PLC在礦井主排水控制系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以微處理器為核心的可編程序控制器(PLC)控制已逐步 取代繼電器控制，普遍應(yīng)用于各行各業(yè)的自動(dòng)化控制領(lǐng)域。煤炭行業(yè)也不例外，但目前煤礦 井下主排水系統(tǒng)仍多采用繼電器控制，水泵的開(kāi)停及選擇切換均由人工完成，還做不到根據(jù)水位或其它參數(shù)自動(dòng)開(kāi)停水泵，這將嚴(yán)重影響井下主排水泵房的管理水平和經(jīng)濟(jì)效益的提高 。

岱莊煤礦是1999年設(shè)計(jì)竣工的生產(chǎn)能力為1.8Mt／a的現(xiàn)代化礦井，井下涌水量較大，中央泵 設(shè)計(jì)安裝了5臺(tái)MD500-57×9主排水泵，配套電動(dòng)機(jī)1250kW，3趟排水管路。正常涌水時(shí)，2 臺(tái)工作，2臺(tái)備用，1臺(tái)檢修。鑒于PLC的先進(jìn)性和可靠性，煤炭工業(yè)邯鄲設(shè)計(jì)院對(duì)5臺(tái)主排水泵及其附屬的抽真空系統(tǒng)與管道電動(dòng)閥門(mén)等裝置實(shí)施了PLC自動(dòng)控制及運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)，動(dòng)態(tài)顯示，并將數(shù)據(jù)傳送到地面生產(chǎn)調(diào)度中心，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及報(bào)警顯示。

系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)水倉(cāng)水位和其它參數(shù)，控制水泵輪流工作與適時(shí)啟動(dòng)備用泵，合理調(diào) 度5臺(tái)水泵運(yùn)行。系統(tǒng)通過(guò)觸摸屏以圖形、圖像、數(shù)據(jù)、文字等方式，直觀、形象、實(shí)時(shí)地 反映系統(tǒng)工作狀態(tài)以及水倉(cāng)水位、電機(jī)工作電流、電機(jī)溫度、軸承溫度、3趟排水管流量等 參數(shù)，并通過(guò)通訊模塊與綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)控主機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。該系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、操作方便 、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，并可節(jié)省水泵的運(yùn)行費(fèi)用。

2、系統(tǒng)組成

岱莊煤礦中央泵房井下主排水泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)自 動(dòng)采集、自動(dòng)輪換工作、自動(dòng)控制、動(dòng)態(tài)顯示及故障記錄報(bào)警和通訊接口等5個(gè)部分組成。

2、1 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與檢測(cè)

數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與檢測(cè)主要分為兩類：模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)。

模擬量檢測(cè)的數(shù)據(jù)主要有：水倉(cāng)水位、電機(jī)工作電流、水泵軸溫、電機(jī)溫度、3趟排水管流量；數(shù)字量檢測(cè)的數(shù)據(jù)主要有：水泵高壓啟動(dòng)柜真空斷路器和電抗器柜真空接觸器的狀態(tài)、電動(dòng)閥的工作狀態(tài)與啟閉位置、真空泵工作狀態(tài)、電磁閥狀態(tài)、水泵吸水管真空度及水泵出水口壓力。

數(shù)據(jù)自動(dòng)采集主要由PLC實(shí)現(xiàn)，PLC模擬量輸入模塊通過(guò)傳感器連續(xù)檢測(cè)水倉(cāng)水位，將水位變 化信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，控制排水泵的啟停。電機(jī)電流、水泵軸溫、電機(jī)溫度、排水管流量等傳感器與變送器，主要用于監(jiān)測(cè)水泵、電機(jī)的運(yùn)行狀況，超限報(bào)警，以避免水泵和電機(jī)損壞。PLC的數(shù)字量輸入模塊將各種開(kāi)關(guān)量信號(hào)采集到PLC中作為邏輯處理的條件和依據(jù)，控制排水泵的啟停。

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，模擬量信號(hào)的處理是將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)(A/D轉(zhuǎn)換)，其變換速度由采樣定律確定。一般情況下，采樣頻率應(yīng)為模擬信號(hào)中最高頻率成分的2倍以上，這樣經(jīng)A/D變換的精度可完全恢復(fù)到原來(lái)的模擬信號(hào)精度。A/D變換的精度取決于A/D變換器的位數(shù)。如5V電壓要求以5mV精度變換時(shí)，精度為5mV/5V=0.1%,即1/1000十進(jìn)制的1000用二進(jìn) 制表示時(shí)要求為10位,而本系統(tǒng)所采用的A/D模塊分辨率為16bit,其精度在±0.05%以上，該精度等級(jí)足以滿足控制系統(tǒng)要求。同時(shí)，PLC所采用的A/D模塊均以積分方式變換，可使輸入信號(hào)的尖峰噪音和感應(yīng)噪聲平均化，適用于噪音嚴(yán)重的工業(yè)場(chǎng)所。

2、2 自動(dòng)輪換工作

為了防止因備用泵及其電氣設(shè)備或備用管路長(zhǎng)期不用而使電機(jī)和電氣設(shè)備受潮或其他故障未 經(jīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作泵出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵時(shí)，而不能及時(shí)投入以至影響礦井安全，本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)了5臺(tái)泵自動(dòng)輪換工作控制，控制程序?qū)⑺脝⑼４螖?shù)及運(yùn)行時(shí)間和管路使 用次數(shù)及流量等參數(shù)自動(dòng)記錄并累計(jì)，系統(tǒng)根據(jù)這些運(yùn)行參數(shù)按一定順序自動(dòng)啟停水泵和相 應(yīng)管路，使各水泵及其管路的使用率分布均勻，當(dāng)某臺(tái)泵或所屬閥門(mén)故障、某趟管路漏水時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，并在觸摸屏上動(dòng)態(tài)閃爍顯示，記錄事故，同時(shí)將故障泵或管路自 動(dòng)退出輪換工作，其余各泵和管路繼續(xù)按一定順序自動(dòng)輪換工作，以達(dá)到有故障早發(fā)現(xiàn)、早處理，以免影響礦井安全生產(chǎn)的目的。

2、3 自動(dòng)控制

系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)選用了日本歐姆龍公司C200HE型PLC為控制主機(jī)，該機(jī)為模塊化結(jié)構(gòu)，由PLC機(jī) 架、CPU、數(shù)字量I/O、模擬量輸入、電源、通訊等模塊構(gòu)成。PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)根據(jù)水倉(cāng) 水位的高低、井下用電負(fù)荷的高、低峰和供電部門(mén)所規(guī)定的平段、谷段、峰段供電電價(jià)時(shí) 間段(時(shí)間段可根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)在觸摸屏上進(jìn)行調(diào)整和設(shè)置)等因素，建立數(shù)學(xué)模型，合理調(diào)度水泵，自動(dòng)準(zhǔn)確發(fā)出啟、停水泵的命令，控制5臺(tái)水泵運(yùn)行。

為了保證井下安全生產(chǎn)，系統(tǒng)可靠運(yùn)行，水位信號(hào)是水泵自動(dòng)化一個(gè)非常重要的參數(shù)，因此，系統(tǒng)設(shè)置了兩套水位傳感器，模擬量和開(kāi)關(guān)量傳感器，兩套傳感器均設(shè)于水倉(cāng)的排水配水倉(cāng)內(nèi)，PLC將接受到的模擬量水位信號(hào)分成若干個(gè)水位段，計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，同時(shí)檢測(cè)井下供電電流值，計(jì)算用電負(fù)荷率，根據(jù)礦井涌水量和用電負(fù)荷，控制在用電低峰和一天中電價(jià)最低時(shí)開(kāi)啟水泵，用電高峰和電價(jià)高時(shí)停止水泵運(yùn)行，以達(dá)到避峰填谷及節(jié)能的目的。

2、4 動(dòng)態(tài)顯示

動(dòng)態(tài)模擬顯示選用日本Digital公司的GP-570T型觸摸式工業(yè)圖形顯示器(觸摸屏)，系統(tǒng)通過(guò)圖形動(dòng)態(tài)顯示水泵、真空泵、電磁閥和電動(dòng)閥的運(yùn)行狀態(tài)，采用改變圖形顏色和閃爍功能 進(jìn)行事故報(bào)警。直觀地顯示電磁閥和電動(dòng)閥的開(kāi)閉位置，實(shí)時(shí)顯示水泵抽真空情況和壓力值 。

用圖形填充以及趨勢(shì)圖、棒狀圖方式和數(shù)字形式準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地顯示水倉(cāng)水位，并在啟停水泵的水位段發(fā)出預(yù)告信號(hào)和低段、超低段、高段、超高段水位分段報(bào)警，用不同音響形式提醒工作人員注意。

采用圖形、趨勢(shì)圖和數(shù)字形式直觀地顯示3趟管路的瞬時(shí)流量及累計(jì)流量，對(duì)井下用電負(fù)荷的監(jiān)測(cè)量、電機(jī)電流和水泵瞬時(shí)負(fù)荷及累計(jì)負(fù)荷量、水泵軸溫、電機(jī)溫度等進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示、 超限報(bào)警，自動(dòng)記錄故障類型、時(shí)間等歷史數(shù)據(jù)，并在屏幕下端循環(huán)顯示最新出現(xiàn)的3條故障(故障顯示條數(shù)可在觸摸屏上設(shè)置)，以提醒工作人員及時(shí)檢修，避免水泵和電機(jī)損壞。

2、5 通訊接口

PLC通過(guò)通訊接口和通訊協(xié)議，與觸摸屏進(jìn)行全雙工通訊，將水泵機(jī)組的工作狀態(tài)與運(yùn)行參數(shù)傳至觸摸屏，完成各數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示；同時(shí)，操作人員也可利用觸摸屏將操作指令傳至PL C，控制水泵運(yùn)行。PLC同時(shí)將水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)經(jīng)安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分站傳至地面 生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控中心主機(jī)，與全礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，管理人員在地面即可掌握井下主排水系統(tǒng)設(shè)備的所有檢測(cè)數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，又可根據(jù)自動(dòng)化控制信息，實(shí)現(xiàn)井下主排水系統(tǒng) 的遙測(cè)、遙控，并為礦領(lǐng)導(dǎo)提供生產(chǎn)決策信息。觸摸屏與監(jiān)測(cè)監(jiān)控主機(jī)均可動(dòng)態(tài)顯示主排水系統(tǒng)運(yùn)行的模擬圖、運(yùn)行參數(shù)圖表，記錄系統(tǒng)運(yùn)行和故障數(shù)據(jù)，并顯示故障點(diǎn)以提醒操作人員注意。

3、系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

(1)PLC控制程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可按程序模塊分段調(diào)試，分段運(yùn)行。該程序結(jié)構(gòu)具 有清晰、簡(jiǎn)捷、易懂，便于模擬調(diào)試，運(yùn)行速度快等特點(diǎn)。
(2)系統(tǒng)根據(jù)水位和壓力控制原則，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)水泵的輪換工作，延長(zhǎng)了水泵的使用壽命。
(3)系統(tǒng)可根據(jù)投入運(yùn)行泵組的位置，自動(dòng)選擇啟動(dòng)就近的真空泵，若在程序設(shè)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)不到真空度，便自動(dòng)啟動(dòng)備用真空泵。
(4)系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷和供電部門(mén)所規(guī)定的平段、谷段、峰段供電電價(jià)時(shí)間段，以“避峰填谷”原則確定開(kāi)、停水泵時(shí)間，從而合理地利用電網(wǎng)信息，提高礦井的電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量。
(5)PLC自動(dòng)檢測(cè)水位信號(hào)，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，自動(dòng)投入和退出水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，合理地調(diào)度水泵運(yùn)行。
(6)在觸摸屏上動(dòng)態(tài)監(jiān)控水泵及其附屬設(shè)備的運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)顯示水位、流量、壓力、溫 度、電流、電壓等參數(shù)，超限報(bào)警，故障畫(huà)面自動(dòng)彈出，故障點(diǎn)自動(dòng)閃爍。具有故障記錄，歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。
(7)系統(tǒng)具有通訊接口功能，PLC可同時(shí)與觸摸屏及地面監(jiān)測(cè)監(jiān)控主機(jī)通訊，傳送數(shù)據(jù)，交換信息，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控功能。
(8)系統(tǒng)保護(hù)功能有以下幾種。
超溫保護(hù)：水泵長(zhǎng)期運(yùn)行，當(dāng)軸承溫度或定子溫度超出允許值時(shí)，通過(guò)溫度保護(hù)裝置及PLC 實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警。
流量保護(hù)：當(dāng)水泵啟動(dòng)后或正常運(yùn)行時(shí)，如流量達(dá)不到正常值，通過(guò)流量保護(hù)裝置使本 臺(tái)水泵停車(chē)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為啟動(dòng)另一臺(tái)水泵。
電動(dòng)機(jī)故障：利用PLC及觸摸屏監(jiān)視水泵電機(jī)過(guò)電流、漏電、低電壓等電氣故障，并參與控制。
電動(dòng)閘閥故障：由電動(dòng)機(jī)綜保監(jiān)視閘閥電機(jī)的過(guò)載、短路、漏電、斷相等故障，并參與水泵的聯(lián)鎖控制。
(9)系統(tǒng)控制具有自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)檢修3種工作方式。自動(dòng)時(shí)，由PLC檢測(cè)水位、壓力及有關(guān)信號(hào)，自動(dòng)完成各泵組運(yùn)行，不需人工參與；半自動(dòng)工作方式時(shí)，由工作人員選擇某臺(tái)或幾臺(tái)泵組投入，PLC自動(dòng)完成已選泵組的啟停和監(jiān)控工作；手動(dòng)檢修方式為故障檢修和手動(dòng)試車(chē)時(shí)使用，當(dāng)某臺(tái)水泵及其附屬設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，該泵組將自動(dòng)退出運(yùn)行，不影響其它泵組正常運(yùn)。PLC柜上設(shè)有該泵的禁止啟動(dòng)按鈕，設(shè)備檢修時(shí)，可防止其他人員誤操作，以保證系統(tǒng)安全可靠。系統(tǒng)可隨時(shí)轉(zhuǎn)換為自動(dòng)和半自動(dòng)工作方式運(yùn)行