵启停，做不到根据水位和其他参数在用电的峰谷期自动开停水泵，这将严重影响矿山自动化管理水平和经济效益，同时也容易因人为因素造成安全隐患。

2 系统的结构设计

泵房自动化系统控制具有自动、半自动和检修3种工作方式。自动时，由PLC检测水位、压力及有关信号，自动完成各水泵运行，不需人工参与；半自动工作方式时，由工作人员远程或就地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；检修方式为故障检修和就地试车时使用，当某台水泵及其附属设备发生故障时，该水泵将自动退出运行，不影响其它水泵正常运行。

整个控制系统包括PLC控制部分、现场输入输出设备、传输设备等。

PLC控制部分主要由可编程控制器、信号变送器、中间继电器等组成，主要完成对信号的接收、变换、放大，并由PLC运算、判断发出各种控制信号，监控水泵的运行工况，实现水泵房的无人值守。

现场输入输出设备由现场控制箱、传感器和电磁阀等组成。现场控制箱由按钮、指示灯等组成。传感器包括超声波水位计、流量传感器、电量传感器、温度传感器等，所检测的参数主要有：水仓水位、水泵轴温、电机温度及设备工作状态等。各类电磁阀、电动球阀均为手自一体式，实现对相关管路通断的手动或自动控制。

传输设备包括以太网控制模块、网络交换机、服务器及传输光纤等，PLC控制器通过以太网模块接入工业以太网，实现水泵自动控制子系统与全矿井的安全避险“六大系统”监测监控信息共享。

3 系统的信号采集

水仓水位信号采集： PLC要根据水位变化情况来控制水泵的运行情况，为保证水池水位信号的准确采集，系统配置两套超声波水位传感器并通过RS485信号将数据传输到PLC。

真空状态信号检测：为保证准确检测，除在每台水泵吸水口上安装真空度传感器以外，还要在真空泵的出水口安装流量开关，通过检测真空泵出水口是否有水流对真空度进行确认。

电机电量参数的采集：通过对每台水泵电机的三相电压、三相电流信号的采集，能够准确地判断系统运行的状态，通过准确地检测电机的工作状态，可及时甚至提前对故障进行预警，便于维护人员提前发现故障，采取预防措施。

运行状态参数的采集：系统参数包括两个主排水管的累积流量及瞬时流量、每台泵的运行时间、各种阀门的状态等。这些参数不仅是水泵启、停的必要依据，同时也是对系统进行统计、查询的重要依据。

故障状态参数的采集：水泵发生机械故障的先兆，往往表现为泵体温度的异常升高及前轴横向振动幅度的增大，为避免水泵在运行过程中发生重大事故而造成的重大生产安全事故，并避免以此而产生的巨大经济损失，系统对电机定子的温度、水泵前轴的温度、振动、水泵管水口的压力进行监测。

4 系统的控制软件设计

主监控系统操作软件为Windows7 Professional，编程软件采用西门子公司的STEP7 V5.3SP9，组态软件为西门子的WINCC，数据库软件采用微软公司的SQLserver2012版。

系统软件策略主要是避峰填谷及均匀磨损。系统以水仓水位作为水泵的启停的基本条件，在此条件满足的前提下，然后再根据预定软件策略实现水泵的起停。设定最低水位L1、低限水位L2、报警水位L3、超限水位L4四个水位限值。在没有任何水泵启动的情况下，系统首先检测水仓水位，当水位达到L3时，首先对电网的峰谷时刻进行监测，若处于用电谷段或平段，立即启动使用频率最低的一台水泵，如果所选水泵为检修状态，则开启使用频率次低的一台水泵；若处于用电峰段，则暂缓启动。当水位继续上升至超限水位时，则不论电网的峰谷时刻如何，必须立即启动水泵。若水位继续上升时，则依次开启第二、三台泵。多台水泵运行时，当水位降低到（L2+L3）/2时，可以依据使用频率高低的原则，依次停泵，直到水位下降到低限水位时停止最后一台水泵。

5 结束语

采用PLC及用电峰谷控制原理对地下矿山水泵房进行自动控制系统设计，不但可以对整个水泵房实现无人值守，节约了人力成本，提高了矿山的本质安全，而且实现了经济高效排水，应用效果十分理想。

参考文献

[1]国家安全监督管理总局.金属非金属矿山安全规程GB16423-2006[Z].2006.

[2]刘畅生，宣宗强.传感器简明手册及应用电路[M].西安：西安电子大学出版社，20005.

[3]孙振强.可编程控制器原理及应用教程[M].北京：清华大学出版社，2012.

作者单位

山东正元冶达科技发展有限公司 山东省济南市 250014