水泵自動化控制系統(tǒng)在礦井節(jié)能減排的應(yīng)用
2023年03月15日
目前國家對于煤礦單位的安全生產(chǎn)比較重視，對于煤炭生產(chǎn)單位來講，不僅僅對其要求礦井水泵控制系統(tǒng)自動化具備良好的安全性和可靠性，還要求排水系統(tǒng)具備良好的節(jié)能減排效果。筆者在下文中主要是針對蔭營煤礦在生產(chǎn)中如何實現(xiàn)礦井大型設(shè)備節(jié)能減排做分析，從分級水庫水位差的利用， PLC技術(shù)編程的使用和嵌入避峰填谷等相關(guān)方面進行簡要的探討。
1 項目簡介
2009年，蔭營煤礦啟動了關(guān)于排水系統(tǒng)自動化控制項目的論證工作，為了實現(xiàn)對水泵的良好控制和節(jié)能減排的目的，蔭營煤礦積極的與多個研究單位進行了有效的合作，共同研究穩(wěn)定有效的遠(yuǎn)程控制方案來完善自動化控制系統(tǒng)。其研究表明使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)控制器―PLC對現(xiàn)場信號進行采集并分析將能準(zhǔn)確的對水泵進行控制，而通過分級水庫聯(lián)動、避峰填谷等方式也能夠節(jié)約能源，減少環(huán)境污染。
在項目論證時國內(nèi)已經(jīng)有很多礦井水處理或水提升的系統(tǒng)案例，只是，很多的案列都將重點放在了礦井水提升上，還有諸多的問題還需要處理：（1）井下污水的存儲與排放不協(xié)調(diào)；（2）地面污水處理與清水使用不協(xié)調(diào)；（3）需要改造地面和井下水泵提升系統(tǒng)，減少勞動力的投入，精簡人員；（4）自動化監(jiān)測監(jiān)控程度還有很大的提升空間，系統(tǒng)之間的聯(lián)鎖控制的安全穩(wěn)定性有待提高；（5）節(jié)能減排技術(shù)不夠先進；（6）大功率水泵啟動對電網(wǎng)的沖擊還沒有得到足夠的重視。礦井水處理管理體系存在缺陷，需要對礦井水處理綜合系統(tǒng)進行保障。
上面提到的這些問題都是蔭營煤礦的相關(guān)業(yè)務(wù)技術(shù)人員一起分析之后對水處理系統(tǒng)不足部分達成的共識。而針對這些問題，通過一些列的實際調(diào)查研究工作，蔭營煤礦工程技術(shù)人員提出了新型的處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)從實際出發(fā)，考慮了各個水泵房節(jié)點容量、電氣回路狀況，讓井下液壓閥門控制系統(tǒng)、地面水處理控制系統(tǒng)結(jié)合礦井自動化網(wǎng)絡(luò)進行有機的聯(lián)動監(jiān)控平臺，讓該系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)測監(jiān)控模式―礦井水綜合。而其中的平臺設(shè)置在機電調(diào)度，有專門人員進行管控，能夠完全的排除上述一些列的隱患：
（1）井下大口徑出水閥門采用液壓閘板閥門，具備終端位置信號和過載信號反饋，電源使用660伏，閥門控制采用專用防爆電控柜進行控制；（2）把原有排真空工藝改造成無底閥射流排真空。過去的吸水閥門由于不能及時的排除礦井中的殘渣，讓底閥不能夠正常的活動，所以注水難以加滿，處理這樣的情況需要大量的人力定時的做清理，由此，改造排真空工藝是完善泵房遠(yuǎn)控系統(tǒng)就顯得十分必要了；（3）對井下和地面多個水倉進行監(jiān)測，并根據(jù)各個水倉水位情況進行水位聯(lián)鎖控制。井下水倉、地面污水倉、地面水處理清水倉和地面高山清水池之間相互聯(lián)鎖和制約形成礦井水處理系統(tǒng)的一個總的聯(lián)鎖。
污水處理車間進行有效的處理之后的地面清水將會被提升到高山水庫里面，通過鏈接井下和地面的各種運輸管道，地面清水將會輸送到各個需要用水的地方。井下射流時主要就是使用地面清水進行射流，但是若是運輸管道有殘渣導(dǎo)致的堵塞或者是管道途經(jīng)路況受損的話都會影響清水射流，在清水射流出現(xiàn)異常的時候才啟動礦井污水進行射流。
實施按水位、避峰填谷、各臺水泵輪換工作和遠(yuǎn)程自動化開啟和關(guān)閉水泵運行，將大大的減少該過程中的人力投入，只需要適量的加大維護人員的檢查力度就能夠保證其安全穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)，在實現(xiàn)人員的精簡的同時也提高著礦井人員的工作效率。
對于水泵的控制來講，首先是得參考供電公司峰谷定價機制，在不影響到礦井安全的情況之下前提下調(diào)整開泵時間，開水泵的時間盡可能的處于谷時以減少對礦高壓電力網(wǎng)的沖擊，一般情況下可以隨時開泵，峰時則盡可能避免開泵以降低峰時的運行成本。
建立礦井機電調(diào)度中心，然后安排專門的人員通過機電調(diào)度中心對水泵和污水處理等進行有效控制，并監(jiān)督全礦各個用水環(huán)節(jié)的具體狀況，在全自動化監(jiān)控過程中發(fā)現(xiàn)故障要及時的通知巡回檢查人員進行排查和檢修工作。
蔭營煤礦要及時的為員工提供相應(yīng)的培訓(xùn)，只有專業(yè)技術(shù)過關(guān)，職業(yè)素質(zhì)良好的員工才能熟練的進行各個泵房進行巡檢，準(zhǔn)確的填寫巡檢報告單。
項目設(shè)計之初就得考慮到可能導(dǎo)致煤礦事故的因素和確保煤礦區(qū)工作安全順利進行的相關(guān)條件。項目技術(shù)人員通過對比，決定采用西門子公司S7-300控制器作為水泵控制系統(tǒng)的核心控制組件，控制器上安裝了采集水泵操作信號標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)卡和針對控制器輸出控制對象進行數(shù)字信號輸出的模塊。
2 控制系統(tǒng)構(gòu)成
2.1 系統(tǒng)主要包括二部分
液壓閥門控制系統(tǒng)：液壓閥門控制系統(tǒng)由液壓閘閥、液壓站、信號傳感器、信號電纜和動力電纜組成，其作用是為閥門打開提供動力和控制機構(gòu)，并提供了手動方式下的控制方式水泵遠(yuǎn)程采集控制系統(tǒng)：水泵遠(yuǎn)程采集控制系統(tǒng)由水泵控制器、壓力儀表、流量儀表、水位儀表、現(xiàn)場操作站、通訊電纜和控制電纜組成。
2.2 水泵遠(yuǎn)程采集控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能
水泵的遠(yuǎn)程采集控制不需要人為干預(yù)，只需要通過工業(yè)計算機就能實現(xiàn)控制，按照各級水庫水位和峰谷時間，讓水泵自行的開關(guān)和輪換工作，并在不同的情況下做出合理調(diào)度，水泵啟動的全過程可以不用人工干預(yù)。
遠(yuǎn)程采集控制系統(tǒng)能夠隨時的監(jiān)督和測量水泵電機的運行電流和電壓的波動情況和數(shù)值大小，并根據(jù)采集到的信息根據(jù)電機類型做出過載、過熱等故障的分析，以采取措施穩(wěn)定電機的運轉(zhuǎn)。若是有預(yù)警信息傳到地面水泵監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程系統(tǒng)將會立即停止水泵并顯示問題的具體情況。
遠(yuǎn)程采集控制系統(tǒng)具有保護功能。該系統(tǒng)能夠及時的發(fā)現(xiàn)過載、欠壓、泄漏、超溫等問題以及電機故障，并及時的終止有故障水泵的運行，改換備用水泵。
現(xiàn)場控制中心將采集的數(shù)據(jù)和調(diào)度策略傳至地面指揮中心，讓監(jiān)控人員能夠?qū)崟r的了解水泵運行工況并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息向現(xiàn)場控制中心發(fā)出相應(yīng)的指令進行遠(yuǎn)程的指揮。
設(shè)備原來的手動控制方式之所以被保留下來，就是因為這樣的手動控制具有優(yōu)先控制權(quán)，即便是系統(tǒng)存在問題的情況下，還能夠在手動控制下實現(xiàn)水泵的正常工作。
遠(yuǎn)程采集控制系統(tǒng)的實時性好，除了能對各設(shè)備的運行工況進行監(jiān)控之外，還能隨時查詢、打印實時趨勢及歷史趨勢。
人機界面所顯示的數(shù)據(jù)信息豐富多樣又不難理解，而且這類信息的操作方法也比較簡易。
軟件中嵌入了大量的控制調(diào)整策略。這些調(diào)整策略能夠讓系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)問題的時候有相對于決策來進行選擇，并按照實際的需要調(diào)整軟件的運行參數(shù)，讓系統(tǒng)能夠在不同狀況下都能進行正常的運轉(zhuǎn)。
系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控的特點就是能夠不受空間的限制，距離遠(yuǎn)近都能夠?qū)崿F(xiàn)有效的控制。
系統(tǒng)控制的工作方式有三種：自動方式，半自動工作方式和手動檢修方式。半自動方式需要工作人員選擇某臺或幾臺泵組投入。而手動檢修主要是在系統(tǒng)出現(xiàn)問題需要對具體的水泵及其附屬設(shè)備進行檢修或者是手動試車的時候常用到的方式。
3 節(jié)能經(jīng)濟效率分析
人員經(jīng)濟效率分析：人員精簡后將帶來的經(jīng)濟效益。具體分析見表1。
節(jié)電經(jīng)濟效益分析：節(jié)點經(jīng)濟效率主要體現(xiàn)在對供電公司峰谷價位調(diào)整的基礎(chǔ)上得出的。水泵工作主要按照2臺工作，2臺備用，1臺檢修進行分配負(fù)荷，具體分析見表2。
節(jié)水經(jīng)濟效益分析：礦井水處理系統(tǒng)的完善主要是對礦井水的綜合利用功能進行完善，主要目的就是實現(xiàn)水資源的節(jié)能減排的效果。
安全效益分析：現(xiàn)場操作人員的崗位撤銷，比如水泵房的值班人員數(shù)可以相應(yīng)的縮減，這樣能夠減少職工在井下工作時的安全事故發(fā)生幾率。
生產(chǎn)效率提升：過去對水泵進行控制的時候采用的是手動注水方式，其缺點就是不能保證每次注水排空都能達到預(yù)定的效果，而且手動注水需要兩個人才能完成操作，一人注水，另一人開啟。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。大大縮短了注水和操作的時間，這種自動方式有利于提高工作效率。
系統(tǒng)的建設(shè)花了一個月完成，投入運行至今迎接了來自全省范圍內(nèi)很多家煤礦和兄弟單位前往進行調(diào)查研究和考察工作，并且獲得了相關(guān)專家的一致好評。蔭營煤礦項目獲得的成果有利于促進山西省煤礦工業(yè)自動化系統(tǒng)朝著更好的方向發(fā)展。
4 應(yīng)用體會
在蔭營煤礦項目進行的過程中，水泵系統(tǒng)設(shè)備對井下電網(wǎng)沖擊是個不容小覷的問題，本次項目沒有涉及到的水泵啟動方面的改造工作將會加入今后的項目的議程中去，因為只有通過對水泵的啟動進行變頻或軟啟動的自動化改造才能真正的解決水泵系統(tǒng)設(shè)備對于電網(wǎng)的沖擊，才能讓水泵運行的過程中減少對能源的消耗。
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