水泵自动化控制系统在矿井节能减排中的应用.pdf

科技情报开发与经济 S C I T E C H I N F O R M A T I O N D E V E I O P M E N T＆E C O N O M Y 2 0 1 1 年第 2 1 卷第 3 6 期 文章编号 1 0 0 5 6 0 3 3 2 0 1 1 3 6 0 1 3 4 0 3 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 0 2 8 水泵 自动化控制系统在矿井节能减排中的应用 1 项 目简介 冯飞 ， 袁红权 1 ． 太原理工大学， 山西太原， 0 3 0 0 2 4 ； 2 ． 太原理工天成电子信息技术有限公司， 山西太原， 0 3 0 0 2 4 摘要 主要介 绍 了开元煤矿巧妙利用分级水库水位差 ， 使 用 P L C技术编程 ， 嵌入避峰 填谷的要求， 采用阀门液压装置对井下水泵、 水仓及地面设施进行连锁控制． 实现 了矿 井大型设备的 节能减排 。 关键词 水泵； 自动化控 制 系统 ； 节能减排 ； P L C 避峰填谷 中图分类号 T D 4 4 2 ． 2 文献标 识码 A 2 0 0 9 年 ，阳煤集团开元煤矿提出了排水系统自动化控制项 目的论证工作 ， 并与科研单位就稳定、 可靠、 安全的远程控制方 案寻找解决方法。最终确定采用_T业标准控制器P L C对现 场信号进行采集并分析后对水泵进行控制 ，同时要实现分级水 库联动、 避峰填谷、 精简人员以达到节能减排的目的。 伍项 目论证时闺内已经有很多矿井水处理或水提升的系统 案例， 但大多集I { J 在单纯的矿井水提升上， 还有 许多问题没有解 决， 主要问题如下 一是井下矿井水的提升与地而污水处理系统 之间没有进行联动和连锁， 使得井下污水的存储与排放不协调； 二是没有针对地面污水处理与清水使用的统一协调 ；三是人员 数量比较多，改造地而和井下水泵提升系统后可以有效减少工 作人员的总量 ； p 日 是必须提高 自动化监测监控程度， 多个系统之 间的连锁控制应该可靠、稳定 ，并H ． 经过不同工艺环境下的测 试； 五是对节能减排方面的1 二 艺控制关注不够； 六是减少因为大 功率水泵启动对电网的冲击 ； 七是完善矿井水处理管理体系， 在 组织架构和管理体系下对矿井水处理综合系统进行保障。 上述问题和现象是相火业务技术人员一同研究后作出的对 开元煤矿水处理系统不足部分的统一认识 ，为了有效解决上述 问题，工程技术人员存大量调查和分析的情况下提出了一个全 新的监测监控模式矿井水综合处理系统 ，根据多个水泵房 节点容量计算、 电气回路控制、 MA证件论证最终确认使用。 经过 分析确定使用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临控平台，平台设置在机电 调度， 设专门人员进行管控 ， 能够基本解决上述隐患。主要解决 办 法如下 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 6 6 0 V ， 阀门控制采用专用防爆 电控柜进行控制。 2 改造原有排真空工艺 ， 原有工艺采用注水方式 ， 带有底 阀， 将其改造成无底阀射流排真空。改造原因是因为原有吸水阀 1 3 4 门经常被矿井水中的污物卡住底阀， 造成无法正常注水加满 ， 而 且维护工作量也比较大，因此改造排真空工艺是完善泵房远控 系统 的必然选择。 3 同时对井下和地面多个水仓进行监测， 并根据各个水仓 水位情况进行水位连锁控制。具体实行起来有井下水仓与地而 污水仓水位连锁、 地面污水仓与地而水处理清水仓连锁 、 地而水 处理清水仓与地丽高山清水池连锁， 这 4个水仓之间相互连锁 、 相互制约， 由此形成矿井水处理系统的一个总的连锁。具体连锁 关系如下井下污水水位一地而污水水位地面清水水位一地 面高 山水池 。 4 地面清水是由污水处 理车『 R j 处理后形成 的 ， 并被 提升到 高山水库中， 并通过管道向井下和地面等用水单位进行输送， 井 下射流时主要采用地面清水进行射流 ，当没有清水或故障时才 使用矿井污水进行射流，有效地减少了对设备和管路的堵塞和 损坏 。 5 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， 减少现场操作人员的数量， 增加维护人 员的巡回检企力度 ， 提 高矿井人员效率。 6 根据供电公司峰谷定价机制， 在保障矿井安全的前提下 将开泵时间 量落在谷时，平时可以随时丌泵 ，峰时尽量少丌 泵。这样就有效地减少在峰时的运行成本 ， 同时在谷 时丌泵还能 对矿 高压 电力 网的冲击减小 到最少 。 7 建立矿井机电调度t ， 抽调专业队伍往地而机电 度 中心对井下水泵、地面水泵和污水处理等过程进行全 自动化的 监控 ， 监控人员可 以随时 了解全矿各个用水环节 的实际情况 ， 并 进行统一调度， 发现异常通知巡回榆查人员进行检查和维护。 8 培训 一批 技术过硬 、 思想 过硬 的技术骨干 ， 用于对 各个 泵房进行定时巡检 ， 填写定时巡柃报告单 。 在项 目设计时，考虑到煤矿的特别危险和稳定可靠性的要 求 ， 经过比较， 选定了使用西门子公刊 s 7 3 0 0控制器作为水泵 控制系统的核心控制组件， 控制器上安装有标准工业以太网 忙， 能够直接通过工业以太网进行传输数据。控制器上使用通用数 冯飞， 袁红权水泵自动化控制系统在矿井节能减排中的应用 本刊 E - m a i h b j b s x i n f o ．n e t 科技论坛 据采集模块对直流 O ～ 5 v电压 、 4 m A～ 2 0 mA电流、毫伏信号和 电阻信号进行采集 ；同时还安装有数字信号采集模块和数字信 号输出模块 ， 分别对水泵操作信号 、 动作反馈信号进行采集， 对 控制器输出控制对象进行控制 如水泵高压开关柜 、 电磁阀、 液 压阀门等 。 2 控制系统构成 系统主要包括两部分液压阀门控制系统和水泵远程采集 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。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、 通信电缆和控 制电缆组成。控制系统总体结构图见图 1 ， 阀门控制装置和工艺 图见图 2 。 图 1 控制系统总体结构图 方向 水泵组 1 承蒙组2 永泵组3 图 2 阀门控制装置和工艺图 由图 1 和图2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是一个相辅相成 、 互为依靠的整体， 液压阀 门控制系统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针对液压阀门控制系 统中被控单元进行基于设定程序的控制 ，程序根据控制系统中 采集到的仪表参数并与控制程序中的设定参数相比较生成控制 命令，控制命令通过控制模块对液压阀门控制系统中被控单元 进行控制操作达到开启阀门的目的，同时也完成了基于液位控 制的水泵 自 动一体化的控制。 3 水泵远程采集控制系统实现的功能 1 无需人为干预 ， 由工业计算机控制 ， 根据各级水库水位 和峰谷时间， 自 动启、 停水泵， 自动实现水泵的轮换工作， 做出合 理调度。 2 在启动过程中， 实现 自动启动真空泵， 自动射流排空／ 排 空真空度监测， 关闭真空泵／ 打开排水阀， 启动水泵的全过程， 在此 过程中无需人工干预。 3 实时监测水泵电机的运行电流和电压等参数， 并根据电 机类型做出过载、 过热等故障的分析， 并根据此信息对电机进行 保护。同时将此信息实时传输到地面水泵监控中心， 发生预警立 刻停泵并显示故障现象和故障点。 4 系统具有过载、 欠压、 泄漏、 超温、 轴温等保护功能， 当出 现以上状况或电机出现故障， 系统自动停止该水泵的工作， 同时 启用备用水泵。 5 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 ， 使地面指挥中心同步显示水泵运行工况 ， 地面指挥中心可 以发出指令给现场控制中心， 实现远端指挥。 6 保留了设备原先手动控制方式， 手动控制具有优先控制 权 ， 保证了即使系统出现故障， 也可以在手动控制下实现水泵的 正常工作 手动控制功能需要将本地操作箱上的手动转换开关 切换至手动方向 。 7 系统的实时性好 ， 对各设备的运行工况能够实时监测、 实时控制。 8 可以随时查询、 打印实时趋势及任意时间段的已定义数 据历史趋势。 ． 9 人机界面显示的内容丰富、 形象 、 直观 ， 操作简单、 易 懂 。 1 o 软件中嵌入了大量的控制调整策略。例如避峰填谷， 可 以根据实际情况做出不同的决策，大大提高了系统的自动化程 度和智能程度。 1 1 根据不同时期的具体情况， 可以对软件的运行参数进 行调整， 以适应复杂的情况， 提高了系统的适应性。 1 2 系统能够进行远距离监控 ， 并可无限扩展。 1 3 系统控制具有 自动、 半 自动和手动检修 3 种工作方式。 自动时， 由P I 检测水位、 压力及有关信号， 自 动完成各泵组运 行 ， 不需人工参与 ； 半 自动工作方式时 ， 由工作人员选择某台或 几台泵组投入， P L C自动完成已选泵组的启停和监控工作； 手动 检修方式为故障检修和手动试车时使用 ，当某台水泵及其附属 设备发生故障时， 该泵组将自动退出运行 ， 不影响其他泵组正常 运 。 1 3 5 冯飞 ， 袁红权水泵 自动化控制系统在矿井节能减排中的应用 本 T 1 】 E ma i l b j b s x i n f o ． n e t 科技论坛 4 节能经济效益分析 4 ． 1 人员经济效益分析 根据改造前后人员投入数量，我们可以计算出在改造后人 员减少带来的经济效益 见表 1 。 表 1 人员经济效 益分析 项 目 改造前 改造前工资 改造后 改造后 工资 合计阮 台诗 i 元 操作人员数量 3 x 2 ／ 人 6 1 5 0 o o O O 维护人员数量／ 人 3 90 o 0 3 9 o o 技术人员数量从 l 3 5 0 0 1 3 5 0 o 调度人员数量／ 人 3 1 O 5 0 o 3 1 O 5 0 o 操作人员单人月工资／ 元 2 5 o 0 2 5 0 0 维护人员单人月工资／ 元 3 O o o 3 O o o 技术人员单人月工资／ 元 3 5 o 0 3 5 o o 调度人员单人月工资， 元 3 5 o 0 3 5 0 0 年工资 元 3 8 O o o 2 3 O o 0 经济效益， 元 1 5 O o 0 效益率／ ％ 3 9 注 工资标准按照 2 0 0 9 年度开元煤矿岗位标准计算。 4 ． 2 节电经济效 益分析 节点经济效益主要体现在对供电公司峰谷价位的调整。水 泵工作主要按照 2台工作， 2台备用， 1台榆修进行分配负荷， 具 体分析见表 2 。 4 ． 3 节水经 济效 益分析 在对矿井水处理系统进行整体改造时，注重对矿井水的综 合利 用功能 ， 即将矿井水提升 到地 面进行处理 ， 再将处理 过的清 水提升到高山水池， 以便全矿各个用水点能够使用， 达到了水资 源的节能减排 的 目的。 4 ． 4 安全效益分析 由于现场操作人员的岗位撤销 ，不必安排人员 在水 泵房长 期值守， 减少人员下井数量， 从而保证职工安全得到保障。 4 ． 5 生产效 率提升 原来采用手动注水方式时不一定每次都能进行注水排空成 表 2 节 电经济效益分析 项 目 改造前 改造前电能 。改造后 改造后 电能 计算／ k Wh 计算／ k Wh 单台水泵功率／ k w 3 5 5 水泵数量／ ，个 5 5 水泵峰时 日运行时 IW h 4 2 ．6 5 2 l 33 水泵平时 日运行时间， h 4 1 ．9 1 3 1 ． 4 3 水泵谷时 日运行时间， h 4 1 ．2 2 7 2 ． 1 3 水泵运行 日时间总计／ h l 2 5 ．7 8 I 2 4 ． 8 9 水泵运行年时间总计， h 4 3 8 0 2 1 0 8 1 7 8 3 水泵 行 年 耗 电总 计 ， k wh 7 4 8 4 2 5 6 3 2 9 7 4 经济效益颅j 1 1 5 4 5 l 效 益率／ ％ 1 5 ．4 3 峰时 电价／ 元， k Wh 0 ． 6 6 3 平时 电价 元／ k Wh 0 ．4 7 7 谷时 电价 元， k wh 0 ． 3 0 4 功， 并且一人注水完成以后另一人开启高开 或者跑步去开水泵 高开 ， 不能保证每次都能成功开启水泵， 改造以后排空效率为 1 0 0 ％。减少注水时间和操作时问， 开泵采用无人 自动方式， 效率 得到大幅度提高。 系统从 2 0 0 9年 8 月开始建设， 至同年 9月底完成建设 。自 从运行以来得到了高度好评 ，省市其他煤矿和兄弟单位前往凋 研和考察， 为山西省煤矿工业水处理自动化系统开了一个好头。 5 应用体会 在项目进行的过程中， 水泵系统设备属于大动力设备， 其对 井下电网冲击是 比较重要 的一个问题 ，木次没有针对水泵启 动进 行改造 ，计划在将来还要对水泵的启动进行变频或软启动的广 j 动 化改造， 减少对电网的冲击， 同时提高水泵运行时的节能效旒。 责任编辑 上水胜 第一作者简介 冯飞 ， 男 ， 1 9 8 0年 5月生 ， 现为太原理 T大 学矿业工程专业 2 0 0 9级在读硕士研究生， 工程师， 太原理T天 成电子信息技术有限公司， 山西省太原市 ， 0 3 0 0 2 4 ． Th e Ap p l i c a t i o n o f W a t e r - p u mp’ S Au t o ma t i c Co n t r o l S y s t e m i n Co a l M i n e’ S En e r g y Co n s e r v a t i o n a n d Emi s s i o n Re d u c t i o n FENG Fe i ． YUAN Ho n g qu a n AB S TRACT T h i s p a p e r ma i n l y i n t r o d u c e s t h e e x p e r i e n c e s o f Ka i y u a n C o a l Mi n e i n r e a l i z i n g t h e e n e r g y c o n s e r v a t i o n a n d e mi s s i o n I ．e d u c t i o n o f c o a l mi n e ’ s l a r g e s c a l e e q u i p me n t t h r o u g h ma k i n g c l e v e r u s e o f g r a d e d r e s e r v o i r ’ s w a t e r h e a d ， p r 0 g r a mm i n g w i t h P L C p r o g r a m m a b l e l o g i c C O n t r 。 l l e r t e c h n 。 l o g y ， e mb e d d i n g t h e r e q u i r e m e n t s o f a v 。 i d i n g p e a k d e 眦 “ d a n d fi l l i n g v a l l e y d e ma n d ，a n d c a r r y i n g o u t t h e i n t e r l o c k c o n t r o l f o r u n d e r g r o u n d w a t e r p u mp ， wa r e r s u mP a n d g r o u n d f a c i l i t i e s ． KEY W ORDS wa t e 卜p u mp ； ．d u t 。 ma t i c c o n t r o l s y s t e m； e n e r g y c o n s e rva t i o n a n d e mi s s i o n r e d u c t i o n ；P L C； a v o i d i n g p e a k d e ma n d a n d fi l l i n g v a l l e y d e ma n d 1 6