井下排水自动系统设计

吴义虎

1 概述

1.1 井下排水自动化系统的重要性

排水系统作为矿山生产的八大系统之一是我们矿山企业安全生產的有力保障。目前国内的矿山井下排水系统的自动化水平还不是很高，制约着矿山生产的安全性和高效性。本文提及的矿井泵房PLC自动化系统能解决这些突出存在的问题。

2011年来由发改委、电监会联合出台的《电力需求侧管理办法》，对用电企业采取分时计价缴纳电费，其中峰谷用电价差明显。根据不完全统计，井下排水所需要的用电量占矿山在生产中的总电能耗的17.9%-42.8%。因此，面对资源品质不高的矿山企业，井下排水系统的成本效益也逐渐引起了广泛关注。

传统排水系统选择的井下水泵能耗高，启动频繁，选型的水泵在启动前吸水管路的充水，通常采用是抽真空吸水的方法来实现的。而且大多数都采用老式继电器的控制方法，在实际操作过程中工作人员需要目视信号判断检测后，再启停排水系统。选用此类控制方式线路设计相对比较复杂，设备运行的可靠性也不高，工人操作较繁琐，对设备的磨损和能耗都影响很大，不适应矿山发展的需要。

本设计选用西门子S7-300系列PLC以及水位、压力、流量等传感器来实现井下自动排水控制，可根据井下水量大小以及“避峰就谷”原则来选择开动水泵的台数，达到节约能源和减少排水成本的目的。为了确保井下排水的安全性和稳定性，设计选择主、备双排水设计，其中排水泵和排水管线均采用“自动轮换”机制，避免了设备磨损和井下环境潮湿等因素对系统的影响，来实现系统所需要的控制功能。

1.2 现场基本情况

2 矿井下排水系统组成概况

2.1 离心式水泵工作原理

井下排水系统使用的水泵种类繁多，我们设计选用普通的离心排水泵，此类水泵主要由起动设备、电动机、离心式水泵、管路、管路附件及监测仪表等组成。如图1所示。

2.2 离心式水泵的启停过程

2.2.1 离心式水泵的启动过程

系统先通过水位传感器监测到水仓水位高度，当水位到达设定值时，PLC将发送数字开信号给射流泵电磁阀，通过射流泵为离心泵泵体注水。当水泵入口处的真空变化时，配水设施中的水会注入到离心水泵的腔体中直至注满，当水泵入口处的真空度达到要求后，接通水泵机组中的电动机触点来开启水泵。电机启动后，水泵出口压力会慢慢增加。当达到某一数值后将不再增加，在满足预先设定的压力值后，为水泵开启其出口处的电动阀门，水泵机组于是进行排水。同时，关闭射流泵，停止为其引水。

2.2.2 离心式水泵的停机过程

水仓在水泵排水的作用下水位逐渐下降，当达到设定水位时，先关闭排水管的闸阀，防止排水管中井水倒流，随即关闭水泵电机，并停止其他排水工作。

3 系统硬件设计

3.1 可编程控制技术

3.1.1 PLC的主要特点

1）PLC（ Programmable Logic Controller）即可编程逻辑控制器特点

（1）灵活，通用。

（2）抗干扰，运行可靠性高。

（3）编程简单，使用方便。

（4）接线简单。PLC只需将数字、模拟输入输出设备与其相应端子联接接线，工作量较小。

（5）功能强大。

2）PLC的主要功能

PLC是现今应用面最广的自动化控制设备之一。PLC技术发展非常迅速，其在自动化领域和计算机集成制造过程中都占有极高的地位。如今PLC的系列功能，不仅是替代传统的继电器逻辑功能，还包括了一些复杂的顺序控制和逻辑运算。

3.1.2 PLC的基本工作原理

PLC运行工作时，内部需要进行系列的验证和运算操作，过程大致分为四种类型：其中公共操作包括以故障诊断、通信处理为主，联系工业现场的数字模拟信号的输入和输出操作，执行各用户已经设定的程序操作，以及对外部设备的中间操作，例如：外部设备的中断请求。控制过程示意图如图2所示。

3.2 PLC控制系统总体设计

系统由现场检测仪表、触摸装置、可编程控制器及其输入输出模块和执行设备等部分组成，其工作结构连接如图3所示。

3.2.1 控制系统的输入/输出点数统计

通过粗略统计，该系统需要添加模拟量输入通道需要49路，数字输出34路，数字输入50路，分配情况见表1，表2，表3。

3.3 软件流程图

从现场实际情况和系统设计功能分析，系统的软件流程图绘制如图4：

从上图4中可以看到，在系统通电启动后，首先PLC与触摸装置和上位机通讯，然后系统进行现场设备的模拟量数值和数字量分析，开始系统自检与门处理程序。在现场控制柜上的切换旋钮选择远程自动、就地自动和手动三种运行方式来进行相应操作。如果控制旋钮切换到PLC远程自动运行方式，则PLC按程序制定的流程顺序执行。程序将自动完成排水工作以及自动轮换，如遇故障，系统报警并停止。控制旋钮切换至半自动运行方式，那么操作人员此时可以在触摸屏上选择水泵投入工作，PLC则按照水泵的序号自动完成启动，运行和停止。切换按钮切换至手动方式，则PLC不参与过程控制，由操作人员手动逐一操作整个系统的设备运行。

4 结束语

经济效益：矿山井下自动排水系统，有效地解决了矿山人员和电力投入费用，达到了减员增效和节能降耗的目的。“避峰择谷”分时开停泵实现了经济运行，每年节省的电费也很可观，经济效益尤为显著。

社会效益：

1）井下排水泵房基本做到了无人值守运行，保障了井下职工的人身安全和劳动效率。

2）自动化的应用也大大提升了现代化矿山信息化管理的水平。

[责任编辑：朱丽娜]