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基于用電避峰填谷及PLC的礦山水泵自動控制系統
所屬分類： 行業動態
2024-06-05
隨著國民經濟的迅猛發展，我國的電力資源供應愈發緊張，電力供應部門制定了不同時間段用電異價政策來調節電力供應。礦山井下排水均為大功率水泵，用電大約占礦山生產用電的20%左右，統計各地峰谷電價，峰期電價約是谷期電價的4.25倍左右，如采用智能控制系統進行錯峰排水，可節約井下排水項目大約40%的電費。
自動控制系統可以根據水倉水位的高低及時間段自動控制水泵的啟停，還可以實時監控水泵的各種運行參數，降低水泵的故障率，降低礦山的運行成本。
1 礦山排水自動控制系統的國內現狀
目前，許多礦山井下主排水系統還采用人工控制，水泵的開停及切換均需人工完成，完全依賴工人的責任心，也無法預測水倉水位的增長速度。極少數大型礦山安裝了部分遠程控制系統，但僅僅實現遠程的水泵啟停，做不到根據水位和其他參數在用電的峰谷期自動開停水泵，這將嚴重影響礦山自動化管理水平和經濟效益，同時也容易因人為因素造成安全隱患。
2 系統的結構設計
泵房自動化系統控制具有自動、半自動和檢修3種工作方式。自動時，由PLC檢測水位、壓力及有關信號，自動完成各水泵運行，不需人工參與;半自動工作方式時，由工作人員遠程或就地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控工作;檢修方式為故障檢修和就地試車時使用，當某臺水泵及其附屬設備發生故障時，該水泵將自動退出運行，不影響其它水泵正常運行。
整個控制系統包括PLC控制部分、現場輸入輸出設備、傳輸設備等。
PLC控制部分主要由可編程控制器、信號變送器、中間繼電器等組成，主要完成對信號的接收、變換、放大，并由PLC運算、判斷發出各種控制信號，監控水泵的運行工況，實現水泵房的無人值守。
現場輸入輸出設備由現場控制箱、傳感器和電磁閥等組成。現場控制箱由按鈕、指示燈等組成。傳感器包括超聲波水位計、流量傳感器、電量傳感器、溫度傳感器等，所檢測的參數主要有：水倉水位、水泵軸溫、電機溫度及設備工作狀態等。各類電磁閥、電動球閥均為手自一體式，實現對相關管路通斷的手動或自動控制。
傳輸設備包括以太網控制模塊、網絡交換機、服務器及傳輸光纖等，PLC控制器通過以太網模塊接入工業以太網，實現水泵自動控制子系統與全礦井的安全避險“六大系統”監測監控信息共享。
3 系統的信號采集
水倉水位信號采集： PLC要根據水位變化情況來控制水泵的運行情況，為保證水池水位信號的準確采集，系統配置兩套超聲波水位傳感器并通過RS485信號將數據傳輸到PLC。
真空狀態信號檢測：為保證準確檢測，除在每臺水泵吸水口上安裝真空度傳感器以外，還要在真空泵的出水口安裝流量開關，通過檢測真空泵出水口是否有水流對真空度進行確認。
電機電量參數的采集：通過對每臺水泵電機的三相電壓、三相電流信號的采集，能夠準確地判斷系統運行的狀態，通過準確地檢測電機的工作狀態，可及時甚至提前對故障進行預警，便于維護人員提前發現故障，采取預防措施。
運行狀態參數的采集：系統參數包括兩個主排水管的累積流量及瞬時流量、每臺泵的運行時間、各種閥門的狀態等。這些參數不僅是水泵啟、停的必要依據，同時也是對系統進行統計、查詢的重要依據。
故障狀態參數的采集：水泵發生機械故障的先兆，往往表現為泵體溫度的異常升高及前軸橫向振動幅度的增大，為避免水泵在運行過程中發生重大事故而造成的重大生產安全事故，并避免以此而產生的巨大經濟損失，系統對電機定子的溫度、水泵前軸的溫度、振動、水泵管水口的壓力進行監測。
4 系統的控制軟件設計
主監控系統操作軟件為Windows7 Professional，編程軟件采用西門子公司的STEP7 V5.3SP9，組態軟件為西門子的WINCC，數據庫軟件采用微軟公司的SQLserver2012版。
系統軟件策略主要是避峰填谷及均勻磨損。系統以水倉水位作為水泵的啟停的基本條件，在此條件滿足的前提下，然后再根據預定軟件策略實現水泵的起停。設定最低水位L1、低限水位L2、報警水位L3、超限水位L4四個水位限值。在沒有任何水泵啟動的情況下，系統首先檢測水倉水位，當水位達到L3時，首先對電網的峰谷時刻進行監測，若處于用電谷段或平段，立即啟動使用頻率最低的一臺水泵，如果所選水泵為檢修狀態，則開啟使用頻率次低的一臺水泵;若處于用電峰段，則暫緩啟動。當水位繼續上升至超限水位時，則不論電網的峰谷時刻如何，必須立即啟動水泵。若水位繼續上升時，則依次開啟第二、三臺泵。多臺水泵運行時，當水位降低到(L2+L3)/2時，可以依據使用頻率高低的原則，依次停泵，直到水位下降到低限水位時停止最后一臺水泵。
5 結束語
采用PLC及用電峰谷控制原理對地下礦山水泵房進行自動控制系統設計，不但可以對整個水泵房實現無人值守，節約了人力成本，提高了礦山的本質安全，而且實現了經濟高效排水，應用效果十分理想。
參考文獻
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[2]劉暢生，宣宗強.傳感器簡明手冊及應用電路[M].西安：西安電子大學出版社，20005.
[3]孫振強.可編程控制器原理及應用教程[M].北京：清華大學出版社，2012.
作者單位
山東正元冶達科技發展有限公司 山東省濟南市 250014
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