PLC在矿山排水自动控制系统的应用研究

2021-07-30马传广

中国设备工程 2021年14期

马传广

（中润资源投资股份有限公司，山东济南 250000）

本套水泵自动控制系统项目位于南太平洋岛国，是一个金矿井下排水系统，泵站位于地表以下580m，采用4台国产MD280多级离心泵，单泵流量280m³/h，扬程630m。配用3.3kV/800kw高压电动机，电动机额定电流168.8A。正常采用两用两备的工作模式，涌水高峰期采用三用一备工作模式。水泵启动采用KYN28-12型开关柜与外置软启动器装置，主开关采用国产真空断路器，开关柜加装长园深瑞ISA-347G继电保护装置实现高压电动机保护。使用西门子Smart系列1ST40-DC/DC/DC小型PLC控制器、步科MT4220触摸屏等实现自动控制与系统协调保护。

1 控制系统技术要求与设计

该处矿井地下排水含有大量颗粒物，受井下场地制约，蓄水缓冲池设计过小，缓冲能力不足，无法实现颗粒物充分静置，造成水浓度比较大。由于受地热影响，泵站环境温度达到36℃以上，水泵机械部件故障率会比较高。同时，由于环境湿度大，对电气设备的使用与保养造成较大困难。由于前期设计与采购对主开关柜和软启动装置的选型没有进行统一规划，水泵厂家、开关柜厂家和软启动装置厂家没有进行很好的技术对接，而且国外项目受物资供应条件所困，对开关柜和软启动装置等进行大范围改动不现实，自动控制部分要充分考虑系统整合问题。同时基于多级离心泵的特性，考虑水泵电机电流与水泵流量、扬程的关系等多种因素，决定采用如下控制设计：

（1）通过现场控制箱旋钮，实现自动与手动启动方式可切换，以蓄水池高水位和泵体温度、开关柜状态、电动机温度等作为水泵自动启停的条件，但必须保证24小时有人值守，一般采用手动启动、自动停泵的工作模式。

（2）水泵驱动端和自由端轴承箱各加装一套PT100传感器，接入PLC模块，传感器通过润滑油进行热传导。考虑到一旦有故障，轴承温升较快，当轴承温度超过75℃时，PLC系统驱动声光报警，当轴承温度超过85℃时，水泵立即保护停机，由PLC输出继电器触点断开高压开关柜合闸回路，直到轴承温度恢复正常，并从触摸屏进行复位后方可进行下次启动操作。

（3）高压电动机三相绕组内置的PT100传感器和电动机两端轴承配置的PT100传感器接入PLC模块，电动机轴承温度保护参数与水泵轴承相同，电动机绕组报警温度设置为100℃，停机保护温度设置为110℃，报警复位及锁定解除条件设置与泵体轴承保护相同。

（4）电流控制模式：在开关柜内增加电流变送模块，把用于智能电力仪表的二次电流信号串入变送模块，继电保护装置信号不做改动，主回路电流转换为4～20mA标准信号并接入PLC模拟量输入模块。

①当水泵启动时，PLC控制程序首先要避开电动机启动瞬间的峰值电流时间段（初始设定峰值电流时间为3s），如果在启动3s后电动机电流始终低于150A并持续超过10s，程序判断为启动失败，水泵未上水，PLC发出声光报警，主断路器分闸，并锁定开关柜合闸回路，等待检修。（以上时间参数固定写入PLC，低电流保护设定值由具有权限的操作员从触摸屏进行设置）。

②水泵在运转过程中，如果电动机电流低于设定的130A，程序判断为水泵工作异常，发出声光报警，并触发开关柜分闸动作，等待检修复位后方可进行下一次启动操作。该逻辑主要作为蓄水池水位低保护的后备措施，防止水泵进水口过滤器堵塞等原因造成水泵无水或缺水转动，保护叶轮及泵轴。

③水泵运转过程中，如果电动机运行电流高于165A，程序判断为管路泄漏或电动机及水泵轻微过载。对于高扬程多级离心泵，该保护方式应完全独立于主开关柜的继电保护系统的过载保护，多级离心泵运行电流稍高于正常运行电流的现象，一般是由于出水管路的泄漏致使水泵实际流量高于正常工作流量等原因造成的，高压继电保护装置的过载保护不适用于该故障。需要特别注意的是，该设定值不能以电动机额定电流为基准，应该以水泵正常工作电流为基准，由程序员与经验丰富的水泵操作工共同确定并写入程序，禁止其他人员修改。

④水位自动控制：蓄水池安装12m量程超声波液位计，输出4～10mA标准信号经信号隔离模块扩展后分别输出到各个PLC的模拟量模块，作为水泵启停控制参数，同时加装浮球开关作为水位后备保护。蓄水池水位低于1.5m时或浮球开关在低位时，水泵启动回路被锁定，水位低信号灯闪烁提示。如果水泵在运行中，PLC根据低水位信号自动停泵，不触发声光报警。

⑤水泵启动时间保护：PLC采集开关柜和软启动装置的分合位开关量信号，根据启动试验测定，该水泵正常启动过程需要6s左右，如果超过10s，还未能从软启动转换到全压运行（软启动装置自带电流继电器实现切换），程序判断为本次启动失败，发出声光报警并锁定合闸回路，等待检修。

⑥水泵运行计时：由PLC采集主断路器合闸信号，实现运行时间累积，累积时间在就地控制箱触摸屏显示，用于水泵操作工加油保养和维修工定期更换密封件等工作，以及确定水泵大修时间等，在触摸屏预留清零窗口，但仅限于管理员权限实行总运行时间清零操作。

⑦利用西门子Smart PLC自带以太网接口的有利条件，在泵房预设工业交换机，待井下光缆敷设到位后接入矿山地表办公室，利用上位机软件实现数据实时观测和自动报表记录，为解决矿山排水和废水利用的统一调度问题提供技术条件。

2 人身安全保护设计

（1）为保证检修安全，每台水泵的就地控制箱设置独立于PLC的急停自锁按钮，该按钮操作权限最高，当它被按下时确保主断路器无法合闸，并在编制操作手册中重点强调此处作为检修保护点，实行谁挂牌谁摘牌的操作制度。

（2）由于主开关采用的是真空断路器且没有失压保护，而且没有完善的供电网络，自筹自建的孤网供电系统稳定性不高，停电故障偶有发生，一旦出现高压停电，可能会造成水泵虽然停转，但是，断路器依然处于合闸状态的情况，存在极大的安全风险，最终确定泵站操作电源全部采用AC 240V UPS供电，并在高压开关柜内加装一个AC 110V交流继电器，该继电器线圈使用高压PT二次电压供电，继电器触点接入PLC作为主电源监控信号，当主电源断电时，PLC发出分闸信号，断开主断路器。