基于PLC技术的矿井水泵房自动排水系统设计

刘保东刘 霖

(1.开滦(集团)有限责任公司唐山矿业分公司,河北省唐山市,063000; 2.郑州大学电气工程学院,河南省郑州市,450001)

基于PLC技术的矿井水泵房自动排水系统设计

刘保东1刘 霖2

(1.开滦(集团)有限责任公司唐山矿业分公司,河北省唐山市,063000; 2.郑州大学电气工程学院,河南省郑州市,450001)

针对唐山矿排水系统自动化水平低、耗能高以及应急能力差等问题,以S7－300及其扩展组建的控制体系为系统核心,设计了以节能降耗和安全排水为主要目的的矿井自动化排水系统。分析了系统控制要求,介绍了系统控制功能的实现和系统故障防护,最后阐述了系统运行效益。实际应用表明,系统通过对泵房最大涌水量、水仓水位变化以及设备状态等系统模拟量的采集与处理,实现了对水泵自动切换和安全排水的控制。

PLC 矿井水泵房 自动排水系统 安全节能

开滦(集团)有限责任公司唐山矿业分公司(以下简称唐山矿)现有主排水泵房5个,分布在A区的902水泵房、11水平水泵房和12水平水泵房以及B区的705水泵房和905水泵房。其中902水泵房负责将9水平涌水直接排至地面,属于直接排水方式;12水泵房负责将A区12水平涌水排至11水平水仓,11水平水泵房负责将A区11水平和12水平涌水排至地面,905水泵房负责将B区13水平和14水平涌水排至707水仓,705水泵房负责将B区12水平、13水平和14水平涌水排至地面,905水泵房、705水泵房、12水平水泵房以及11水平水泵房属于分段排水方式。

随着矿井开采的不断加深,排水功率也不断加大,目前排水电机功率可达1600 k W,排水系统长期处于持续运转状态,功率高、管路复杂、生产设备更新较慢以及系统效率较低直接给矿井安全造成威胁。另外,传统排水自动化水平较低,人工需求大,目前水泵司机在册人数已经不能满足泵房正常运转的需要,多方面因素致使排水成本居高不下。因此,设计一套安全可靠以及节能降耗的自动化排水系统显得尤为重要。

1 系统控制要求

唐山矿A区12水平的正常涌水量为1.27 m3/min,最大涌水量为1.72 m3/min,水泵的额定流量为4.67 m3/min,所以12水平水泵房为工作泵1台,备用泵1台,检修泵2台。综合12水平排水系统的特点和功能要求,一套安全且高效的控制系统应具备以下功能:

(1)满足泵房实际运行中的监视、控制和操作功能。自动化系统能够实时采集、分析和传输设备运行参数,能够定期对各个设备的检测数据进行采集和分析,方便检测设备的运行状态以及数据的归档记录。具有远程数据传输功能,可以将关键数据传输至中心调度,以便实现泵房的综合管理和远程调度,检测和分析泵房各个控制点的参数。监控画面必须实时显示主要设备的运行状况,同时能够实现运行过程中设备状态分析和事故报警。可根据不同时期的设备运行情况设定各个参数的上、下限值,提高自动化系统监控功能的灵活性和实效性。自动化系统应实现操作远方、就地的两地选择性,并根据实际运行情况选择在远方或就地位置对设备进行操作。

(2)实现泵房的躲峰填谷。将一天的用电时间划分为峰段和谷段,在峰段时间尽可能的不启动或少启动水泵,避免对电网产生冲击,充分利用水仓的有效容积进行蓄水;在谷段时间统筹启动水泵进行集中排水。谷段时,实现轮流启动水泵排水,根据水位信号停止水泵。峰段时,通过程序控制确保泵房排水安全的前提下,尽量避免频繁启停水泵,造成水泵寿命的缩短及电能的浪费。

2 系统控制功能的实现

2.1 系统主要结构组成

本系统主要由矿用隔爆兼本安型可编程控制器(PLC)、本安型控制显示台、本安型液晶显示屏和各种传感器及电动球阀组成。可编程控制器是井下控制的核心设备,需要完成对井下实时数据信息的收集、分析和控制,同时与地面上位机进行信息通讯,将井下数据传递到地面显示。系统结构组成示意图如图1所示。

图1 系统结构组成示意图

2.2 系统硬件连接

本系统中央处理单元选用的是西门子S7－300 PLC。S7－300是模块化的PLC系统,提供了多种性能递增的CPU和丰富的I/O扩展模块,增加了系统扩展的灵活性。系统硬件连接示意图如图2所示。

2.3 系统网络及接口

本系统拥有ProfiBUS－DP通讯、以太网通讯和MODBUS通讯3种通讯接口,其中防爆箱中CPU上集成的ProfiBUS－DP通讯接口作为主站与各个就地箱中的远程I/O模块进行ProfiBUSDP通讯,防爆箱中的MODBUS－DP模块和流量采集箱中的流量模块进行MODBUS通讯,防爆箱中的交换机通过双绞线与井下矿方交换机进行连接,井下PLC上的以太网模块以及井上监控室的两台工控机通过RJ45接口分别连接到交换机上,通过以太网进行通讯。

2.4 系统软件设计

主程序设计以水位变化为主,结合躲峰填谷,在安全排水的前提下实现排水系统的整体节能降耗。泵房每天实际泵点大约5～6个,而且24 h涌水量相对稳定,根据泵房的这一特点,每天设定4个排水时间段,每段大约排水1.5 h。为了保证排水系统的安全运行,在非排水时间段内实时监测水仓水位变化,在到达设定危险水位时,优于时间设定选择开起水泵。主程序流程示意图如图3所示。

图2 系统硬件连接示意图

图3 主程序流程示意图

3 系统故障防护

12水平泵房自动化排水系统可实现对水泵启、停的自动控制,过程的数据进行实时监测以及故障防护。实时监测过程中控制系统对水仓水位、流量、压力、温度、真空度以及各种阀门的状态量等实时参数进行在线监测,不断通过CPU进行运算处理和实时融合,运用模糊理论得出最终结果,从而对排水设备进行可靠的保护。

4 系统运行效益

12水平泵房自动化改造自2015年3月开始,历时3个月改造完成,截至2016年10月已运行1年4个月,真正实现了泵房的无人值守,也为唐山矿带来了可观的社会和经济效益:

(1)降低事故率。实现自动化排水以后,不需要人工操作,减少了人为事故,降低了泵房事故率。

(2)积累经验。本次泵房自动化改造这一成功案例,顺应了唐山矿科技兴矿的需要,为后续的自动化改造提供了成功的经验。

(3)减少岗位操作人员。在实现自动化排水之前每天主要有2班、每班2个司机进行手动操作,在减少岗位操作人员方面,按节约4名司机计算,每年大约节约工资为:司机人数×司机月工资×12＝4×3600×12＝172800元。

(4)实现无高峰段排水,节省电费。实现泵房自动化以后,由PLC控制代替人工操作,排水时间严格按照躲峰填谷执行,每天可减少高峰泵点0.5 h,目前峰段电费为0.7739元/k Wh,谷段电费0.3250元/k Wh,每年节约电费约为:每天节约电费×365 d＝0.5 h× (0.7739～0.3250)元/k Wh×150 k W×365 d＝12288.64元。

[1] 武强,刘伏昌,李铎.矿山环境研究理论与实践[M].北京:地质出版社,2005

[2] 史丽萍,刘志远,梁经宛等.矿井排水智能控制方法[J].煤矿安全,2012(1)

[3] 刘华波,何文雪,王雪.西门子S7－300/400 PLC编程与应用[M].北京:机械工业出版社,2010

[4] 寇彦飞,杨洁明,寇子明.基于安全节能的矿井自动化排水控制系统设计[J].煤炭工程,2016(1)

[5] 肖利平.基于PLC技术的煤矿井下带式输送自动控制系统的研究[J].中国煤炭,2014(5)

Design of automatic drainage system of mine water pump room based on PLC technology

Liu Baodong1,Liu Lin2
(1.Tangshan Mining Branch Company,Kailuan Group Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063000,China; 2.School of Electrical Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou,Henan 450001,China)

Aiming at the problem of mine drainage system＇s low automatic level,high energy consumption and poor emergency response capability of Tangshan Mine,taking control system that made up of S7－300 and its extension as the core,a mine automatic drainage system with main purpose of energy-saving and cost-reducing was designed.The system control demand was analyzed and the realization of system control functions and system emergency protection were introduced,and then the running benefits were elaborated.The practical application results showed that the system could control the water pump＇s automatic switchover and safe water-repellent via collecting and processing system analog quantities such as pump room＇s maximum water inflow, water sump＇s water level change,equipment status and so on.

PLC,mine water pump room,automatic drainage system,safety and energysaving

TD744

B

刘保东(1968－),男,河北迁西人,开滦(集团)唐山矿业分公司机电科科长,高级工程师,工程硕士,主要从事矿井机电方向的研究。

(责任编辑 路 强)

刘保东,刘霖.基于PLC技术的矿井水泵房自动排水系统设计[J].中国煤炭,2017,43(1):79－81,93. Liu Baodong,Liu Lin.Design of automatic drainage system of mine water pump room based on PLC technology[J] .China Coal,2017,43(1):79－81,93.