呼伦贝尔山金矿业有限公司 内蒙古根河市 022357
摘要：井下排水设备是矿山生产中的主要设备，排水系统安全性、可靠性、经济性对于矿山安全及生产管理起着重要作用。安监总科技〔2015〕63号文件，关于“机械化换人、自动化减人”科技强安专项行动，重点是以自动化控制减少人为操作，大力提高企业安全生产科技保障能力。在井下排水泵房实现控制自动化，能有效降低劳动强度，减少危险作业区域人员数量，以自动控制取代繁琐的人工操作逐渐成为趋势。排水自动控制系统采用了PLC控制技术、在线监测、智能管控技术等主要技术手段。本文就呼伦贝尔山金矿业有限公司2#井640中段主排水泵房无人值守控制系统中的应用实现进行简要分析。
关键词：主排水泵房；PLC控制；无人值守
针对现有排水控制系统存在问题，为了实现排水系统自动化控制和提高排水系统效率，特别是对于多水平联合排水系统优化控制，利用现代控制技术与理论，该控制系统利用可编程控制器PLC及其控制网络构建监控平台，利用冗余现场总线及工业以太网实现各分系统的统一监测监控。
为保证矿井井下排水系统的安全可靠性，井下排水自动控制系统采用传感器+PLC＋工业计算机的监控模式,这样即可达到底层控制；又可达到上层监控的最佳监控方式。
系统分为三层,设备分布系统结构图如下所示。
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第一层为现场设备层。其中包括液位计、传感器、电动阀、电机等。
水位测量采用超声波液位计进行检测，冗余设计，防护等级IP67，完全满足现场条件。
传感器包括超声波液位计、压力传感器、、温度传感器等。所检测的参数主要有：水仓水位、水泵温度及设备工作状态等。
对温度、电流等指标报警或超限时及时报警停车。
第二层为现场控制层。现场控制层采用西门子S7-300系列控制器作为控制核心，根据集中控制的指令、规定的工艺要求、各种逻辑连锁关系的要求、现场状态保护的要求，对现场设备实时控制。
第三层为集中控制层。集中控制层设在地表控制室，主要有工业控制计算机和操作台组成；工业控制计算机选用研华工控机做为上位机，以组态软件Wincc7.0对整个系统的工艺流程画面进行设计，达到即可以对整个系统设备的监视，又可实现对各个设备和整个系统的整体控制。
一、系统工作方式
工作方式分自动(本地和远程)、手动、检修三种。通过在控制柜上设置转换开关实现工作转换。电动闸阀分别安装在水泵出口主排水管路上，水泵分别为运行泵、备用泵和检修泵，正常情况下运行泵和备用泵均参与排水，检修泵不参与。运行、备用和检修可以根据设备运行情况投入。
自动方式：系统通过超声波液位计对水仓液位进行测量分析，检测工作排水泵是否允许开启，系统在满足下列条件后方可启动水泵：1、水位达到基本开泵水位；2、电动闸阀无故障；3、启动设备具备启动条件；4、温度无异常等；具备以上条件后先开启辅助设备（加水阀和排气阀），当水泵腔补满水后，关闭辅助设备，启动水泵电机，并开启电动闸阀，这时系统监控电流和流量判断启动是否成功。如果水仓的水量超过设定值时则根据“避峰填谷”原则判断是否启动第二台水泵并打开控制电动闸阀。在排水期间，PLC检测电机的轴温、线圈温度情况、水池液位、阀门开闭和压力等工作状态，当发生非正常改变时，则认为故障，PLC会自动判别关闭故障设备打并备用设备。
在自动控制方式下，水泵按运行时间的长短自动分配运行泵。上位机可以提前预设置启动水泵台数，当涌水量大或异常时，系统自动投入运行泵。
半自动运行：在地面控制中心进行控制，根据现场的水位、电压、电流、压力、温度等各种传感器传回来的信息，在上位机上通过人工一键启停操作来控制水泵的启停。远端一键启停运行是在自动的基础上实现的，可以在上位机上进行设置优先权，当远程控制通讯故障或液位异常无操作时由远程自动模式自动切换为本地自动控制方式。
手动方式：要求操作人员根据现场情况、仪表显示及操作规程要求启动水泵，按要求操作控制箱上的电动闸阀控制。控制柜设手动保护投入，由操作人员决定是否投入或切除手动保护。手动保护投入后，系统中的重要参数将参与保护。
检修方式：当设备需要检修或非正常操作时使用，水泵和辅助设备不能投入运行，用于设备的检修维护。
二、水泵启/停
根据对电网的适应性，电动机的启动，必须在电动闸阀关闭的情况下进行，这样可以避免直接启动对电网的冲击。当电动机的额定空载电流达到系统设定值并稳定时，系统无故障则认为电机正常启动。为避免水锤的产生，停泵时要先关闭主阀门。电动机的主回路保护应具有短路、过载、缺相、欠压等保护。
系统采用无底阀式排水形式，补水后使水泵叶轮完全淹没于水中，才能实现正常的排水。
水泵的开机顺序为：打开补水和排气控制阀门；水位满足要求后，关闭加水和排气阀门，开启水泵；开启排水管路上对应的电动闸阀；水泵自动运行完毕。
水泵关机顺序为：关闭出水口电动闸阀；停止排水泵运行.
三、水仓水位控制
确保排水安全是每个矿山生产中的头等大事，特别是井下排水直接影响到生产及人身安全，水仓液位的检测起着至关重要的作用。在水仓安装性价比较高的超声波液位计1个，能有效检测水仓液位的当前状态并相互比较反馈数据，判断液位计是否出现故障，提醒监控人员及时维护。当水仓液位达到高液位时，能及时有效的将水位信号反馈至控制系统，保障了控制的安全性。
水位设置：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），根据现场涌水情况的不同，水泵排水以保障安全为主线来考虑。当水位达到启动水位H3时，首先对电网的负荷进行检测和对用电时段判断，若处于用电平段或谷段时，启动设定的水泵台数，若水位继续上升且速率高于设定值，启动备用水泵；若处于用电峰段，则暂缓启动直到水位继续上升到H2（报警水位）时，再启动水泵；在启动一组水泵的状态下，当水位继续上升，则启动备用水泵；当水位继续上升且速率高于设定值或水位继续上升到超限水位H1时，则依次启动第二台备用水泵，第三台备用水泵，以矿井的最大排水能力来排除矿井涌水。
四、水泵自动轮换工作
为合理使用水泵，增加水泵和配套电控系统的使用寿命，系统采用自动轮换工作制。系统根据时间自动分配水泵的运行时段，水泵的运行时间通过报表系统实现日报、月报、年报，共管理者分析数据。当前运行泵在运行过程中产生故障后停车，系统会根据时间原则自动选择自动方式下的运行水泵。
五、结束语
主排水泵房无人值守控制系统的应用，大大降低了人员劳动强度，减少了维修成本，实现排水泵房的运行监测、智能控制、远程监控等功能，达到排水泵房安全高效运行和无人值守的目的。
参考文献
[1]朱文杰.S7-300/400PLC编程设计与案例分析，机械工业出版社，2010年1月.
[2]董璐.基于PLC的矿井主排水监测监控系统开发探讨[J].科技与企业，2014（13）.
[3]张宇.矿山排水自动化控制系统设计[J].电子制作，2014.