自动化排水（精选8篇）
自动化排水 篇1
摘要：煤矿井下排水是一项比较复杂的工作, 为满足煤矿井下排水的需求, 煤矿企业通过引进自动化技术来不断优化井下排水系统的运行。煤矿井下排水系统自动化的核心是PLC, 采用自动控制的方式提高井下排水系统的可靠性, 体现井下排水系统自动化的优势。本文以煤矿井下排水为研究背景, 分析井下排水系统的自动化建设。
关键词：煤矿,井下排水,自动化
煤矿井下排水系统非常复杂, 结合井下排水的需求, 设计具有自动控制功能的排水方案, 在PLC技术的干预下, 实现自动化控制。井下排水系统自动化中需要深化软件控制, 实时监控井下排水状态, 提供有效实现控制自动化, 保障井下排水系统控制的准确度, 保障排水系统的稳定运行, 以免过度浪费煤矿井下的用水资源, 体现排水系统的节约特性。
1 煤矿井下排水系统自动化的设计方案
煤矿井下排水系统自动化的设计方案, 主要包括中央泵房设计、自动监控系统及排水系统的自动监控三个方面的内容。
1.1 中央泵房设计
中央泵房是煤矿井下排水系统的核心, 提供排水动力[1]。中央泵房内的各项设备处于配合工作的状态, 目的是达到自动控制的状态, 排水系统自动化的中央泵房设计中, 比较常用的是单台水泵工作, 以某煤矿井下排水系统为例, 分析自动化控制下中央泵房的设计: (1) 止水阀应该稳定的安装到排水管上, 闸阀、电动装置等都要安装到位, 支持中央泵房设计的手动和电动部分; (2) 水泵出口处需要安装压力监测装置, 如压力表, 监控并传送水泵出口的压力, 保障排水系统自动化的安全运行; (3) 严格控制中央泵房各项设备的型号, 不同型号的设备或装置, 对应了不同的功能, 中央泵房设计的过程中, 还要着重审核设备型号, 以免出现型号不匹配的情况, 进而完善中央泵房的运行。
1.2 自动监控系统的组成
煤矿井下排水系统自动化的重点是监控系统。监控系统的中心是CPU模块、PLC控制柜以及远程系统。
自动监控系统由9个部分组成, 全面监控排水系统的自动化运行。自动监控系统的组成部分主要包括: (1) 水位监控:水位监控模块用于监控吸水井的水位, 利用超声波液位仪收集吸水井的信号, 实时反馈吸水井的水位变化; (2) 开关柜监控, 水泵启动时, 开关柜内各项参数都会发生变化, 参数信号由RS485传输到PLC控制柜, 此时自动监控系统需要识别PLC控制柜内接收的信息, 判断开关柜的运行是否正常; (3) 闸位置监控, 自动监控系统在闸门处安装了行程开关, 行程开关会提供开关信号, 同样传输到PLC控制柜内执行逻辑判断; (4) 球阀阀位监控, 其与阀位置监控的方式相同; (5) 温度监控, 排水系统内安装了温度探头, 用于感应偏离正常温度的系统位置, 如果系统潜在高温危害, 温度探头会将此信息传递到自动监控系统内, 提示温度过高并采取保护措施; (6) 信号监控, 自动监控系统以压力、负压为主, 识别排水系统自动化运行的状态; (7) 故障监控, 此部分是自动监控系统的重点, PLC控制柜不断收集现场排水的信息, 分析现场信息的状态, 找出异常的参数, 明确引起参数异常的故障; (8) 水泵启停监控, 井下排水系统的水泵, 按照指令实现自动化启停, 自动监控系统需监督水泵启停, 防止出现不准确的启停操作; (9) 停泵监控, 供电高峰期间, 煤矿井下排水系统需停止运行, 此时自动监控系统需发送停泵指令。
1.3 排水系统的自动监控
煤矿井下排水系统自动化的运行, 必须通过PLC实现监控。排水系统自动监控的方式主要有三类[2]。第一是全自动控制, 完全由PLC控制柜控制, 实现排水系统的自动化运行和自动监控, 整个监控过程不需要人为参与;第二是就地控制, 便于维护排水系统自动化的安全状态, 保障各项排水设备的准确运行, 其可规范排水设备的状态, 不会发生误动的情况;第三是半自动控制, 其可分为半自动调度室集控和半自动触摸屏集控两类, 通过对应的端口完成对排水系统的监控操作。
2 煤矿井下排水系统自动化的软件设计
煤矿井下排水系统自动化的软件主要是指PLC的软件设计, 因为PLC是可编程序的控制器, 所以PLC的软件设计可以执行编译命令, 对排水系统的自动化进行控制。
2.1 设计操作方式
煤矿井下排水系统的自动化, 对PLC软件设计的操作方式有一定的要求。PLC软件设计中的操作方式, 必须符合排水系统自动化的状态, 保障操作方式的准确切换, PLC软件设计时, 需要感应操作方式的状态, 只有在停泵的状态下, 才能进行操作方式的转化, 如果水泵没有停止就执行切换, PLC会发出警报, 提示操作人员误动。
2.2 设计水泵启停
水泵与煤矿井下排水系统自动化的安全存在直接的联系, 煤矿企业非常注重水泵的启停控制, 确保其出于安全的运行状态, 避免影响排水系统自动化的运行状态[3]。PLC软件设计中, 深化了水泵启停的设计, 运用自动控制的方式, 维持水泵安全启停的状态。水泵启停的设计内容有: (1) PLC软件接入地面监控中心, 实时传送水泵的运行信息, 远程监控水泵的启停工作; (2) 保留PLC软件设计中的手动功能, 作为水泵启停控制的备用; (3) PLC软件设计中引入就地自排的思想, 监控水泵在排水自动化中的运行方式。
2.3 设计水泵台数
煤矿井下的排水量是一个不确定的数值, 存在很大的变动特性[4]。PLC软件设计时需要监控井下排水量, 根据井下排水量设计水泵的台数, 还要考虑井下排水的用电时段, 尽量降低用电高峰期的水泵台数。
3 煤矿井下排水系统自动化的硬件设计
煤矿井下排水系统自动化的硬件设计, 相对软件设计要简单。硬件设计的内容体现在以下三个方面。
第一, 是PLC选型的应用。PLC内存在可编写的程序, 而PLC是一项硬件装置, 需要根据煤矿井下排水系统自动化的需求, 选择合适的PLC, 通过PLC硬件装置, 提升排水系统的控制能力, 还要保障排水系统的安全性。
第二, 是传感器分配的应用。井下排水系统的传感器类型较多, 如:液位传感器、压力传感器、温度传感器等, 传感器负责传输排水系统自动化的状态参数, 降低排水系统监督的难度, 保障自动监控系统的准确运行。
第三, 是电动球阀的应用。煤矿井下排水系统自动化的规模较大, 由此硬件设计中将电动球阀的选用归属为技术领域, 致力于通过设计电动球阀, 强化排水系统的密封性, 进而加强排水系统自动化的控制能力, 准确应用电动球阀, 完善排水系统自动化的监控与运行。
4 结束语
煤矿井下排水对自动化水平的要求比较高, 传统的排水方式存在严重的缺陷, 严重浪费排水资源, 不利于煤矿整个排水系统的运行, 所以煤矿企业针对井下排水系统实行自动化的设计, 运用PLC、自动控制的理念, 强化井下排水系统的自动化, 一方面优化排水系统的自动化运行, 另一方面监控排水状态, 促使井下排水的状态达到最佳, 最大程度的控制排水效益。
参考文献
[1]李强.煤矿主排水监控系统的设计及应用[D].太原理工大学, 2010.
[2]赫飞, 张鹏, 汪玉凤.基于PLC的煤矿井下排水系统的设计[C].全国冶金自动化信息网, 《冶金自动化》杂志社.
[3]自动化技术与冶金流程节能减排——全国冶金自动化信息网2008年会论文集[C].全国冶金自动化信息网, 《冶金自动化》杂志社, 2008:3.
[4]李宁, 魏传勇.煤矿井下排水自动控制系统关键技术分析[J].现代商贸工业, 2010, 3:318.
[5]丁丽萍, 朱晓洁, 王启峰, 蒋伟.煤矿井下沿巷涌水汇集点及中转水仓自动排水系统设计[J].工矿自动化, 2013, 08:114-116.
煤矿排水泵自动控制系统设计 篇2
关键词：排水泵自动控制PLC单片机
0引言
在煤矿排水泵站中，一般有一个由多台排水泵组成的较大的泵站，它在整个排水系统中起着很重要的作用。尤其在出现透水的情况下，显得尤为重要。由于积水受环境的影响很大，因而排水泵的运行台数也会因此有较大的变化，如果控制系统设计不当，就会造成排水泵的频繁启制动，或各台电机运行时间长短相差过分悬殊，这样会加重泵的磨损、缩短泵的寿命，同时会造成对电网的频繁冲击，增加电能的损耗。
1排水泵自动控制系统设计——单片机自动控制系统的实现
1.1控制系统的构成单片机水泵控制系统分为井上和井下2个主要部分，采用微型机和单片机来实现分布式实时控制，两者通过调制解调器及2条电话线实现数据传送。
上位机是设在中央变电所主控制室的80486DX4-S微型机，其作用是接收并贮存下位机发来的数据，输出各种报表及汇总数据。并向单片机发出各种控制命令，实现远程控制。单片机的作用是完成水泵的定时启动，低水位停机，测控水泵及电机的轴承温度、填料温度、定子温度，监视电压、电流、功率等参数，并接收上位机发来的控制信息、自动切换故障机组，对现场进行实时控制。并配打印机、软盘驱动器、显示器和调制解调器。
下位机由MCS-51系列8031单片机构成，应用8255A作并行I/O。扩展接口芯片，应用EPROM2764固化主控程序，6116RAM程序数据存储芯片。水位、电量、温度和流量等参数通过相应的传感器经过放大滤波、多路开关和采样保持器送入数模转换器ADC0809。数据通讯采用半双工方式，通过RS－232标准接口与调制解调器相连，数据传输率为300bps。
1.2控制系统软件设计与程序流程上位机程序包括系统命令程序和数据处理程序，系统命令程序是向单片机发送控制命令。打印运行记录和汇总，查看数据等；数据处理程序负责建立数据文件，打印故障状态，打印运行日志，并存储60天内的运行参数。单片机的程序采用模块式结构，包括主程序、子程序和中断服务程序等。主程序的作用是对系统进行初始化、测量各种参数和控制系统运转。子程序主要分为数据采集、标度变换、故障处理、数据传送和显示子程序。中断服务程序主要有时钟服务程序等。
开机后系统首先检测水位，如水位高于危险水位，则优先启动水泵，否则就要看是否到达启动水泵的时间，如时间已到达，还要检测电网的负荷情况。若电网负荷不高，立即启动水泵。在开泵时间不到的情况下，若上位机输入启动命令，且电网负荷不高，也立即启动水泵。在启动条件满足后，打开电磁阀，启动水泵。系统按水泵编号顺序依次启动。如某台水泵封锁，则跳过，启动下一台。
CPU在输出打开电磁阀的指令后，水泵的射流系统开始抽真空，然后系统判断是否达到真空度。按照规定，水泵应在300s内完成启动，因此，达到真空度的同时，还有一定的时间限制，该时间定为255so若在255s内有真空度信号，则合上真空开关电磁阀，开启电动阀门。电动阀门开启10s后，系统置水泵为运转状态，开始测量机组运行参数及压力。如果水泵不能上水，说明此时压力降低。当压力低于3.9Pa时，系统自动停止水泵运转。
各个执行机构动作后，都有一个相应的表示设备状态的开关信号返回。在某一执行机构动作后，便检查该执行机构的返回信号。如果没有返回信号，说明此机构出现问题，就换另一机构启动，并显示故障位置，使已经动作的各执行机构恢复初始状态，置该机组为封锁状态，并由上位机打印出故障现象。水泵运行后，系统便检测电压、电流、功率、电机定子、轴承的温度、泵体填料以及其它参数，并送到LED数码管显示，每点显示2s。
对于上位机，通电后通讯接口立即被初始化，控制命令装入内存，显示一组菜单，可以按照菜单进行操作。将这些命令通过数据发送程序，送往单片机；对于单片机送来的数据，由数据接收程序接收，再由数据处理程序进行处理。上位机接收到的数据分为2类，即查看数据和记录类数据。前者由上位机从单片机调用出来，只显示数据并不作记录，后者是单片机主动发送过来的数据，进行存盘和打印记录，作为运行日志或故障记录。
2结束语
矿山排水系统自动化研究与应用 篇3
随着微处理技术的叙述发展, 可编程控制器[1]作为一种新型的工业控制装置, 以其不仅具有逻辑控制功能, 而且还具有算术运算、模拟量处理和通讯联网等功能的特有优势, 现在已经被广泛应用于包括煤炭行业工业生产的各个领域。但目前国内煤矿井下主排水系统仍多采用继电器控制, 水泵的开停及选择切换均由人工完成, 这将严重影响井下排水泵房的管理水平和经济效益的提高。
目前矿山机电管理规范化已经达到很高的水平, 为了实现机电管理现代化、统一集成化, 使煤矿机电管理再上1个新台阶, 整个矿山综合自动化项目实施势在必行, 而排水自动控制系统的实施是矿山自动化平台建设的重要一环。
1 系统需求
1.1 技术要求
a) 排水自动化系统能够实现对井下水泵及相关设施的控制;
b) 充分满足现场运行、检修要求, 确保整个系统运行可靠、故障率低、维护方便、修改灵活;
c) 系统具有灵活、可靠的控制功能, 简单实用, 易于掌握;
d) 系统具有自诊断及故障信息存储功能;
e) 能够实现水泵的自动、手动、远程的分别控制;
f) 系统结构合理, 便于扩展。
1.2 用户要求
控制系统由地面控制台、井下控制分站组成, 控制器选用西门子S7300 PLC, 实现就地控制、地面远程和检修模式三种控制模式, 远程控制可以分为联锁控制、集中控制和单机控制等多种控制模式, 可以供操作者根据现场实际情况灵活选用, 确保在系统正常运行时操作灵活、易于维护, 在系统出现故障或通讯中断时本地可以就地控制确保水泵设备的正常运行, 提高系统的稳定性。实现水泵的自动控制和无人职守。控制设备或传感器的选型满足煤矿安全生产的有关规定。充分满足现场运行、检修要求。保证整个系统运行可靠、故障率低、维护方便、修改灵活。系统具有灵活、可靠的控制功能, 简单实用, 易于掌握, 人机界面友好。系统具有自诊断功能, 并具有语音、图象以及报警功能。系统具有实时数据采集、处理及显示功能。
1.3 通信要求
接口、光接口和Profibus-DP接口[2]并符合煤矿井下相关防爆标准。提供的接入设备应支持标准开放的通信协议, 如通信协议厂家出于保密等方面原因不能够公开时则必须提供相应的通信驱动软件。通信驱动软件必须能够提供标准的OPC、DDE、NETDDE等标准接口, 同时驱动接口软件支持至少2个客户端的读取访问。
2 排水控制系统结构设计
2.1 控制系统工作过程
a) 控制系统就地显示控制可采用西门子液晶触摸屏TP270完成, 可显示水泵电机的电压, 电流以及功率因数;通过指示灯显示水泵及附属设备的工作状态;水泵的开停及附属设备开停控制。能对水泵进行就地控制, 它可作为水泵的操作柜。显示屏具有RS485通讯接口, 通过以太网或工业总线接口与上级监控系统完成通讯, 实现远距离监控;
b) 监测需要的所有信号, 经传感器检测, 送入相应的信号变送器[3]变成标准的4 m A~20 m A信号或1 V~5 V信号, 由变送器送入S7-300控制器配置的I/O模块, 实现对原始一次信号的采集, 实现对所监测信号的采集与传输, 包括所需的电气参数、水泵系统工作状态、故障等信号等。同时能接受上级监控系统传来的各种动作指令和保护调试指令并可靠执行, 实现远方操作或自动化运行控制、接受解锁命令后能修改参数设定等;
c) 水位检测、流量检测:超声波水位计、超声波流量计信号接入;
d) 射流系统:真空度检测、射流电磁阀控制、排气管路电磁阀控制等;
e) 抽真空系统:抽真空电机控制、排气管路电磁阀控制、真空度检测等。
2.2 系统功能及特点
2.2.1 系统特点
选用先进的S7300可编程控制器, 系统实时性好, 可靠性高, 数据处理速度快;
采用分布式控制结构和人工智能技术, 系统具有非常高的安全性。当地面部分出现控制故障或通讯系统中断的情况下时, 井下部分随即转入自动运行状态;
通讯网络速度快, 距离远, 可靠性高;
界面直观友好, 操作简便, 功能齐全。人机界面全中文显示, 具有实时报警监视;
维护方便, 运行费用低。系统扩展方便, 可随时增加节点, 并可通过网络由中控室在线修改程序。控制器和网络可靠性高, 维护工作量小。
2.2.2 系统功能
实现泵房及水源井无人值守自动控制运行。
具有系统故障自诊断功能, 包括PLC故障自诊断、传感器故障自诊断等。
水泵具有遥控 (地面中心控制) 、自动 (与水仓水位联锁) 、手动 (人工手动开停) 等多种控制模式。
水泵出水管路的流量监测显示。
水泵水压、电压、电流等参数的测试与分析。
泵房排水系统效率的测试与分析。
实现水泵真空泵引水和射流引水的自动转化。
水仓水位实时监测, 实现高、低水位报警。
监测系统可实时显示并保存各种参数及状态, 对于模拟量参数可进行图形曲线显示, 可以随时查看一段时期内的历史数据。
本控制系统要配有以太网模块, 可以通过光缆将中央泵房内水泵机组的运行状态、参数及视频等信息上传到地面控制室, 地面控制室通过局域网再将这些信息传至有关部门, 管理人员在地面即可掌握井下排水系统设备的所有检测数据及工作状态[4]。
地面控制中心计算机的图表功能丰富, 界面友好操作简单。
不管手动或自动开机时, 在上位机上都要有数据检测并显示。
主排水系统主机能上传供电数据, 通讯协议开放[5]。
矿井水温、水质情况发生突变时, 能及时检测反馈。
2.2.3 系统软件功能
实时数据表格:可以访问当前数据和任意时间的历史数据, 报警数据用红色表示, 能够声音报警, 异常 (过载、水位溢出等) 数据也用醒目的颜色区别显示。
报警故障记录:可以显示各子系统的报警信息、故障信息, 并可按单位、类型、持续时间等进行组合查询。
趋势曲线:可以在1个坐标内显示多条曲线;可以放大曲线显示;可以打印曲线。
数据管理:将生产数据分为班组、月度、年度生产报表;对设备运行数据及其他安全信息分类管理。
报表打印功能:可以将各种方式查询的各种表格数据提供打印预览及打印功能。
系统扩展:系统采用统一、标准的数据接口[6]采集各生产单位监测监控系统的数据, 保证采集数据的准确性。接口数据具有实时性和可扩展性, 满足实时数据的要求, 当监测数据有增、减等变动时, 可自动反映到系统之中。同时, 可将各监测数据进行专业级后处理, 作为上一级信息网的信息源。
3 结语
矿井排水系统自动化控制提高了排水系统的可靠性、安全性, 自动化系统的建立, 简化了排水系统的操作步骤, 提高了劳动效率, 实现了岗位的无人值守, 达到了技术减人, 增加了企业的效益。矿井将继续把自动化建设作为依靠科技进步发展煤炭事业的重要内容, 积极引进先进的装备和技术, 不断完善现代化的生产经营管理手段, 提高整个矿井现代化管理水平, 创造良好的安全和经济效益。
参考文献
[1]廖常初.S7300/400PLC应用教程[M].北京:机械工业出版社, 2010.
[2]冯博琴, 吴宁.微型计算机原理与接口技术[M].北京:清华大学出版社, 2007.
[3]张智贤.自动化仪表与过程控制[M].北京:中国电力出版社, 2009.
[4]吴仲阳.自动控制原理[M].内蒙古:内蒙古科学技术出版社, 2003.
[5]谢剑英, 贾青.微型计算机控制技术[M].上海:上海交通大学出版社, 2009.
矿井自动化排水系统分析与研究 篇4
井下排水系统是矿山生产中四大系统之一, 担负着井下积水排除的重要任务。然而, 目前我国的井下排水系统仍有很多依靠传统的人工操作方式。本文中分析了传统的排水系统的组成及工作过程, 并指出其存在的问题。为此, 提出采用矿井排水系统自动化控制系统来解决目前矿井排水系统存在的问题。
1 井下排水系统存在的问题
目前, 我国大多矿山企业的井下水泵房使用的仍是传统的人工操作排水系统, 以离心式水泵系统为主。这种排水系统的操作以离心式水泵的工作特性为基础, 泵站的起停时间判断, 完全依赖于工人的经验和已有的操作规程。当水仓水位到达设定的高水位时, 工人打开射流泵 (或真空泵) , 为水泵抽真空, 同时观测真空表的读数。真空度达到要求后, 起动水泵机组, 使水泵运转。当水泵出水口压力表读数达到要求时, 开起闸阀进行排水, 同时关闭抽真空的射流泵 (或真空泵) 。
停泵过程要进行相反的操作。当水仓积水降至低水位时, 先将闸阀关死, 再停水泵机组。
其存在的问题有如下几点:
1) 效率低、可靠性差。这种排水系统的工作流程完全由手工完成, 工人按部就班的完成各个执行件的操作。另外, 对水位、涌水量大小等现场数据的判断依赖于工人的经验。作业过程比较复杂, 要求工人具有很强的责任心, 否则可能出现误操作, 甚至发生大的事故。
2) 工人劳动强度大。人工操作无法避免高强度的劳作。尤其是闸阀的操作, 劳动量最大。而且, 水泵房要时时有人值守, 以便在发生异常情况时, 及时报警检修。
2 矿井排水系统自动化控制
针对上述排水系统存在的问题, 本文提出了基于PLC的矿井主排水自动控制系统的设计。自动控制系统的应用, 将使得排水系统可靠性增强, 整个工作流程通过软件的编程来实现, 程序确定后, 水泵机组将按给定的程序自动启停水泵、开合阀门, 极大的减小工人的劳动强度。PLC将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统传至地面生产调度监控中心主机, 管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态, 又可根据自动化控制信息, 实现井下主排水系统的遥测、遥控。
2.1 排水系统参数检测
排水装置要实现自动控制、无人职守, 最根本的就是让控制系统了解自动化系统中各个设备的状况和运行状态。这些运行状态经过系统中央处理单元的分析和运算后, 做出判断并显示给集中监控室 (见图1) 。
2.2 基于PLC的井下自动排水系统总体设计
2.2.1 控制系统总体结构
系统采用现场层 (远程IO) , 控制层 (PLC) 和管理层 (工业计算机) 组成的三级控制系统来实现排水系统的自动控制。工业计算机利用友好人机界面实现人机对话和远程监控功能, PLC作为控制器完成逻辑处理和控制任务, 远程IO实现现场数据的采集和上传。
2.2.2 基于PLC的井下自动排水系统可实现的功能
1) 数据自动采集与检测
数据自动采集与检测主要分为两类:模拟量数据和数字量数据。模拟量检测的数据主要有:水仓水位、电机工作电流、水泵轴温、电机温度、水泵的流量、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力;数字量检测的数据主要有:水泵高压启动柜真空断路器和电抗器柜真空接触器的状态、电动闸阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态、电动球阀状态。
数据自动采集主要由PLC实现, PLC模拟量输入模块通过传感器连续检测水仓水位, 将水位变化信号进行转换处理, 计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率, 从而判断矿井的涌水量, 控制排水泵的启停。影响水位的因素主要来自两方而:一是水位计故障 (如遭受杂物撞击) , 二是水位信号受干扰 (如水波动较大) 。对于前一个因素采用双水位计, 在水仓中设置两个同样的水位计, PLC同时对两个水位计取样。如果两路信号相差大于0.15m时系统报警, 要求值班人员进行检查;而对于信号干扰, 则采用软件过滤, 只有当信号在某一值附近稳定足够时间, 且回差足够小时才作为控制量使用, 防止了因干扰而导致机组误动的情况。
2) 自动轮换工作
为了防止因备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而使电机和电气设备受潮或其他故障未经及时发现, 当工作泵出现紧急故障需投入备用泵时, 而不能及时投入以至影响矿井安全, 系统程序设计了水泵自动轮换工作控制, 控制程序将水泵启停次数及运行时间和管路使用次数及流量等参数自动记录并累计, 系统根据这些运行参数按一定顺序自动启停水泵和相应管路, 使各水泵及其管路的使用率分布均匀, 当某台泵或所属阀门故障、某趟管路漏水时, 系统自动发出声光报警, 并在触摸屏上动态闪烁显示, 记录事故, 同时将故障泵或管路自动退出轮换工作, 其余各泵和管路继续按一定顺序自动轮换工作, 以达到有故障早发现、早处理, 以免影响矿井安全生产的目的。
3) “避峰填谷”
所谓“避峰填谷”, 是指调度水泵在用电的“谷段”和“平段”时间段工作, 尽量避免在“峰段”启动。要实现“避峰填谷”, 需调度各水泵在用电的“谷段”和“平段”时间段, 将水仓的水位排至设定的低位, 以便水仓能够腾出尽可能大的容积, 使其在“峰段”容纳更多的矿井涌水而不用启动水泵。
4) 系统保护功能
超温保护:水泵长期运行, 当轴承温度或定子温度超出允许值时, 通过温度保护装置及PLC实现超限报警。
流量保护:当水泵启动后或正常运行时, 如流量达不到正常值, 通过流量保护装置使本台水泵停车, 自动转换为启动另一台水泵。
电动机故障:利用PLC及触摸屏监视水泵电机过电流、漏电、低电压等电气故障, 并参与控制。
电动闸阀故障:由电动机综保监视闸阀电机的过载、短路、漏电、断相等故障, 并参与水泵的联锁控制。
5) 动态显示
动态模拟显示可选用触摸屏, 系统通过图形动态显示水泵、真空泵、电动闸阀和电动球阀的运行状态, 采用改变图形颜色和闪烁功能进行事故报警。直观地显示电磁阀和电动阀的开闭位置, 实时显示水泵抽真空情况和压力值。
用图形填充以及趋势图、棒状图方式和数字形式准确实时地显示水仓水位, 并在启停水泵的水位段发出预告信号和低段、超低段、高段、超高段水位分段报警, 用不同音响形式提醒工作人员注意。
采用图形、趋势图和数字形式直观地显示管路的瞬时流量及累计流量, 对井下用电负荷的监测量、电机电流和水泵瞬时负荷及累计负荷量、水泵轴温、电机温度等进行动态显示、超限报警, 自动记录故障类型、时间等历史数据, 并在屏幕下端循环显示最新出现的3条故障 (故障显示条数可在触摸屏上设置) , 以提醒工作人员及时检修, 避免水泵和电机损坏。
6) 通讯接口
PLC通过通讯接口和通讯协议, 与触摸屏进行全双工通讯, 将水泵机组的工作状态与运行参数传至触摸屏, 完成各数据的动态显示;同时, 操作人员也可利用触摸屏将操作指令传至PLC, 控制水泵运行。PLC同时将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统分站传至地面生产调度监控中心主机, 与全矿井安全生产监控系统联网, 管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态, 又可根据自动化控制信息, 实现井下主排水系统的遥测、遥控, 并为矿领导提供生产决策信息。触摸屏与监测监控主机均可动态显示主排水系统运行的模拟图、运行参数图表, 记录系统运行和故障数据, 并显示故障点以提醒操作人员注意。
7) 三种工作方式
系统控制具有自动、半自动和手动检修3种工作方式。自动时, 由PLC检测水位、压力及有关信号, 自动完成各泵组运行, 不需人工参与;半自动工作方式时, 由工作人员选择某台或几台泵组投入, PLC自动完成已选泵组的启停和监控工作;手动检修方式为故障检修和手动试车时使用, 当某台水泵及其附属设备发生故障时, 该泵组将自动退出运行, 不影响其它泵组正常运。PLC柜上设有该泵的禁止启动按钮, 设备检修时, 可防止其他人员误操作, 以保证系统安全可靠。系统可随时转换为自动和半自动工作方式运行。
3 结论
近年来, 我国矿山行业发展迅猛, 矿山自动化生产己成为必然趋势, 而排水系统作为保障安全生产不可或缺的部分, 其自动化集中控制的实现对整个矿山生产具有非常重要的意义。建设集中控制排水系统的最终目标是将井下排水系统的集中控制纳入矿山的整体集中控制当中, 使矿山生产各个环节均实现集中控制, 实现矿山发展的巨大飞跃。S
参考文献
[1]郑锡恩.采矿设计手册矿山机械卷[M].中国建筑工业出版社, 1986.
[2]于励民, 仵自连.矿山固定设备选型设计手册[M].煤炭工业出版社, 2007.
[3]顾永辉, 范廷瓒.煤矿电工手册 (第三分册) 修订版[M].北京:煤炭工业出版社, 1997.
[4]齐允平.矿山流体机械[M].北京:煤炭工业出版社, 1990, 3.
自动化排水 篇5
现有国内矿山井下中央泵房排水自动化系统已经在多家矿山应用运行, 由于工况的复杂性, 大部分都存在或多或少的问题, 导致全自动运行时存在隐患甚至不能自动化运行。我公司在丰海煤矿、小华煤矿的主排水系统及仙亭煤矿生活供水系统中, 同时应用了多项新的技术, 保证了供排水自动化全自动运行的可靠性, 同时也起到了节能降耗的作用。
1 真空度检测系统优化
(1) 目前市场上绝大多数厂家在水泵启动前检测真空度采用以下两种方法:
①在进水管安装真空度压力变送器检测负压值, 由于检测管道中气水混合且流速很高, 负压变送器很难及时反应出当前负压值, 经常出现明显管道中气未排净但是压力显示已经到达负压设定值, 导致程序判断失误, 水泵干抽, 特别是不锈钢耐腐多级泵很容易形成叶轮烧死, 导致整台水泵需返厂维修或直接报废;
②在压力变送器不能准确判断时, 大部分厂家采用时间判断, 即开启真空泵或射流泵后, 不检测真空度, 而是直接采用延时启动水泵的方法, 这种方法对于真空度的检测和控制几乎没有, 对水泵的保护更加缺失。
(2) 新采用技术:使用德国进口水流开关配合压力变送器检测
采用德国原装进口的水流检测装置完美的解决了水泵真空度难检测的问题:在水泵进水管增加水流检测管道, 安装该水流检测装置, 通过检测真空管道水流量的方式精确检测水泵真空度, 确保水泵在真空度达到要求后启动。同时以负压变送器检测为辅助检测手段, 对两个数据的同时比较, 更加精确的判断水泵的引水效果。
2 水位检测系统选型的优化
(1) 目前国内其他厂家一般选用单个浮球开关或单个液位计进行检测, 在传感器出故障后整个自动化系统将瘫痪;
(2) 采用技术:冗余设计及独特选型
①冗余设计
水位监测系统使用冗余设计:使用两台互相备用的超声波液位计检测水仓水位, PLC系统设有检测判断程序, 当主液位计出现故障导致信号不准确时, 系统会自动切换至备用液位计;
同时系统设计两个浮球开关检测水仓水位, 该信号为开关量信号, 作为最终保障:当两台液位计全部故障, 浮球开关设置为水位高及水位超高信号, 系统接收后会自动甩开液位计信号, 根据浮球开关信号控制系统动作 (见图1) 。
②对于水面有波浪水仓的水位检测
选用超声波液位计检测水仓液位, 针对水面有波浪的水仓, 一般采用导波管测量法, 即在超声波探头下方加一根DN100以上的PVC管, 固定于水仓池壁, PVC管底部与最低液位设定点持平, 保证管内壁光滑无毛刺即可, 此时水面的波浪就无法影响到超声波液位计的检测, 保证了检测的可靠性。
3 系统失电对高扬程矿井水泵消除水锤方案
(1) 国内矿山中高扬程矿井对于系统失电造成的水锤损害没有特别好的办法;
(2) 在排水自动化项目中可应用EPS应急电源, 该电源自有逆变技术, SPWM+IGBT良好的高速开关特性;具有高电压和大电流的工作特性;采用电压型驱动, 只需要很小的控制功率。总的容量可供失电后水泵闸阀动作及泵房照明。
在系统失电时, 自动化系统供电自动切换到EPS输出, 此时系统自动关闭水泵出口电动闸阀以达到消除水锤、保护水泵的目的。我公司在三个矿井自动化排水系统中因有设置截止阀, 因此均未应用EPS电源系统。
4 机械电气故障自诊断系统的应用
(1) 目前国内矿山排水自动化系统没有机械电气故障自诊断系统应用先例;
(2) 此系统以多年矿山排水自动化运行及调试经验积累编写的数据库为核心, 在线监测系统各项关键参数与数据库进行实时比对, 在故障发生前进行预警, 故障发生后及时报警;
在每个报警发生后, 用户可在故障列表界面发现闪烁的故障报警, 此时可点击该报警条, 点击后会弹出一个故障自诊断界面:界面上会列举出各项会引起该故障的各种因素, 并详细的介绍了该如何去查询、处理该故障, 为紧急排除故障保证生产提供了有力的帮助。
以1#水泵电机A相温度高报警为例:当系统检测电机A相温度超过125℃时, 系统上位机主画面会跳出报警条:“1#水泵电机A相温度高报警”, 且在不停的闪烁, 此时可用鼠标点击该报警条, 进入该报警画面, 因为同时CPU在检测电机电流信号、电压信号, 系统会根据其他信号进行分析, 如果其他两相绕组温度正常, 电流正常, 电压正常, 主画面会给出两个选项提醒用户检查:
①检查电源是否虚接;
②停止电机运转, 测量电机各绕组的电阻值, 比较A相绕组静态阻值是否比其他两项大, 如果确定则是电机本身故障;
如果系统检测到其他两相绕组温度同样报警, 且电流都超大, 主画面则会提醒:
①检查电源电压是否偏高;
②检测水泵是否过载或堵转等。
5 避峰填谷节能技术的应用
避峰填谷原则是指矿山生产过程中, 针对不同时段采用不同电价的区别电价政策。一般来说在白天用电高峰的时候电价比较高;夜间则电价比较低。针对这一实际情况在高电价时间段将一台、两台水泵的启动水位增加一个修正值:△H, △H>0, 即将水位向上修正, 这样就达到了在白天减少水泵启动时间的作用 (见图2) 。
经过一段时间的试运行, 经统计得出:实施避峰填谷及不实施避峰填谷所消耗的电量对比是很可观的, 一年运行下来每个水仓均能节省大笔的电费。
6 结语
通过对矿山井下中央泵房排水自动化系统关键环节的特殊设计、选型, 新技术的应用后, 极大的提高了故障的应对能力, 使自动化在井下的应用更加成熟可靠, 同时也极大的方便了检修就维护, 对矿井安全生产具有极大的意义。
参考文献
[1]西门子 (中国) 有限公司自动化与驱动集团.S7-300可编程序控制器系统手册, 2004.
自动化排水 篇6
我矿笔东泵房安装有3台200D65×6水泵, 单机拖动功率500k W。水泵投入运行后, 由于闸阀口径较大、压力高, 停泵时完全关闭困难以及逆止阀关闭不严和人工操作不当等多种原因, 造成水泵底阀损坏频率很高, 最多时一个月损坏达10起, 造成水泵因没有引水而无法投入运行, 严重影响笔东排水安全, 同时备件消耗大, 维修时只有将泵吸水管拆下, 更换底阀, 检修劳动强度高。
为解决笔东排水安全上存在的隐患, 决定对笔东泵房进行自动化改造。现针对电气的控制原理和控制特点进行如下说明。
1 系统架构
系统包含电源柜、继电器柜、PLC控制柜、仪表箱、操作台及三台就地控制箱。
系统采用西门子可编程控制器 (CPU 313C-2 DP) 作为控制元件, 通过profibus通讯线与三台控制箱中的IM153-1子站进行通讯, 实现集中和就地控制。配备CP343-1通讯模块和工业交换机, 通过光纤将信号上传到远程上位机, 实现远程监控功能。并且通过设置上位机的中WINCC WEB navigator, 使得矿网内的电脑均可以通过远程桌面连接实时监控笔东泵房排水状态, 技术人员无需到现场即可知道水泵的实时状态。
2 系统功能
针对矿山排水的实际要求, 本系统主要实现如下几项内容:
(1) 选择性能可靠地仪器仪表, 实时监测水泵排水系统各主要参数, 包括水位、电压、电流、排水压力、功率、电机温度、回水温度、水泵轴承振动、真空度、排水流量、真空流量以及各开关、闸阀的状态等。
(2) 采用西门子S7300系列的可编程控制器实时采集水泵房各类设备的状态参数, 并根据水位、峰谷时段、用水需求等因素自动控制水泵机组的启停, 实现水泵房的无人值守。
(3) PLC控制柜配备CP343-1通讯模块和工业交换机, 接入矿井工业以太网, 实时将水泵自动化系统的数据上传至矿山设备管理系统中, 实现远程监控功能。
(4) 系统设置自动、手动、检修三种状态, 能够实现全自动、远程半自动 (上位机上一键启动) 、现场手动三种开泵方式。
(5) 远程监控系统以WINCC界面显示系统运行状况, 实时显示水位、电压、电流、流量、压力和各开关及闸阀的状态, 具有报警、历史故障查询、历史电流曲线、报表等功能。在WINCC中设置操作密码, 管理人员可在登录后一键启停水泵。
(6) 设置轮换工作机制, 使得水泵均衡磨损。
(7) 设置水位和峰谷时段共同参与控制的启停机制, 最大量的降低排水电耗, 同时保障矿山排水安全。
(8) 采用运行可靠、实现真空度高、抽真空时间短的真空泵运行, 一用一备。采用真空管流量和真空度测量双重检测, 同时, 选择合适位置安装真空管, 以保证泵腔无气体。
3 系统控制原理
(1) 自动轮换工作
为了防止因备用泵及其电气设备长期不用而使电机和电气设备受潮或锈死, 在工作泵出现紧急故障需投入备用泵时, 而不能及时投入以至影响矿井安全, 系统设置自动轮换工作控制, 对单台水泵运行时间进行统计累加, 当累加时间相差小于设定值时, 原则上1~3#泵依次运行, 即打开1#泵启停1次后, 下次开停即为2#泵, 依次为3#泵, 2#泵故障不能启动时, 及时启动开启3#泵。以使各台水泵具有较为平均的开机时间;当累加时间相差超过设定值时, 说明时间短的水泵效率较高, 可优先启动。这样轮换工作, 既可促使各水泵磨损量相近, 延长其使用寿命, 也可防止备用泵长时间不开而导致在需要投入时不能及时投入, 保证矿山排水安全。
(2) 自动控制
水泵启动之前需要使其叶轮完全淹没于水中, 才能实现正常的排水。若真空度不够, 将会造成水泵空转和泵体磨损。系统采用真空泵抽真空, 由真空表、电磁流量计监测真空度。
水泵的开机顺序为:
◆打开真空泵, 自动抽真空;
◆检测真空度, 确定达到开泵条件;
◆抽真空完毕, 开启水泵;
◆打开排水管路上电动闸阀;
◆关闭真空管路上的电动球阀, 停止真空泵;
◆水泵自动开机完毕。
水泵关机顺序为:
◆关闭出水电动闸阀;
◆停止水泵运行。
(3) 运行模式
水泵自动化系统具有三种工作方式, “自动”、“手动”、“检修”。
自动:自动控制下, PLC采集各种信号, 集中控制水泵及闸阀的启停。由超声液位传感器连续检测水仓水位, 根据吸水井的水位及峰谷时段因素, 合理调度自动开停水泵及其阀门, 在正常水位时, 各台水泵能自动轮换工作, 最大涌水及突出涌水时, 自动投入必要数量的水泵运行。此方式下可实现无人值守。
当水泵出现故障时, 能够及时报警, 并能够自动开启备用水泵。
手动:操作工人根据水仓显示水位, 人工手动开停水泵及确定开泵台数, 电机及其阀门的开、停由PLC自动执行, 即PLC完成单台水泵抽真空、启泵、开液压阀等自动控制, 并完成运行停止。
手动运行包括现场手动运行及远程上位机上手动运行两种操作模式。
检修:可操作任一水泵电机, 电动闸阀, 电动球阀的开关, 可以实现不通过PLC完成水泵的启停。相互动作互不闭锁。
(4) 以水位控制为核心的工作原理
水泵开启时, 首先检测水仓水位, 水仓水位由超声波液位计进行检测, 浮球液位计作为后备, 设置点为超限水位。设定四个水位限值:H1 (超限水位) 、H2 (报警水位) 、H3 (启动水位) 、H4 (停泵水位) , (现分别设置为水仓距液面距离:0.7米、1米、2米、3.1米, 设置具体数值随涌水情况可改变。
在高峰用电时段, 水仓水位上升至报警水位时, 开启一台水泵, 如果水位继续上涨至超限水位, 则备用泵 (自动状态下) 全部自动投入, 远程监控同时发出讯号。当水位降至H3时, 备用泵自动停止, 只保留一台水泵运行。
在平谷或低谷时段, 当水位超过启动水位, 开启一台水泵, 当开启一台水泵运行一段时间后, 发现水位仍然上涨, 则顺序开启下一台水泵。当水位下降到H3以下时, 则停止一台运行时间较长的水泵。
对于具备开启条件的水泵, 在开启前首先启动真空系统, 检测真空度, 真空度达到后即可开启。
当水泵出现故障时, 及时停泵, 显示报警。
(5) 根据避峰就谷的原则合理设置开泵时间
12时到17时平段电时间和23时到8时谷段电时间为允许开车时间, 当液位达到启动水位则自动起动水泵, 直到将水位降至停泵液位。因为水量不大, 完全可以实现用低谷电排水。
经过多次试验, 我矿正常运行中每天23时准时启动水泵, 达到降低用电成本的效果。
4 系统隐患探讨
系统自2010年7月完成自动化改造后, 运行一直比较稳定。由于笔东-510m水泵房只有笔东竖井可下, 在笔东卷扬2012年更换电机和2014年初的更换首、尾绳及配重过程中, 人员都无法到达水泵房现场, 而水泵都能自动启动, 保障了排水安全, 同时为检修争取了时间。
系统在拥有安全和节能优点的同时, 也存在着部分隐患, 具体如下:
(1) 水泵房安排一个巡检人员, 无操作人员, 而当巡检人员责任心不强, 发现问题不及时, 或在职责范围内的工作不认真执行, 将影响水泵的安全稳定运行。
(2) 泵体抽真空是关键的一步, 但是对于填料密封的水泵, 盘根总会有所磨损, 密封性不是很好, 抽真空的同时盘根处会漏气, 影响很大。
(3) 盘根需要经常更换, 且效率不高。
(4) 水环真空泵都装有过载保护继电器, 此过载保护继电器跳了之后整个系统都将失去自动功能, 需要人工现场恢复或切换到另一真空支路。
针对以上问题, 我们一方面强化人员考核, 加强设备保养;同时安装辅助设备, 在水环真空泵运行同时, 对盘根处进行水封。
5 结束语
系统的先进性主要表现在其稳定性、可靠性和安全性能。同时我们通过涌水实际合理设置水位点, 使水泵运行几乎都在低谷时段, 从而主井排水也相继在低谷时段, 大大降低了排水费用。
参考文献
[1]李志红, 王峰, 闫晓雷.基于PLC的矿井中央泵房自动化控制系统设计[J].煤矿机械, 2010 (03) .
[2]张国勇, 沈印.矿山水泵自动排水控制系统研究[J].河北能源职业技术学院学报, 2011 (04) .
自动化排水 篇7
1 矿井自动化排水系统
1.1 自动化排水系统的组成
自动化排水系统由中央集中控制台 (计算机) 、分控制台 (各水泵房) 、视频监控系统、各类传感器、数据采集器, 设备工况的检测以及故障的诊断等多种自动化设备组成。
1.2 自动化排水系统的目标
自动排水系统通过自动化控制, 实现无人值守的自动化排水, 实现多水平排水系统的联合控制, 对水泵机组及其附属设备的自动控制和综合保护, 多可节省人力、大大降低工人的劳动时间和劳动强度、改善工人的作业条件;能对水井水位信息进行实时监测和分析, 合理调度水泵机组, 节省能源降低运行成本, 延长设备、管路等使用寿命;能及时判断水泵机组的运行状态防止事故的发生和扩大;更有利于实现矿井供电的避峰填谷的经济运行方式。
1.3 自动化排水系统的功能
自动化排水系统采用监测、传感器和控制技术, 具有强大的监测功能和控制功能。
1.3.1 自动化排水系统监测功能和数据处理
环境监测功能:实现对水仓水位、环境温度监测, 水泵房的视频监测。
设备监测功能:实现对水泵轴温、电机轴温、电机定子温度、运行噪音的监测。
运行参数监测功能:实现对排水压力、排水流量、吸水负压、电机电压、电流、功率、水泵运行效率的监测。
按设备使用要求设定参数, 如果监测到参数发生异常时, 也就是系统发生故障时, 能提供声、光报警显示, 特别严重时自动采取停机等保护措施, 并提示故障类型, 指导维修人员有针对性地进行设备检修。
对监测到的各种数据能自动生成设备运行日志和报表, 自动记忆和保存, 在显示屏中显示, 并能通过中央控制系统打印出来。
1.3.2 自动化排水系统控制功能
自动化排水系统具有灵活多样的控制方式。
①就地控制:此种控制方式下, 操作员通过操作分控台上的按钮及指示完成对单一水泵房设备的直接控制, 主要用于就地操作和设备检修维护;
②远程集控:操作员在地面中央集中控制台, 通过计算机控制控件, 实现对于井下多水平水泵机组的远程控制;
③全自动控制:该控制方式下, 用户无需操作, 系统根据系统预先设置水仓水位等参控信息合理调度水泵机组, 完成排水。
1.4 无人值守的水泵房
井下自动排水系统是在充分利用现代机械、电子和自动控制理论的基础上, 将人的参与活动由系统的执行机构自动完成, 完成水泵操作人员日常的所有工作, 达到水泵房的无人值守的要求。从而达到节省劳动用工, 减轻工人的劳动强度, 改善作业环境, 提升安全程度的目的。
利用现代通信技术实现远程监控, 井下自动排水系统从多方面入手, 可降低水泵房运行成本并提高矿井的经济效益, 作为操作工人只需对系统定期检修或出现报警信号时进行维修。
2 矿井自动化排水系统的应用
2.1 自动化排水系统的应用
自动化排水系统可应用有煤矿井下主要排水系统, 无论是单极排水系统还是多级排水系统都能满足要求, 成为近一时段煤矿应用最好的自动化设备之一。
2.2 提高职工的整体业务水平及综合素质
参加自动化操作的员工, 应当接受岗前相关培训, 强化操作的熟练性, 最大程度减少操作误差。通过考核合格取得相应的证书, 并持证上岗。
2.3 加强巡回检查和检修力度
自动化排水系统具有强大的故障检测功能和报警功能, 但实际工作中, 不能完全依赖这一功能进行设备检查。应配备相应的检查人员, 加强日常的巡回检查, 发现问题应及时进行处理, 减少设备的故障。
由于煤矿井下环境恶劣, 自动化排水系统中电子元件多, 易产生故障。对于自动排水系统的各种通信线路、传感器和控制设备, 应加强检查检修, 确保自动化系统数据的真实, 控制灵活可靠。
检修人员应严格按照要求, 定期对排水设备进行检修。
3 矿井自动化排水系统的配套改造
使用自动化排水系统应对传统的排水系统进行改造, 使用真空泵吸取引水代替传统的灌引水, 将手动闸阀改变为电动控制闸阀, 将手动操作的电气控制设备改造为电动控制设备, 已便根据监测的参数、远程控制或自动化控制系统操作指令, 实现无人操作。
将传统的需要人工读取的仪表、参数全部用监控设备替代, 自动采集和输出, 并能自动记录和打印。
使用真空泵吸取引水的排水系统, 可以采用无底阀排水, 减少排水阻力, 节约排水能源, 提高排水效率。
4 矿井自动化排水系统的发展趋势
煤矿安装使用自动化排水系统是煤矿安全生产的要求, 目前技术较为成熟, 还在不断进行改进和完善。是煤矿实现无人化、自动化生产的需要, 未来煤矿井下的排水系统都将广泛使用, 是减少煤矿作业人员需要。
5 结束语
随着科学技术快速发展, 实现工业自动化是未来的主题, 是减少劳动用工, 减轻工人的劳动强度的需要;同时也是提高安全水平的需要。自动化排水系统有着广阔得出前景。
摘要：自动化排水系统是利用监测监控技术、视频技术的自动化设备, 应用于井工煤矿主要排水系统中, 可以节省人力、大大降低工人的劳动时间和劳动强度, 实现远程控制和无人值守, 充分保证生产工作人员的人身安全, 在煤矿安全生产中发挥了重要作用。
自动化排水 篇8
关键词：井下水仓,自动化排水,改造
当前煤矿井下水仓水泵的开停及选择切换均由人工完成, 靠工人人工监视水仓决定是否排水、靠工人之间的协同来完成起泵、停泵过程中的所有动作, 人为失误多, 泵组各个设备之间顺序时常搞混, 导致起泵失败甚至水锤冲破管路接头致排水系统失灵。为此, 本文设计了井下水仓自动排水监控系统, 针对某矿井水仓排水现状, 对水仓排水系统进行了自动化改造, 取得了很好的效果。
1 现有系统组成
某矿井下500m3水仓排水系统主要设备包括电机、水泵、吸水管道、排水管道、管道阀门等。该水仓现有水泵3台, 一用一备一检修。基于原水仓排水系统的现状, 该控制方案在原有排水系统设备的基础上进行部分改动。除在电机、水泵和管道上做部分机械结构的改动以满足传感器的安装需要外, 主要是对原有排水阀门、注水阀门更换为电动可控阀门;加装为水泵注水的射流泵或为泵抽真空用的真空泵以满足水泵启动的需要。为防止自动控制系统出现故障时不能正常启动泵组排水, 保留人工操作方式排水。
2 改造系统运行原理
改造后的水仓自动排水控制系统由地面监控主机、数据通信接口、就地控制箱及各种测量传感器组成, 可实现数据自动采集、自动轮换工作、自动控制、动态显示及故障记录报警和通讯等功能。本系统选用防爆型超声波液位计检测水仓水位并且冗余一个液位计, 以保证检测水位的准确性;选用S7-200PLC作为控制中心。系统上传数据, 实时地反映排水系统工作状态以及水仓水位、电机工作电流、故障状态等参数。
2.1 单个泵组启动
要控制水泵启动和停止过程都要平稳, 尤其要达到缓开缓闭要求。启动过程中, 各种运行参数 (真空度、压力等) 达不到要求, 不能使系统进入运行状态。
自动启动过程:当监测到水仓水位上升到设定值→打开电磁阀射流→真空度达到设定值→启动水泵→泵出口压力达到水泵的扬程值→打开水泵出口闸阀→打开管路选择闸阀→关闭抽真空电磁阀。
自动停泵过程:当监测到水仓水位下降到设定值→关闭管路选择闸阀→关闭水泵出口闸阀→关停水泵电机。
2.1.1 水位监测
现在广泛使用的投入式液位计, 由于煤矿井下污泥浊水很容易将液位计掩埋, 以致不能准确反应真实液位。使用QF-9000防爆型超声波液位计进行非接触式测量可以精准测量液位, 另外给每个水仓多配置一个液位计, 取两个液位计所测值的平均值。如果失去其中的一个信号, 只取另一个完好传感器的信号同时报警。这样可以避免一个液位计失灵使系统瘫痪 (启停泵失去了依据) 。另外软件中还应该加入对水位上升速度的监测, 这样对水位的监测就比较全面了。
2.1.2 开启电磁阀抽真空
为了保证顺利将水排到地面, 首先必须使离心泵泵体和吸水管路充满水, 本系统采用静压水高速射流抽真空的办法, 只要有足够的压力 (某矿井深500米) 就可以抽到所需的真空度, 但是实际使用过程中经常发生管路压力不足。原因是矿井水泥沙杂物甚多, 而射流器上方的电磁阀由于开合力小经常被卡导致开合不到位。开不到位射流量小, 抽真空时间长;合不到位导致出水管路中的水将通过射流器不断流走 (自动运行中静压管路的闸阀是常开着的) , 导致启泵时射流压力不足。为了解决抽真空可靠性的问题, 采取两项措施。第一:消除水中杂物对电磁阀的不利影响, 在闸阀的下方设置过滤装置并且要能够在静压管路闸阀关闭后清理被过滤杂物。第二:出水管路中在不排水时的静压力检测, 实际运行中有时涌水量较小或者其它原因, 致使水泵长时间不开启, 管路中的存水将透过一些阀门缝隙逐渐减少, 这样在需要起泵时将由于静压不足, 抽真空将无法进行, 所以需要在管路的管道部分加装压力传感器以检测管路存水, 而这个压力信号将在水泵成功启动之后从控制软件中切除, 停泵后再恢复监测, 如果监测到静压不足, 应该立刻语音报警, 并且采取措施补充管路存水。这两项措施, 保证了抽真空环节的可靠进行。
2.1.3 开启泵出口闸阀及管路选择闸阀
现在普遍使用的电动阀门, 内部为齿轮传动带动丝杠螺母旋转以使丝杠作直线运动来完成插板阀的开合。机构阻力大且都为刚性连接, 抗冲击能力差, 运行过程中常发生电机堵转烧毁、丝杠螺线损坏等情况, 严重影响系统可靠性。现使用电液阀代替, 消除了齿轮传动这样的刚性连接, 代之以双液压缸对称推动阀杆的直线运动, 推力更大、抗冲击性更好, 而且溢流阀可以起到过载保护的作用, 通过三位四通电磁换向阀实现液压缸的双向直线运动。电动阀的开合利用两个接触器的切换使电动机正反转来实现, 启动器体积大, 而该电液阀的开合无需改变电动机的旋向, 只需要PLC驱动中间继电器控制电磁阀就可以实现, 不仅执行机构更可靠, 而且启动器只需一个接触器, 体积小、结构简单。电液阀的液压回路图如图1所示。
2.2 泵组之间自动切换
水仓三台水泵并联工作, 但并不是一起使用, 而是有用有备。所以控制系统要合理安排水泵的备用情况, 避免有的水泵长期闲置。为了实现泵组之间均匀磨损与及时发现故障保证泵组在需要时切换成功, 系统根据各泵组的运行状况, 轮换启动泵组, 需要考虑各泵组的最后停泵时间, 尽量使各泵组各条出水管路在一定时间内都运行几个小时, 这样可及时发现故障。避免泵站频繁起停, 又能及时排出积水, 防止水灾发生。
3 控制系统设计
控制系统设计选用了S7-200型PLC为控制核心, 采集模拟量水位信号, 计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率, 判断水仓水位, 根据水位具体情况启动或停止水泵。
PLC程序设计需要完成的主要工作包括:水泵的启停控制、水泵运行参数检测、水泵的轮换运行和报警机制。水泵启动过程如下:首先判断电动闸阀是否处于关闭状态, 然后启动射流泵抽真空, 当真空度到达设定值后启动真空开关, 当水泵出口压力达到设定值后启动电动闸阀, 最后关闭射流泵同时对水泵运行时间进行计时。
4 结论