水泵自动化控制系统在矿井节能减排的应用
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摘 要：目前国家对于煤矿单位的安全生产比较重视，对于煤炭生产单位来讲，不仅仅对其要求矿井水泵控制系统自动化具备良好的安全性和可靠性，还要求排水系统具备良好的节能减排效果。笔者在下文中主要是针对荫营煤矿在生产中如何实现矿井大型设备节能减排做分析，从分级水库水位差的利用， PLC技术编程的使用和嵌入避峰填谷等相关方面进行简要的探讨。
关键词：降耗节能 PLC控制 避峰就谷
中图分类号：TD636 文献标志码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（c）-0102-03
Abstract：recently，the country units for coal mine attach importance to the safety in production.for coal production units，not only require the mine water pump control automation system has good safety and reliability，but also requires drainage system has good effect of energy conservation and emissions reduction.in this paper，the author is mainly aimed at analysis how the camp’s coal mine large equipment realized the’s energy saving and emission reduction from the reservoir water level difference of classification； the use of PLC programming technology and embedded peak valley and other related aspects are briefly discussed.
Key Words：Energy-saving and Ejection-decreasing；PLC（PROGRAMMABLE LOGIC CONTRLLOR）；Time-of-use Electricity Price
1 项目简介
2009年，荫营煤矿启动了关于排水系统自动化控制项目的论证工作，为了实现对水泵的良好控制和节能减排的目的，荫营煤矿积极的与多个研究单位进行了有效的合作，共同研究稳定有效的远程控制方案来完善自动化控制系统。其研究表明使用工业标准控制器―PLC对现场信号进行采集并分析将能准确的对水泵进行控制，而通过分级水库联动、避峰填谷等方式也能够节约能源，减少环境污染。
在项目论证时国内已经有很多矿井水处理或水提升的系统案例，只是，很多的案列都将重点放在了矿井水提升上，还有诸多的问题还需要处理：（1）井下污水的存储与排放不协调；（2）地面污水处理与清水使用不协调；（3）需要改造地面和井下水泵提升系统，减少劳动力的投入，精简人员；（4）自动化监测监控程度还有很大的提升空间，系统之间的联锁控制的安全稳定性有待提高；（5）节能减排技术不够先进；（6）大功率水泵启动对电网的冲击还没有得到足够的重视。矿井水处理管理体系存在缺陷，需要对矿井水处理综合系统进行保障。
上面提到的这些问题都是荫营煤矿的相关业务技术人员一起分析之后对水处理系统不足部分达成的共识。而针对这些问题，通过一些列的实际调查研究工作，荫营煤矿工程技术人员提出了新型的处理系统，该系统从实际出发，考虑了各个水泵房节点容量、电气回路状况，让井下液压阀门控制系统、地面水处理控制系统结合矿井自动化网络进行有机的联动监控平台，让该系统实现监测监控模式―矿井水综合。而其中的平台设置在机电调度，有专门人员进行管控，能够完全的排除上述一些列的隐患：
（1）井下大口径出水阀门采用液压闸板阀门，具备终端位置信号和过载信号反馈，电源使用660伏，阀门控制采用专用防爆电控柜进行控制；（2）把原有排真空工艺改造成无底阀射流排真空。过去的吸水阀门由于不能及时的排除矿井中的残渣，让底阀不能够正常的活动，所以注水难以加满，处理这样的情况需要大量的人力定时的做清理，由此，改造排真空工艺是完善泵房远控系统就显得十分必要了；（3）对井下和地面多个水仓进行监测，并根据各个水仓水位情况进行水位联锁控制。井下水仓、地面污水仓、地面水处理清水仓和地面高山清水池之间相互联锁和制约形成矿井水处理系统的一个总的联锁（见图1）。
污水处理车间进行有效的处理之后的地面清水将会被提升到高山水库里面，通过链接井下和地面的各种运输管道，地面清水将会输送到各个需要用水的地方。井下射流时主要就是使用地面清水进行射流，但是若是运输管道有残渣导致的堵塞或者是管道途经路况受损的话都会影响清水射流，在清水射流出现异常的时候才启动矿井污水进行射流。
实施按水位、避峰填谷、各台水泵轮换工作和远程自动化开启和关闭水泵运行，将大大的减少该过程中的人力投入，只需要适量的加大维护人员的检查力度就能够保证其安全稳定的运转，在实现人员的精简的同时也提高着矿井人员的工作效率。
对于水泵的控制来讲，首先是得参考供电公司峰谷定价机制，在不影响到矿井安全的情况之下前提下调整开泵时间，开水泵的时间尽可能的处于谷时以减少对矿高压电力网的冲击，一般情况下可以随时开泵，峰时则尽可能避免开泵以降低峰时的运行成本。
建立矿井机电调度中心，然后安排专门的人员通过机电调度中心对水泵和污水处理等进行有效控制，并监督全矿各个用水环节的具体状况，在全自动化监控过程中发现故障要及时的通知巡回检查人员进行排查和检修工作。
荫营煤矿要及时的为员工提供相应的培训，只有专业技术过关，职业素质良好的员工才能熟练的进行各个泵房进行巡检，准确的填写巡检报告单。
项目设计之初就得考虑到可能导致煤矿事故的因素和确保煤矿区工作安全顺利进行的相关条件。项目技术人员通过对比，决定采用西门子公司S7-300控制器作为水泵控制系统的核心控制组件，控制器上安装了采集水泵操作信号标准工业以太网卡和针对控制器输出控制对象进行数字信号输出的模块。
2 控制系统构成
2.1 系统主要包括二部分
液压阀门控制系统：液压阀门控制系统由液压闸阀、液压站、信号传感器、信号电缆和动力电缆组成，其作用是为阀门打开提供动力和控制机构，并提供了手动方式下的控制方式水泵远程采集控制系统：水泵远程采集控制系统由水泵控制器、压力仪表、流量仪表、水位仪表、现场操作站、通讯电缆和控制电缆组成。控制系统总体结构图如图2、图3所示。
由图2和图3可以看出，本系统中液压阀门控制系统和水泵远程采集控制系统相互联系的一个统一体。
2.2 水泵远程采集控制系统实现的功能
水泵的远程采集控制不需要人为干预，只需要通过工业计算机就能实现控制，按照各级水库水位和峰谷时间，让水泵自行的开关和轮换工作，并在不同的情况下做出合理调度，水泵启动的全过程可以不用人工干预。
远程采集控制系统能够随时的监督和测量水泵电机的运行电流和电压的波动情况和数值大小，并根据采集到的信息根据电机类型做出过载、过热等故障的分析，以采取措施稳定电机的运转。若是有预警信息传到地面水泵监控中心，远程系统将会立即停止水泵并显示问题的具体情况。
远程采集控制系统具有保护功能。该系统能够及时的发现过载、欠压、泄漏、超温等问题以及电机故障，并及时的终止有故障水泵的运行，改换备用水泵。
现场控制中心将采集的数据和调度策略传至地面指挥中心，让监控人员能够实时的了解水泵运行工况并根据采集到的数据信息向现场控制中心发出相应的指令进行远程的指挥。
设备原来的手动控制方式之所以被保留下来，就是因为这样的手动控制具有优先控制权，即便是系统存在问题的情况下，还能够在手动控制下实现水泵的正常工作。
远程采集控制系统的实时性好，除了能对各设备的运行工况进行监控之外，还能随时查询、打印实时趋势及历史趋势。
人机界面所显示的数据信息丰富多样又不难理解，而且这类信息的操作方法也比较简易。
软件中嵌入了大量的控制调整策略。这些调整策略能够让系统在发现问题的时候有相对于决策来进行选择，并按照实际的需要调整软件的运行参数，让系统能够在不同状况下都能进行正常的运转。
系统的远距离监控的特点就是能够不受空间的限制，距离远近都能够实现有效的控制。
系统控制的工作方式有三种：自动方式，半自动工作方式和手动检修方式。半自动方式需要工作人员选择某台或几台泵组投入。而手动检修主要是在系统出现问题需要对具体的水泵及其附属设备进行检修或者是手动试车的时候常用到的方式。
3 节能经济效率分析
人员经济效率分析：人员精简后将带来的经济效益。具体分析见表1。
节电经济效益分析：节点经济效率主要体现在对供电公司峰谷价位调整的基础上得出的。水泵工作主要按照2台工作，2台备用，1台检修进行分配负荷，具体分析见表2。
节水经济效益分析：矿井水处理系统的完善主要是对矿井水的综合利用功能进行完善，主要目的就是实现水资源的节能减排的效果。
安全效益分析：现场操作人员的岗位撤销，比如水泵房的值班人员数可以相应的缩减，这样能够减少职工在井下工作时的安全事故发生几率。
生产效率提升：过去对水泵进行控制的时候采用的是手动注水方式，其缺点就是不能保证每次注水排空都能达到预定的效果，而且手动注水需要两个人才能完成操作，一人注水，另一人开启。改造后的注水方式能很好的控制水泵，而且排空效率非常好。大大缩短了注水和操作的时间，这种自动方式有利于提高工作效率。
系统的建设花了一个月完成，投入运行至今迎接了来自全省范围内很多家煤矿和兄弟单位前往进行调查研究和考察工作，并且获得了相关专家的一致好评。荫营煤矿项目获得的成果有利于促进山西省煤矿工业自动化系统朝着更好的方向发展。
4 应用体会
在荫营煤矿项目进行的过程中，水泵系统设备对井下电网冲击是个不容小觑的问题，本次项目没有涉及到的水泵启动方面的改造工作将会加入今后的项目的议程中去，因为只有通过对水泵的启动进行变频或软启动的自动化改造才能真正的解决水泵系统设备对于电网的冲击，才能让水泵运行的过程中减少对能源的消耗。