摘要 本文针对我矿采掘现场道路洒水降尘供水进行现状调查，为解决供水问题，结合现场实际，采用当前网络通讯技术解决信号传输，采用现场总线控制及加装PLC、变频器实现无人自动控制，保证供水正常。
关键词 自控；GSM/GPRS网络通讯；现场总线控制；现场执行单元；变频控制
中图分类号TP27 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）79-0157-04
0 引言
昆阳磷矿随着采矿规模的扩大，覆土区灌溉用水和采区道路洒水用水的量日趋扩大，现有的供水系统及日常运营管理模式所供应的水量已经远远不能满足所需的量，因此对现有的系统进行升级及改造刻不容缓。
1 现有供水状态分析
1.1 水泵系统分析
昆阳磷矿尾矿库抽水站现有两套抽水泵系统，
一套是在水库中放置一台潜水泵，将水抽到附近的储水罐中，再用一台离心泵把水抽到山顶。
另一套是采用底阀式离心泵抽水，离心泵的进水口直接放入水库中。
两套系统共用一套供水管路。
这两种方法抽水各有优缺点。前者的潜水泵使用寿命短，维护工作量比较多。目前这套系统处于搁置状态。后者的缺点也比较明显，就是在相同功率下出水量较小。
1.2 用水现状分析
供应到山上用水目前有两大块，一部分是抽到山顶覆土植被区做灌溉，一部分是用在采区道路降尘用，目前的供水量供应一家都有点勉强，天气进入旱季经常发生两部分抢水用。正常情况下，供水管的末端一个300m3的水池根本进不了水。从五月份到现在水池就没有进过水，因为水根本到不了末端就用完了。
1.3 供水管理状态
现有管理供水的抽水时间，通常是在早上8点到晚上8点。每天运行12个小时。这就造成整个供水的潜力有一半没有发挥出来。这是因为在夜里抽水，水是可以进到山顶水池，但没有准确的水满时间，抽多了水满出，容易造成山体塌方。且山顶水池到抽水站距离较远没法叫人去查看。
2 供水系统控制改造技术分析
2.1 供水水泵及管线
要提高供水的水量必须加大供水的水泵和铺设较粗的水管。但这样一来改造的成本将是非常巨大，没有经济性而言，我们只能在其他方面考虑。
现有供水的水管直径是85mm，几乎不能增加什么和改变什么。
供水的水泵是两台75kW的离心泵，由于不能加大供水水管的直径，加大水泵也不会增加多少的水量。
在这里唯一可以在技术上作调整就是改变离心泵的引水方法，在入水口加装过滤铁丝网，将离心泵水泵的底阀拆掉，加装一套真空泵引水系统。这样能在相同的水泵功率下提高30%的出水量。
2.2 电气改造技术分析
从抽水站到山顶水池的管线中有不少开口点再用水，白天用水的时候，水根本到不了水池。根本起不了蓄水补水的作用，夜里面又没法抽水，因为没法知道山顶水池的水位，操作人员不知道什么时候关水泵。因此要保证全天候抽水，必须保证随时知道山顶水池的水位。
改造的供水系统中抽水站到末端山顶水池的距离有3km远，而且是山路崎岖。这是典型的远程异地式供水系统，通常要保证运行常态化正常，需要两地双人值守，水泵的开启需要一人，由水池旁的一人报告水池是否满或者水池缺水的报告来实施。这种方式在实际运行中，显得非常不方便，如两端都设专人，对运营成本来说就显得很高（我国的未来可能的工资水平迟早会达到中等发达国家的水平，同样还会有成本很高的管理成本），如果不设专人，对于保持系统的正常的运行就会出现很多问题。
这就要求实现全系统正常运行时做到无人值守，自动完成水泵运行的动作。对于这样的运行要求，采用常规的控制方式几乎时不可能做到，主要是两端的信号通讯无法实现，采用常规方法，用控制电缆的话，光数公里的电缆成本就让人难于接受，同时日后沿路的电缆维护也是个问题。
目前有几种技术手段可以实现液位的远程传输：一是采用普通无线电发射接收模块来传输，具体控制由PLC来实现，无线电信号相当于一种通讯链路，代替常规控制中的电线。这种方法有着先天性弱点，由于无线电信号的频率是公共资源，在实际应用过程中容易受到干扰，用在这里不可靠；二是采用Internet网络，对比上一种方法，把网络当作一条通路，代替常规的控制电缆。这种方法用在通网络的地方有着无可比拟优势，传输成本便宜又可靠，但水泵站、水池都不通网络，这一方案用在这里不可行；三是采用GSM/GPRS做通讯链路，直接使用移动通信GSM网络资源。
供水系统中设计为全自动运行，水泵的起停就会非常频繁，因此我们采用变频器控制水泵是唯一的方法。
现代工业控制已经向信息化发展，我们把整个远程水泵自动运行信息化。把分散在几十公里的地方的水泵控制系统部件集中起来监控和控制。实现远程在线检测系统的运行数据，掌握设备的实时运行状况，这将大大降低相关工作人员的劳动强度，当系统运行出现问题时，能第一时间发现问题，并能第一时间解决问题。
2.2.1 液位信号传输的可行性分析
山顶水池的位置，没有正常的两相电，水池的液位检测设备及信息传输设备的供电，我们采用太阳能电池板加蓄电池。
水池水位的信息通讯，我们采用中国电信的网络传输。一个信息点的费用是每月50元。
在整个昆阳磷矿所有区域都有信号，而且使用GSM短信方式传输液位信息，十分可靠。
2.2.2 变频控制的运行分析
水泵是传送液体的机械设备，从流体力学原理得知，流量与电机转速功率相关：
众所周知，在流体系统中，对于水泵，其扬程（H）、流量（Q）、转速（n）和轴功率（P）之间存在如下关系：
Q=K1×n
H=K2×n×n
P=K3×H×Q=K1×K2×K3×n×n×n=K×n×n×n
水泵的流量与水泵（电机）转速成正比，水泵的扬程与水泵（电机）转速的平方成正比，水泵的轴功率等于流量与扬程的乘积，故水泵的轴功率与水泵（电机）的转速的三次方成正比（即水泵的轴功率与供电频率的三次方成正比）： 目前，我国使用的离心式水泵绝大多数都使用三相异步电动机进行拖动。要调节水泵转速直接调整电动机转速即可。由电机学原理可知，交流异步电动机的转速有以下公 式表示： n=60f（1-s）/p
其中，s为电动机转差率（对于电动机为常量）；
p为电动机定子绕组极对数（对于电动机为常量）；
f为电动机的供电频率（Hz）。
所以，只要调整供给异步电动机的电源 频率，就可以实现对电动机转速变化的控制。根据水泵的相似原理可知：当水泵速度变 化时，流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。从这一比例定律关系可见，同一台泵在转速变化时，泵的主要性能参数将按上述 比例定律变化并且在变化过程中保持效率基本不变。由此可见，采用调节转速的方法来调节流量，电动机所取用的电功率将大为减少。因而，用变频器控制水泵，这是一种能够显著节约 能源的好方法。
在确保前端用水前提下，若水泵的运行频率调低2Hz，水泵运行功率将降低16%，将有可观的节能空间，所以用变频器实现节能是可行的。
在我们设计的控制系统中，选用三菱变频器，三菱变频器的品质在大量应用中得到检验，这就保证了整个控制系统的高可靠行。
2.2.3 系统的信息化设计
水泵自动运行信息化系统
现代工业控制已经向信息化发展，在我们的设计方案中，提供了远程水泵自动运行信息化系统。这样一个系统可以把分散在几十公里的地方的水泵控制系统集中起来监控和控制。实现远程在线检测系统的运行数据，掌握设备的实时运行状况，这将大大提高系统运行的信息化水平，大大降低相关工作人员的劳动强度，当系统运行出现问题时，能第一时间发现问题，并能第一时间解决问题。 信息化系统设备配置系统的控制设备有一台工控机，一部冗余GSM模块控制器及软件系统构成。控制系统提供以太网接口，可以也很方便的接入贵公司的局域网系统
信息化系统实现功能：
1）实时监控各个系统的运行数据；
2）各个系统的运行数据报表自动生成；
3）远程在线检测系统故障；
4）运行数据可长期保存；
5）异常机制，自动报警及人员短信通知；
6）在保证安全的情况下，系统可接入局域网，接如erp系统；
7）运行数据历史曲线比较功能，可实现分析设备运行状态变化，可确定设备的老化状态；
本次改造可以实现水泵系统的全自动运行，加入信息化系统后。可实现，工作电流、即时功率、累计用电量、流量、故障信息的报表自动生成，这将巨大的提高了工作人员的生产效率，也改善了工作环境。
3 水泵系统控制原理
本系统的控制包括水泵的自动开机流程控制、自动关机流程控制、水泵运行状态监测（开机、关机时间，运行时间、工作电流、即时功率、累计用电量、流量、故障等）、水源地液位、高位水池液位检测、传输、控制、水泵运行数据的无线传输、异地接收处理统计的信息化处理等。
3.1 自动开机流程控制、自动关机流程控制
完全按照水泵的人工操作流程来实现自动开机、关机控制。
自动开机流程：启动真空泵引水-打开排气阀检测水泵排气阀-启动水泵-打开管路阀门-关闭真空泵-关闭排气阀-正常运行；
关机：关闭管路阀门-关闭水泵-正常停机。
3.2 水泵运行状态监测
通过现场触摸屏实现水泵运行状态数据的显示、检测，我们能实现开机、关机时间、运行时间、工作电流、即时功率、累计用电量、流量、故障等状态信息的实时显示。
3.3 液位测控
水源点泵池液位是确保水泵安全的前提，通过液位测控开关检测液位下限和上限；各水泵站对应高位水池均采用液位测控开关检测液位下限和上限，根据两地液位检测情况。
液位可能情况 主供水泵
输入1 输入2 输出1 输出2
水源下限 停泵 报警提示，工作人员干预报警提示，
水源上限 停泵 报警提示，工作人员干预报警提示，
高位水池下限 开泵
高位水池上限 停泵
3.4 系统控制
用PLC、触摸屏、GSM/GPRS无线模块、变频器、流量计、液位测控开关等构成完整的一套控制系统，编制基于液位测控条件下的自动控制程序，实现所有自动控制功能。
控制系统分手动和自动运行两种方式，用选择开关选择。
手动运行：泵由单独的启动、停止按钮由原有的软启动实现；调试和变频器故障时，采用此方式操作。
自动运行：通过液位计测量液面高度，自动调节泵的转速，让水泵平稳运行、上水量均匀，可防止泵汽蚀现象或漫泵现象。再加上变频器具有软启、软停功能，减少了对设备的冲击，延长设备的使用寿命。
由于各时段的电价不同，在本系统中可设定泵的开机时段，以达到最佳的经济效益。
现场配有触摸屏，方便在现场观察和设定各种参数。
1）水泵系统的启动方式
启动方式包括手动、自动、定时三种方式；
手动方式：当变频控制系统出故障时，把电源线和电机线接到软启动柜，手动开泵。
自动方式：上位水池的液位低于设定的下限时，发出开机信号，变频器根据安装在泵池上的液位计采集到的液位信号来进行自动控制，以达到液位稳定且在工艺要求范围内的效果。
定时：上位水池的液位低于设定的下限时，发出开机信号，等设定的开机时间到，变频器按照开机顺序自动开机。
2）水泵系统的停机方式
上位水池的液位高于设定的上限时，发出停机信号，系统按照停机顺序自动停机。
3）水泵报警方式
设备具有保护功能：这些参数设有两级报警，第一级报警输出指示灯，提醒操作人员注意并采取相应措施，第二级报警认为报警不能解除，采取停机措施。
过载、欠压、过压、缺相等情况出现时系统能够及时报警并停机。
4 自动供水控制系统实施方案 4.1 控制系统组成
通过以上分析，昆阳磷矿尾矿库水泵站自动供水系统的信号链路我们采用GSM/GPRS的方式，在水泵房设置两台主控制柜，内置包含一台三菱PLC 、两台90kW三菱变频器（分别控制两台75kW清水泵，留一定功率裕量确保水泵安全可靠运行）、两台0.5kW微型变频器（分别控制两台电动阀）一台7.5kW变频器（控制一台5.5kW真空泵）、一台彩色触摸屏、一台双冗余GSM/GPRS无线模块及相关电气元件来实现两台水泵自动运行必须的各种控制功能，外置的传感器通过控制电缆接入控制柜。在水泵房配置两台控制柜。
在覆土植被区300m3水池 设置一个次级控制柜，内置一台三菱PLC、一台双冗余GSM/GPRS模块及相关电气元件、液位开关用来检测、传输两地水池液位信息 。设置一套太阳能发电系统给次级控制柜提供电源。
水泵系统中将安装有电磁流量计，我们在系统设计中，将流量信号采集入系统，流量信息通过PLC计算可实时显示在触摸屏上，并直接利用这一信号检测水泵系统是否运行正常。
主控制柜的PLC和次控制柜的PLC上的所有的信息通过两地的GSM/GPRS模块进行数据通信、传递，同时二者的信息可以同步传输到维护人员手机或者带有GSM/GPRS模块的上位工控机。根据尖山磷矿要求，这一信息就同时包含了每台水泵运行的时间、即时功率、用电量、取水量等关键基础数据，取水运行的信息化功能得以实现。
4.2 控制系统示意图
系统控制示意图如下。
系统控制可分为自动控制和手动控制，自动控制又分信号通知自动控制、定时自动控制和混合控制，由机柜上的控制模式选择开关来选择。
4.3 定时自动控制模式
定时自动控制是由人为设定在一段时间启动水泵供水到水池，一段时间停止水泵供水，时间由设置触摸屏内的控制参数来实现。这一控制功能主要是实现错峰取水，因一天中不同时间段电价不一样，且差距相差一倍以上，如夜间的低谷电价就只是白天高峰用电电价的一半，尽量在夜间供水将会非常经济。本系统的定时自动控制通过设定水泵的运行时段，在确保山顶水池用水前提在夜间自动抽水显著降低取水电费。
水泵运行于定时自动控制方式后，停机仍然由两地水池液位测控信号来控制，防止这一模式下没有液位检测造成水池漫顶。
4.4 混合自动控制
混合自动控制是指上述两种方式都参与运行，也即要有两地水池液位下限信号、同时要到夜间定时启动时间信号到，才能启动水泵供水（在白天有液位信号的前提下，先保存这一启动信号），而停机的话只要有一个停止条件满足，就停止抽水。
实现以上自动供水控制，核心是真空泵引水、选择工作清水泵电动阀、两台清水泵、清水泵工作对应的管路电动阀、流向两地水池电动阀在两地水池液位信息的引导下的统筹控制，也是本系统的核心技术，本系统的难点。
4.5 手动控制
手动控制可分为柜上手动和手机短信控制，调试状态和控制系统出现故障时，采手动方式操作，此时需要人工手动开泵、关泵。
4.6 水泵系统调速方式
现场配有手动和自动调速方式，手动调速通过现场触摸屏来设定；自动方式可根据PID调节器的控制信号进行调速。因水源水池液位基本恒定，水泵进水量是稳定的，采用变频调速控制水泵，基本上就是第一次设定好以后就保持不动了，如前所述，只要水能供上植被区，水泵的运行频率尽量调低，只要运行频率低于50Hz，运行过程中自然而然就是节能运行了。
4.7 水泵运行报警
本控制系统具有完善的运行检测功能，同时还设有相应的保护功能，当运行中出现过载、欠压、过压、缺相、流量异常波动、流量为零、检测不到液位信号等异常状况时，立即驱动蜂鸣器进行声光报警，同时自动停机，及时保护水泵设备，故障信息同时通过GSM/GPRS模块传输到工控机上（并自动记录故障信息），通知人员及时处理。
4.8 整个系统可实现的功能
通过这一系列技术手段，整个系统可实现以下功能：
1）实现开机、关机、正常运行检测的全自动供水操作；
2）控制方式自由设定；
3）所有的数据可实时传输，实现水泵运行信息化功能；
4）所有的控制可由用户手机发短信来执行手动控制和手动自动转换；
5）触摸屏上可自由设定参数；
6）留有接口，方便客户未来的扩展应用；
7）两台水泵能轮流运行。
5 结论
对于需要远程传输信号来说，使用GSM/GPRS模块是一种比较现实方案，当今社会的电信通讯技术的普及使得GSM/GPRS的流量费用大幅下降。对于工业应用中的使用成本到了可以接受时刻，通讯网络的稳定也大幅提高。在本方案中，我们设计双冗余的GSM/GPRS模块，每个模块采用两个电话号码，用以保证通讯的稳定，使得在控制信号通讯中万无一失，这也使得整个系统稳定得到保证。
另外变频器的使用是一种调整水泵电动机转速的方式最为经济，而且简单易行。水泵的变频控制在电力能源日渐紧张的今天是值得大力推广的。当前已经大量应用的变频器就是一种融合了电力电子技术、微电子技术和自动控制技术等，是一种已经成熟的技术，是将电源频率予以直接地或间接地改变后再进行输出的专用设备。
使用变频器拖动控制水泵时，其转速可在满足供水系统需求的情况下随时调整，而且可 以实现软启动、软停车、无级调速，将电动机起动电流降低到额定电流以下，使电动机的电气部分和轴承机械承受的冲击大为减小，同时有效避免了管道内 的水锤效应，避免了管道流量的突变，减少了爆管、滴漏的发生机率。更重要的是，能够实现与供电频率成立方比例的轴功率大幅降低，极大地降低了电动机消耗的电能。
参考文献
[1]胡寿松主编.自动控制原理[M].4版.北京：科学出版社，2001.
[2]朱晓青主编.过程检测控制技术与应用[M].北京：冶金工业出版社，2002.
[3]李朝青编著.单片机原理及接口技术.简明修订版[M].北京：北京航天航空大学出版社，1998.
