矿山多级排水自动化控制系统的研究运用

陈上华

(福建省连城锰矿有限责任公司，福建 龙岩 364000)

以往老的水泵自动排水系统往往功能非常简单，只有开停和少量的保护功能。为了实现泵房无人值守，使水泵自动化排水系统往智能方向发展，使系统更加安全、可靠、稳定、经济，特研究开发完善了此套自化动控制系统。该系统增加了峰谷时间段，根据水位控制实现单机或多机自动轮换开机，利用流量传感器监测管路排水量，通过控制电动闸阀实现单管路或多管路自动切换排水，增加了电机和轴承温度监测功能、水泵轴承温度监测功能、欠电压保护功能、管路缺水保护功能、压力测功能、运行时长统计功能等，优先开启运行时间短效率高的水泵，还能实现水泵的远程启动、停止以及水泵故障自动切换等。该系统还具有多区段排水联动功能，下区段排水系统通过联网自动识别上区段水仓水位，从而判断是否开机往上区段排水，从而避免上区段水仓容量不足时下区段还往上排水造成淹没泵房的事故。该系统具有半自动运行和全自动运行模式，和人工开机相比更加省时省力，操作简单方便可靠。

1 工作原理

该系统通过实时采集现场水泵各个工况点数据，包括水仓的水位、水泵出水压力、水泵电机的电压、电流、轴承温度、真空情况、流量等实时数据，自动识别达到设定参数要求后需要自动开启的水泵台数，实时监测水泵运行状况，完全由PLC软件系统控制完成[1]。该系统能够根据设置好的相关参数和保护参数自动开启或停止水泵。

该系统是由德国西门子公司生产的S7-300可编程序控制器(PLC)[2]、SIMATIC WINCC视窗控制中心组态软件[3]、地面集中控制器、就地控制终端、以太网交换机、水位传感器、压力变送器、水泵真空检测装置、流量传感器、电机轴承温度传感器、电动闸阀、报警装置和各类保护装置等组成的人机界面控制系统。

排水自动控制系统运行流程见图1。

图1 排水自动控制系统运行流程

系统网络示意图见图2。

图2 系统网络示意

2 运行设置

2.1 水泵开停设置

水泵的开停主要根据水仓水位的高低来控制，当水仓水位达到设置的水位时，水泵开启或停止。可以通过设置多个水位来解决在实际运行中遇到水位上涨过快时需要开启多台水泵同时进行排水的情况。如表1所示，设置上升水位1.6 m时开启单台水泵排水，水位仍然升高至设置上升水位1.8 m时，开启第2台水泵同时排水，水位仍然升高至更高的设置上升水位2.5 m时，开启第3台水泵同时排水，以此类推，水位参数可根据各用户的现场实际情况设定。如系统识别到达设置的危险警戒水位时，无论是否在峰、谷、平用电时段，均会开启全部工作水泵同时排水以排除险情，当水位下降至相应的水位后，工作水泵遂台停止退出排水。表1中的水位差是指系统在高电价起始时间段内，单台水泵水位自动增加的水位高度，可根据实际情况自行设置，在高峰高电价时间段内的单泵实际启动水位=水位差+单泵水位，在高电价时间段外的单泵实际启动水位=单泵水位。系统还能根据水泵运行累计时间依序启动运行时间最少的水泵，如某台水泵大修后，效率较高需要优先运行的，可通过重新调整减少该台水泵的累计运行时间来让该台水泵优先运行，以达到优化设备配置、节能降耗的目的。

2.2 避峰填谷时段设置

对于涌水量大的矿山来说，排水的用电量是惊人的，占生产成本的比重也非常大，那就需要充分利用峰谷用电时段进行合理排水，以达到优化电力资源配置、节约用电成本的目的。通过设置，平时在水仓水位没有达到水位差的水位时，系统就会自动避开如表2所示的用电高峰高电价时段(时间段可自行根据当地规定的峰谷电价时间进行设定)排水，尽量利用在用电谷平时段将水排出，以达到实现水泵避峰填谷运行的目的。

表1 水位参数设置 m

表2 系统参数设置

3 优势对比

该系统具有半自动运行和全自动运行模式，通过电脑显示界面可以进行切换操作，简单方便可靠。具有实时反应水泵、电动闸阀等执行机构动作变化动态画面，有实时显示电压、电流、轴承温度、运行累计时间等数据，所有监控数据一目了然。

具有欠电压保护报警功能，当检测到电压小于等于设置值后，系统提示并报警；具有过电流保护报警功能，当检测电流大于等于设置值后，系统提示并报警；具有轴承温度超限保护报警功能，当检测温度大于等于设置值时，系统提示报警；具有缺相保护功能，当检测到一相没有电压值时，系统提示报警；具有电机温度超限保护报警功能，当检测温度大于等于设置值时，系统提示报警；具有水泵未上水提示报警功能，当检测压力小于设置值时，系统提示报警；具有管路缺水保护报警功能，当检测到流量小于设置值时，系统提示报警。

以一个安装4台200D43×6型水泵的泵房实测为例(配套电机型号功率为280 kW)，使用自动化控制系统前后对比见表3。使用前每天3班，每班1人，人均年工资7万元，人工成本节约明显。人工开停水泵时，因人为因素未能有效按时间段操作。使用自动控制系统后，能够根据设置的时间段避开电力负荷高峰期，有效的避峰填谷，该泵房可节约电力成本8.19万元/a。

表3 使用自动化控制系统前后对比

4 结 语

以往那种人为操作启动水泵的过程比较繁杂，劳动强度大，步骤多，启动水泵的时间也长，该套自动化排水系统很好的解决了这一问题。该系统不只局限应用于矿山排水，各行业不论是排水还是供水都可以运用。我国矿山自动化还处于发展阶段，随着社会的进步，对矿山自动化程度的要求也越来越高，与其他行业相比，矿山的机电设备和技术手段有很强的专业性，工作环境也有很大的差异，这就需要各专业技术人员不断提高自身的专业技术水平、理论知识水平和实践能力，在各自岗位精心研究开发出适合各自设备的配套自动化控制系统，为矿山设备的自动化发展贡献力量。