基于PLC的矿井主排水泵变频调速系统设计

潘 越，张朋飞，左光宇，刘永生，庞懿元

（1.河北工程大学 机械与装备工程学院，邯郸056000；2.冀中能源峰峰集团有限公司，邯郸 056000）

在煤炭开采过程中，地下水、地表水和雨雪水都有可能通过各种通道涌入矿井。对此，不仅要保证在正常涌水期间，把矿井内水仓的水排出矿井外，还要在最大涌水和抢险排水期间，能够及时地把水仓矿水排出。因此，矿井排水系统对确保矿井安全生产，排水设备安全、可靠、经济、合理地运行具有十分重要的意义[1-2]。

目前，我国多数矿井排水系统存在着可靠性差，水位检测精度不高，不能遵循避峰填谷人原则运行，工业自动化水平较低等问题，无法实现水仓水位和涌水量的实时监测以及自动启停水泵。另外，控制阀门的开度调节流量容易造成能源的较大浪费和“水锤效应”，无法满足矿井排水控制要求[3-4]。在此，针对目前排水系统存在的问题，提出基于安全节能的矿井主排水泵变频调速系统，对矿井安全高效的生产具有重要意义。

1 水泵变频调速原理

1.1 变频调速系统的基本特性

矿山排水系统中最重要的设备是离心泵。在一定速度下离心泵的排水特性曲线如图1所示。由图可见，流量小时扬程比较高，随着流量的增加而扬程逐渐下降。流量-扬程特性曲线反映了离心泵流量Q与扬程H具有反比的关系。

图1 离心泵的排水特性曲线Fig.1 Drainage characteristic curve of centrifugal pump

管阻特性曲线是流体在管路中的能量和随流量而变化的关系曲线，其变化规律是管阻损失随着流量的增加而增加。2条曲线的交点A为整个矿井主排泵变频调速系统的平衡点。此时，矿井排水系统同时满足泵的扬程特性和管道阻力特性，使排水系统平稳运行。

1.2 变频供水系统的能耗分析

在矿井排水系统中，常用阀门控制法和调速控制法来调节流量。通过控制阀门的开度来调节流量不会改变水泵的速度，但会改变管道阻力的大小。由于水仓的水位一直在变化，如果阀门开度保持恒定，就会导致过压或欠压的现象。调速控制方式是通过变频器电动机变频调速控制水泵的速度来调节流量。其实质是通过改变水的动能来调节流量，优点是阀门开度恒定，扬程特性曲线将随着流量大小而变化，但管阻特性曲线不变。

当采用阀门控制方式时，水泵工作曲线如图2所示。在水仓水位高时，假设水泵运行平衡点为点A，此时平衡点的流量为Q1，扬程为H1；当水仓水位低时，水泵的排水量减小到Q2时，减小阀门开度会导致管道阻力增大，管阻特性曲线由α3变为α1，而扬程特性曲线保持不变。此时扬程从H1增加到H2，平衡点由A点变到B点，此时可用矩形OQ2BH2的面积表示水泵输出功率，即

式中：η为水泵的效率；k为常数。

图2 采用阀门控制方式的水泵工作曲线Fig.2 Working curve of water pump with valve control

采用变频调速控制方式时，为了保持水仓水位在一定范围内，通过调节水泵转速，扬程特性曲线由n1变为n2，平衡点移到C点。此时用OQ2BH1的面积表示输出功率，有

与阀门控制法相比较，采用变频调速调节流量，可以节约的输出功率为

通过计算可得，当使用阀门控制法调节流量时，电机速度恒定，所以排水功率保持不变，将会浪费功率ΔP，并且随着流量减小管道阻力增加，最终导致损耗进一步增加。当水泵变频调速时，功率随着电动机的转速降低而降低，变频调速方法的节能效果更显著[5-6]。

2 系统总体设计方案

基于PLC的矿井主排水泵变频调速系统由3台水泵机组、PLC、变频器、超声波液位仪、上位机及限位器组成。PLC和变频器是控制系统的核心单元。变频器采用一拖二控制方式，即1台变频器控制，2台水泵变频调速，第3台水泵备用。在矿井水仓中安装4个水位限制器，利用超声波液位传感器检测水位高度，根据系统设定的水位高度范围来对实际的水位高度进行调节，并将水池的水位的高度模拟量输入PLC，将模拟信号A/D转换变成0～10 V的电信号输入到变频器的模拟输入端，从而改变变频器的输出频率，控制电动机带动离心泵的转速，实现了水仓水位在安全范围内控制的目的。上位机通过以太网与PLC建立通信，对整个控制系统进行界面监控，并实时显示水泵参数。该系统构成如图3所示。

图3 变频器排水系统的组成Fig.3 Composition of frequency converter drainage system

3 系统硬件设计

3.1 PLC选型设计

变频器排水系统采用SIMATIC S7-200，控制模块为CPU226。通过PLC设计主程序、子程序、中断程序可以完成系统的数字量控制和报警中断等功能。PLC通过以太网连接通信模块与上位机建立通信，并通过RS485通讯接口与变频器建立通信。系统的数字量输入信号包括液位开关信号、水泵电机开关信号、控制模式选择信号；模拟量输入信号包括水池液位信号、超声波液位仪、水泵排水压力、水泵入口真空度等信号；数字量输出信号包括电机的开关信号、警铃开关信号、运行指示灯。矿井主排水泵变频调速系统设计结构框图如图4所示。

图4 控制系统的结构框图Fig.4 Control system structure block diagram

3.2 EM235模拟量扩展模块

该系统检测的模拟量有4个，PLC选择了EM235模块。该模块有4个Al口，1个AQ口。通过水仓水位超声波传感器输出的信号是0～10 V，可对EM235 DIP开关进行设置用来选择模拟量输入量程和精度。

3.3 变频器参数的设定

为使主排水泵变频调速，必须对变频器参数进行正确的选择和设定。该系统选择西门子MM420型变频器。首先对变频器进行快速调试，设置参数P0010=1进入快速调试过程，可以完成变频器主要参数的设置；根据电动机的额定功率、转速和电流电压进行变频器参数设定；设置参数代号选择电机最低和最高工作频率，选择加速、减速时间，选择外部数字端子控制，选择过流电流方式，选择断电重启模式，等。

3.4 上位机界面设计

该系统采用WINCC组态软件编写，为了实现对系统的在线监控，上位机设计了3个监控界面：主监控界面、数据查询界面、报警查询监控界面。

①主监控界面搭建系统组态框架，实时显示水仓水位高度、水泵出口压力、流量大小、真空度等相关参数。

②数据查询界面包括实时数据查询和历史数据查询，实时记录并显示各泵组运行情况及相关参数。

③报警查询监控界面设计电机故障、水泵机组故障、排水管路故障等报警指示灯，一旦出现故障对系统进行中断处理。

3.5 主电路

该系统的主电路结构如图5所示。选用MM420变频器和 S7-200 PLC，作为基于PLC的矿井主排水泵变频调速系统的核心部分。图中，M1，M2，M3为电动机；FR1，FR2为热继电器，起保护电路的作用；KM1和KM3为接通接触器，可以使电机M1和M2在工频下工作；KM2和KM4为接通接触器，可以使电机M1和M2在变频下工作，实现电机变频与工频工作的切换；KM5为接触器，控制M3的工频运行，用于紧急排水或者检修设备时备用排水。

4 系统软件设计

图5 矿井主排水泵变频调速系统的主电路结构Fig.5 Main circuit structure of variable frequency speed regulating system for mine main drainage pump

该系统共有3台离心泵：2台主泵，另1台水泵备用；2台电动机变频调速，1台变频器拖动。根据水仓水位来决定和工作水泵的数量。当应急排水时，启动工频备用泵加强排水能力。系统的控制流程如6所示。

图6 控制流程Fig.6 Control flow chart

基于PLC的矿井主排水泵变频调速系统设计应该实现以下功能：

（1）“避峰就谷”策略。

根据电费价格及用电量，利用PLC合理设定水泵机组的启动。用电高峰期，充分利用水仓的有效容积，减少启动水泵的数量；在用电低峰期，对水仓中的水集中排水，使其达到最低点。

（2）矿井水仓水位保持在一定范围内。

水位高于上限水位时，变频器输出频率升高，电动机转速加快，水泵排水量增加；当水位高于上极限水位时，电机 M1频率达到50 Hz并切换至工频恒速运行，同时启动电机M2进行变频调速，增加水仓水位排水量。反之，频率降低，电动机转速减小，水位上升，最终达到水仓水位保持在一定的范围内。

（3）系统具有手动和自动工作模式。

开关可以选择系统的控制方式。在手动工作模式下，矿井排水系统的3个水泵均可独立工频工作，适合应急排水。手动操作可以进行故障检修，解除互锁关系对单独水泵进行调试。矿井主排水泵变频调速系统一般在自动操作模式下正常运行，根据PLC所检测到的水仓水位高度，自动完成水泵机组的调速变频控制和工频切换。

5 应用实例

基于PLC的矿井主排水泵变频调速系统设计原理，对邯郸某矿的水泵房进行了改造，并在水泵组中安装计电表，用于统计在1个月内3台泵在1天中不同时段内自动化排水耗电量。改造前和改造后计电表分别累计1个月的耗电量见表1。

表1 改造前、改造后各一个月耗电量Tab.1 Power consumption before and after the transformation

矿井排水系统水泵房改造后，在基于PLC主排水泵变频调速设计的基础上，运用避峰就谷的原则进行自动化排水，1个月的时间可节省用电12%。

6 结语

目前，基于PLC的矿井主排水泵变频调速系统已经在邯郸某矿井下安装使用。现场的实际运行效果表明，运用避峰填谷原则对PLC程序合理设计，并改进原有排水系统，实现了水仓水位的实时监测和控制；变频器技术对矿井主排水泵变频调速，从而减小排水设备的耗电量；上位机可实现远程监控，实时显示参数，故障报警等，对矿井安全运行有重要意义。基于PLC的矿井主排水泵变频调速系统保证顺利开采煤炭资源中已经发挥非常重要作用。