胡正鑫
(铜陵有色铜冠〈庐江〉矿业有限公司，安徽 庐江231563)
0 引言
我矿笔东泵房安装有3 台200D65×6 水泵， 单机拖动功率500kW。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。
图1 水位控制流程
（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。
［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).
［3］王幸福.矿井排水自动化控制系统[J].煤矿机电,2010(04).
