李志平，马志诚，施卫华
(昆明冶金高等专科学校电气与机械学院，云南 昆明 650033)
某冶金矿山有一井下排水泵站，用于将开采作业产生的地下水排至地表面，以保障采区的正常开采。排水泵站与地表面高差约 500 m，雨季涌水量约为 110 m3/h，水仓容积约为 40 m3，配置扬程为 600 m、功率为 250 kW 的排水泵3台。多年来，排水泵站一直采用人工现场操作排水，操作岗位配置多人确保泵站日常运行、维护。为减少井下作业人员数量，提升装备水平，企业决定将该井下排水泵站改造为无人值守、远程控制的排水泵站。为此，需在泵站增设一套PLC控制系统，将人工操作的手动闸阀改为电动闸阀，增加水仓液位传感器、管道压力传感器、流量传感器、水泵振动、温度传感器等以满足自动化运行需求，并利用光纤将泵站运行信息传送至矿山监控中心，实现排水泵站的无人值守，远程监控。图1为排水泵站管路及电动闸阀、传感器配置。
1.1 控制系统结构
图2为排水泵站控制系统结构。系统分为2层:第一层为矿山监控中心，由操作电脑、监控软件组成;第二层为现场控制设备，由PLC设备和传感器组成。矿山监控中心通过光纤连接井下泵站PLC系统控制柜，将泵站设备的运行状态、水仓液位值、管道压力值、电动机外表温度、水泵振动值等数据上传至矿山监控中心操作站，并实时显示和控制。泵站现场的摄像机信号也传至矿山监控中心，实时显示并记录泵站现场情况。
图1 排水泵站管路及电动闸阀、传感器配置Fig.1 Allocation figure of pipeline and electric gate valve and sensor of drainage pump station
图2 排水泵站控制系统结构Fig.2 Structure diagram of control system of drainage water pump station
1.2 设备选型
排水泵站位于地下约 500 m 处，环境差，湿度大，空间狭小，依靠风机强制通风，通行也不方便。控制设备的选型要考虑较高的安全性、可靠性、稳定性、耐受性，控制系统月故障时间累计不得超过 2 h。
1)PLC选型。选用施耐德电气M340系列PLC，其为高性能中型PLC平台，具有“精巧、可靠、创新、易用、高性价比”等特点。本项目中的模块选型为BMXCPS3500型号电源模块1个，BMXP342020 型号CPU模块1个，BMXNOM0200型号串口通信模块1个，BMXDDI3202K型号数字量输入模块2个，BMXDDO1602型号数字量输入模块3个，BMXAMI0810型号模拟量输入模块3个，BMXAMO0410型号模拟量输出模块1个，10寸触摸屏1个。
2)电动调节闸阀选型。通径DN100；
压力等级 6.4 MPa ；
温度≤200 ℃；
介质为常温水；
连接方式为法兰；
阀体材质为铸钢；
密封材质为硬密封；
阀芯材质为不锈钢；
电压AC 380 V；
输入输出信号 4～20 mA；
调节型；
工作方式为手动/自动。
3)电动球阀选型。通径DN20；
压力等级 1.6 MPa；
温度≤100 ℃ ；
介质为常温水；
连接方式为内螺纹；
阀体材质为铸钢；
阀芯材质为不锈钢；
密封材质为聚四氟乙烯；
电压AC 220 V；
开关型。
4)传感器选型。
水仓液位传感器：量程范围0～3 m，输出信号4～20 mA。
管道压力传感器：量程范围0.0～6.4 MPa，输出信号4～20 mA，带显示屏，螺纹接口M20×1.5。
水泵及电动机振动、温度传感器：选用振动/温度一体化传感器，振动速率0～20 mm/s， 对应 4～20 mA 输出；
温度范围0～100 ℃，对应0～1 V 输出；
灵敏度 10 mV/℃。
出水管超声波流量计：分体型壁挂式安装，外夹式探头，信号传输距离 20 m，液晶显示，精度1级。
1.3 变频器控制设计
变频器是泵站运行的关键设备。泵站水泵电动机配置为交流 380 V，250 kW，采用变频器驱动，实现水泵的启动、流量调速控制，变频器与PLC之间的信号联接如图3所示。由PLC输出信号控制变频器的启停及调速，同时变频器的运行状态信号也反馈到PLC，与之对应的变频器参数设置如表1所示。
图3 变频器与PLC信号连接Fig.3 Connection diagram of frequency converter and PLC signal
表1 变频器参数设置Tab.1 Parameter setting table of the frequency converter
1.4 PLC控制流程
图4为排水泵站PLC控制程序流程。开机时先进行PLC自检，设备初始位置检测，正常后运行1—3#启动控制程序。系统运行过程中如发生故障或安全回路信号动作则系统停止运行。
图4 PLC控制流程Fig.4 PLC control flow chart
2.1 数据采集与统计
PLC控制系统采集泵站电源进线电压、电动机运行电能参数、出水管路压力、出水管道流量、水仓液位、电动机外表温度、水泵振动量等。采集电动闸阀工作状态及开关位置，电动球阀工作状态及开关位置。采集变频器运行参数、故障状态。系统具备数据统计、展示功能，自动记录各台水泵运行时间、故障等历史数据，包括液位、主泵电流曲线查询、排水流量累计值等，为设备维护管理提供决策。
2.2 控制功能
PLC控制系统设就地手动、远程控制方式，远程设手动、自动2种控制方式。
1)自动控制方式：由液位传感器监测水仓水位值，根据水仓水位值，自动启停水泵及打开或关闭相应阀门。在正常水位值时，各水泵自动轮换工作，在危险水位值时，自动投入必要数量的水泵。系统还可根据水仓水位值变化率给出水泵运行台数及电动机调频运行、阀门开度运行策略，实现水泵节能运行。
2)手动控制方式：操作人员根据水仓水位值，人工开停水泵及确定开泵台数。电动机及其阀门的开、停由PLC自动执行。手动控制可在矿山监控中心控制电脑或现场PLC柜触摸屏上进行操作，同时对运行中的各种参数进行实时监测。
维修方式：维修人员在现场操作水泵的启停，电动闸阀、电动球阀的开关，解除设备间的相互联锁关系。
视频监控：在泵站关键运行部位设置摄像机，对泵房、水泵、变压器等场地实时视频监视和记录，操作人员也能实时观察现场设备的运行情况并记录。
2.3 保护功能
1)流量保护：水泵启动或正常运行过程中，当流量计检测到管道流量达不到正常值时实现报警，超过设定时限后自动停泵。
2)压力异常保护：压力传感器检测管路压力出现异常时实现报警，压力达不到设定值自动停泵。
3)电动闸阀故障：当电动闸阀出现故障时，电动闸阀驱动装置输出故障信号，参与水泵的联锁控制。
4)水位超限及水位突变报警：当水仓水位值超过最高水位或最低水位时系统报警。当水位增长速度超过正常水位增长速度时系统报警。
5)振动、温度报警：振动/温度传感器监测电动机及水泵的振动量、温度值。当超过设定值时，系统报警并停泵。
6)电动机故障保护：系统采集电动机电能参数，实现短路、缺相、过载、欠压保护功能，当出现以上状况时，系统自动停止故障水泵，同时启用备用水泵投入运行。
7)通讯中断报警：当地面与井下通讯线路中断时，系统自动报警，同时将控制方式自动切换到就地自动运行方式。
2.4 动态显示
矿山监控中心操作电脑用图形界面实时显示排水泵站的运行状态，包括水仓水位、各水泵开启状态、电动球阀和电动闸阀的开闭位置、管路的压力和出水管路流量等。显示泵站电源电压、电动机运行电流、电动机外表温度、水泵振动量，泵站运行状况一目了然，图5为排水泵站监控动态显示界面。另还有设备的手动操作界面，运行参数显示界面等。
图5 排水泵站监控动态显示界面Fig.5 Monitoring and dynamic display interface of the drainage water pump station
项目实施运行1年来，系统运行正常，其应用效果体现在以下几个方面：
1)依据水仓水位值及水位变化率启停水泵并调节水泵转速。对于水泵，流量Q、扬程H、转速n、轴功率P和效率η共同表达了泵的规格和特性，它们之间的特性关系如图6所示。当转速从n1变为n2时，根据泵的比例定律，变速前后的流量Q、扬程H、轴功率P的关系如下：
Q2=Q1×(n2/n1)
H2=H1×(n2/n1)2
P2=P1×(n2/n1)3
(1)
式(1)中：Q1、H1、P1为泵在转速n1的流量、扬程、功率；
Q2、H2、P2为泵在转速n2时流量、扬程、功率。
由此可看出，流量与转速成正比，压力与转速平方成正比，轴功率与转速立方成正比。泵的转速降低，轴功率降低，消耗的电能减少，图7表示了转速与功率的关系，其节电比率如表2所示。因此相对工频运行而言，水泵变速运行具有节能的效果。
图6 水泵的特性曲线 图7 水泵转速与功率关系 Fig.6 Characteristic curve of water pump Fig.7 Relationship between pump speed and power
2)减少运行人员，相应减少人工工资支出，可将原来的运行人员充实到设备维护检修队伍，提高维护质量，减少事故发生，变事故发生后的被动检修为主动的定期检修。
3)通过调整水泵的开停时间避开电力负荷高峰期，有效地削峰填谷，节约电费开支。
4)控制水泵轮流工作，有效延长设备寿命，减少事故停机，提高供排水能力。
表2 变频调节控制水泵的节电率Tab.2 Power saving rate of frequency conversion regulation and control water pump
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