采用PLC自動檢測水倉水位和其它參數(shù)，根據(jù)水倉水位的高低、礦井用電信息等因素，建立數(shù)學(xué)模型，合理調(diào)度水泵運(yùn)行，可以達(dá)到避峰填谷及節(jié)能的目的。介紹了PLC在岱莊煤礦井下主排水控制系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)及應(yīng)用狀況。

1、概述

    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)自動開停水泵，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，*泵設(shè)計(jì)安裝了5臺MD500-57×9主排水泵，配套電動機(jī)1250kW，3趟排水管路。正常涌水時，2 臺工作，2臺備用，1臺檢修。鑒于PLC的*性和可靠性，煤炭工業(yè)邯鄲設(shè)計(jì)院對5臺主排水泵及其附屬的抽真空系統(tǒng)與管道電動閥門等裝置實(shí)施了PLC自動控制及運(yùn)行參數(shù)自動檢測，動態(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)時監(jiān)測及報警顯示。

    系統(tǒng)通過檢測水倉水位和其它參數(shù)，控制水泵輪流工作與適時啟動備用泵，合理調(diào)度5臺水泵運(yùn)行。系統(tǒng)通過觸摸屏以圖形、圖像、數(shù)據(jù)、文字等方式，直觀、形象、實(shí)時地反映系統(tǒng)工作狀態(tài)以及水倉水位、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)，并通過通訊模塊與綜合監(jiān)測監(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*泵房井下主排水泵自動化控制系統(tǒng)圖如圖1所示，整個自動控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)自動采集、自動輪換工作、自動控制、動態(tài)顯示及故障記錄報警和通訊接口等5個部分組成。

    2、1　　數(shù)據(jù)自動采集與檢測　

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

    模擬量檢測的數(shù)據(jù)主要有：水倉水位、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)字量檢測的數(shù)據(jù)主要有：水泵高壓啟動柜真空斷路器和電抗器柜真空接觸器的狀態(tài)、電動閥的工作狀態(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)自動采集主要由PLC實(shí)現(xiàn)，PLC模擬量輸入模塊通過傳感器連續(xù)檢測水倉水位，將水位變化信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，計(jì)算出單位時間內(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)測水泵、電機(jī)的運(yùn)行狀況，超限報警，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關(guān)量信號采集到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)采集過程中，模擬量信號的處理是將模擬信號變換成數(shù)字信號（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)為模擬信號中zui高頻率成分的2倍以上，這樣經(jīng)A/D變換的精度可*恢復(fù)到原來的模擬信號精度。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，精度為5mV/5V=0.1%,即1/1000十進(jìn)制的1000用二進(jìn)制表示時要求為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，該精度等級足以滿足控制系統(tǒng)要求。同時，PLC所采用的A/D模塊均以積分方式變換，可使輸入信號的尖峰噪音和感應(yīng)噪聲平均化，適用于噪音嚴(yán)重的工業(yè)場所。

圖1　　岱莊煤礦井下主排水泵自動化監(jiān)控系統(tǒng)圖（略）

    2、2　　自動輪換工作
    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)及時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作泵出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵時，而不能及時投入以至影響礦井安全，本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)了5臺泵自動輪換工作控制，控制程序?qū)⑺脝⑼４螖?shù)及運(yùn)行時間和管路使用次數(shù)及流量等參數(shù)自動記錄并累計(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)某臺泵或所屬閥門故障、某趟管路漏水時，系統(tǒng)自動發(fā)出聲光報警，并在觸摸屏上動態(tài)閃爍顯示，記錄事故，同時將故障泵或管路自動退出輪換工作，其余各泵和管路繼續(xù)按一定順序自動輪換工作，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自動化控制系統(tǒng)根據(jù)水倉水位的高低、井下用電負(fù)荷的高、低峰和供電部門所規(guī)定的平段、谷段、峰段供電電價時間段（時間段可根據(jù)實(shí)際情況隨時在觸摸屏上進(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，自動準(zhǔn)確發(fā)出啟、停水泵的命令，控制5臺水泵運(yùn)行。

    為了保證井下安全生產(chǎn)，系統(tǒng)可靠運(yùn)行，水位信號是水泵自動化一個非常重要的參數(shù)，因此，系統(tǒng)設(shè)置了兩套水位傳感器，模擬量和開關(guān)量傳感器，兩套傳感器均設(shè)于水倉的排水配水倉內(nèi)，PLC將接受到的模擬量水位信號分成若干個水位段，計(jì)算出單位時間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，同時檢測井下供電電流值，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zui低時開啟水泵，用電高峰和電價高時停止水泵運(yùn)行，以達(dá)到避峰填谷及節(jié)能的目的。

    2、4　　動態(tài)顯示
　　 動態(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)通過圖形動態(tài)顯示水泵、真空泵、電磁閥和電動閥的運(yùn)行狀態(tài)，采用改變圖形顏色和閃爍功能進(jìn)行事故報警。直觀地顯示電磁閥和電動閥的開閉位置，實(shí)時顯示水泵抽真空情況和壓力值。

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

    采用圖形、趨勢圖和數(shù)字形式直觀地顯示3趟管路的瞬時流量及累計(jì)流量，對井下用電負(fù)荷的監(jiān)測量、電機(jī)電流和水泵瞬時負(fù)荷及累計(jì)負(fù)荷量、水泵軸溫、電機(jī)溫度等進(jìn)行動態(tài)顯示、超限報警，自動記錄故障類型、時間等歷史數(shù)據(jù)，并在屏幕下端循環(huán)顯示出現(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檢修，避免水泵和電機(jī)損壞。

    2、5　　通訊接口
PLC通過通訊接口和通訊協(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)的動態(tài)顯示；同時，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)備的所有檢測數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，又可根據(jù)自動化控制信息，實(shí)現(xiàn)井下主排水系統(tǒng)的遙測、遙控，并為礦*提供生產(chǎn)決策信息。觸摸屏與監(jiān)測監(jiān)控主機(jī)均可動態(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，自動實(shí)現(xiàn)水泵的輪換工作，延長了水泵的使用壽命。
    （3）系統(tǒng)可根據(jù)投入運(yùn)行泵組的位置，自動選擇啟動就近的真空泵，若在程序設(shè)定的時間內(nèi)達(dá)不到真空度，便自動啟動備用真空泵。
    （4）系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷和供電部門所規(guī)定的平段、谷段、峰段供電電價時間段，以“避峰填谷”原則確定開、停水泵時間，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自動檢測水位信號，計(jì)算單位時間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，自動投入和退出水泵運(yùn)行臺數(shù)，合理地調(diào)度水泵運(yùn)行。
    （6）在觸摸屏上動態(tài)監(jiān)控水泵及其附屬設(shè)備的運(yùn)行狀況，實(shí)時顯示水位、流量、壓力、溫度、電流、電壓等參數(shù)，超限報警，故障畫面自動彈出，故障點(diǎn)自動閃爍。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可同時與觸摸屏及地面監(jiān)測監(jiān)控主機(jī)通訊，傳送數(shù)據(jù)，交換信息，實(shí)現(xiàn)遙測遙控功能。
    （8）系統(tǒng)保護(hù)功能有以下幾種。
    超溫保護(hù)：水泵長期運(yùn)行，當(dāng)軸承溫度或定子溫度超出允許值時，通過溫度保護(hù)裝置及PLC 實(shí)現(xiàn)超限報警。
    流量保護(hù)：當(dāng)水泵啟動后或正常運(yùn)行時，如流量達(dá)不到正常值，通過流量保護(hù)裝置使本臺水泵停車，自動轉(zhuǎn)換為啟動另一臺水泵。
    電動機(jī)故障：利用PLC及觸摸屏監(jiān)視水泵電機(jī)過電流、漏電、低電壓等電氣故障，并參與控制。
    電動閘閥故障：由電動機(jī)綜保監(jiān)視閘閥電機(jī)的過載、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、半自動和手動檢修3種工作方式。自動時，由PLC檢測水位、壓力及有關(guān)信號，自動完成各泵組運(yùn)行，不需人工參與；半自動工作方式時，由工作人員選擇某臺或幾臺泵組投入，PLC自動完成已選泵組的啟停和監(jiān)控工作；手動檢修方式為故障檢修和手動試車時使用，當(dāng)某臺水泵及其附屬設(shè)備發(fā)生故障時，該泵組將自動退出運(yùn)行，不影響其它泵組正常運(yùn)。PLC柜上設(shè)有該泵的禁止啟動按鈕，設(shè)備檢修時，可防止其他人員誤操作，以保證系統(tǒng)安全可靠。系統(tǒng)可隨時轉(zhuǎn)換為自動和半自動工作方式運(yùn)行。