【问】求高扬程潜水泵控制系统？
【答】一、 技术领域

 

高扬程潜水泵属于矿山企业重要设备，其排水系统的效率、安全性及可靠性对矿山企业具有重大意义。矿井水泵高效率自动调节装置是利用PLC、变频器、传感器等电气元件组成闭环控制系统，控制水泵始终运行在最高效率点的装置，系统同时具有自动开机、自动切换及多重保护功能。

 

二、 背景技术

 

矿井排水系统承担着排出井下部分涌水的重要任务，是保证矿井安全生产的关键环节，排水系统各种设备能否安全、可靠、有效的运行，关系到整个矿井的生产与安全。而目前煤矿排水中的水泵启动和运行控制方式主要有三种：一是直接启动工频运行方式；二是降压启动(含软启动)工频运行方式；三是变频启动及运行方式。除此之外，主排水系统仍多采用传统的非节能控制，水泵的开停及选择切换均由人工完成，还做不到根据水位或其它参数自动开停水泵，设备的工作效率低，这将严重影响井下主排水泵房的管理。三种控制方式中，前两种是传统的非节能的控制方式，目前虽然应用广泛，但由于在对水泵选型设计和在对排水系统的维护方面存在缺陷，排水系统的实际效率仅为50%～70%，大量的能量被浪费。目前，按我国的技术水平，多级离心水泵额定运行效率应为70%～80%，其设计最高效率可达80%以上，可见水泵在实际使用中因为选型、与管网的匹配、维护方面的影响，往往处于一种低效率运行状态，对能量的浪费是巨大的。

三、 新技术

 

采用PLC、变频器、触摸屏、传感器、上位机等其它电气元件组成自动控制系统，传感器检测泵出口压力、流量，水泵电机温度、电压、电流，吸水井液位等信号发送给PLC进行数据逻辑运算，计算出水泵的实时运行效率、吸水井的涌水速度，系统自动追踪水泵的最高运行效率点，如果水泵在运行过程中，从最低频率上升到最高频率效率曲线没有出现拐点，则水泵无调速要求，PLC输出最高频率给变频器，水泵工频运行。如果水泵在运行过程中出现拐点，则以最高效率点为设定值，以实际效率为控制值，通过触摸屏输入系统运行数据，对系统进行PID运算，输出频率信号给变频器，通过调速，使水泵始终处于最高效率点运行。系统设置多重保护，具有手动、自动运行两种控制方式，自动运行可以根据地下水涌水速率变化自动增减泵，其控制框图如下：

 

四、 技术原理

 

矿山离心水泵排水系统符合流体力学控制原理，根据公式：n=60f(1-s)/p

 

上式中 n-------异步电动机的转速

 

f-------电源的频率

 

s----------电动机的转差率

 

p---------电机的极对数

 

又根据流体力学可知：P（功率）=Q（流量）×H（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。

 

五、 系统功能

 

实现变频控制。采用PLC、变频器、传感器组成闭环控制系统，实时检测现场数据，自动追踪水泵的最高效率点，实现对水泵的变频控制，达到节能的目的。

实现水泵自动开停、遥控操作和现场操作。水泵房按无人值守设计，水泵可实现自动开停和地面遥控开停，当紧急情况下也可在泵房现场操作。自动开停又可设定为按时段开停和按水仓水位开停，也可实现按时开停加按水位校正的组合控制方式。

实现水泵的均匀运行。每次运行水泵，系统对每台水泵的运行时间或者次数进行累积，当重新启动泵的时候，系统优先启动运行时间或者次数较少的水泵。

实现对涌水量和水仓水位的在线监测并显示。当涌水量大于水泵排量，水位上涨速率达到设定的速率或水位达到设定高度，则自动加开水泵。

实现排水系统安全可靠运行。通过设置各种保护装置，实现对排水系统电气、机械及设施等各方面进行保护。

实现对泵房内所有水泵均能按变频控制和工频控制方式的撤换：在正常涌水量情况下，水泵应在变频控制下运行，通过开关的撤换，可以做到变频器分别给每台水泵供电，使每台水泵轮流运行；在矿井涌水量增大需要进行“强排”时，则每台水泵均能撤换到工频运行状态。

实现水泵运行状态地面监测监控功能：

1) 监测功能：PLC控制器将各传感器在线测得的信号进行处理后传输至地面工控机，并在显示在屏幕上。主要显示的数据有：泵房内水泵开停情况、水井水位、水位上升速率，各运行水泵输入电流、电压、频率、功率，水泵的流量、表压力、排水效率，电机温度、水泵轴承温度等。摄像头将现场实时工况以图像的形式发送给地面工控机，并以四画面的形式显示在工控机屏幕上，以便工人了解矿井下的实际情况。配备高容量数字录像硬盘，画面能够保存一周。

 

2) 遥控功能：人工操作地面工控机，实现对水泵开停和各主要电气开关的分、合等操作（注：水泵人为遥控优先于自动控制）。

 

实现各种保护功能：

1) 实现对电机及变频器过流、过压、欠压、过载、超温、单相、漏电等保护。当系统测得各参数超过设定值时，报警或跳闸。

 

2) 实现对水泵运行低效率（包括水泵“掉水”）、轴承超温、吸水管真空度异常等保护。

 

3) 实现水仓满水报警。当运行水泵发生故障、水仓水位超过警界位、水位上升速度超过设定上限值时，报警系统均能发出警示，并以声光报警的形式提醒操作人员。

 

六、 效益分析

 

采用变频调速后，将给用户带来以下好处：

 

节省了人工成本，原来需要三班值守的，采用变频自动控制后，整个系统运行无需人工干预。

减低了工人劳动强度，采用变频自动调速后，泵的切换启动均不需要现场操作，只需要在工控室一键操作便可以完成整个开泵过程。

节省了大量电能。水泵始终处于最高效率点运行，减少了管网、阀门阻力以及多余的动能所耗费的能量。以一台220KW的水泵为例，变频改造前运行效率为60%，改造后最高效率为80%。

水泵运行效率=输出功率÷输入功率=（压力×流量）÷（电压×电流）。

 

假设变频改造前水电机以额定功率运行，而效率只有60%，则其实际输出功率为：220KW×60%=132KW。

 

变频改造后，水泵运行在最高效率点，效率为80%，则要达到132KW的输出功率所需输入的功率为：132KW÷80%=165KW，

 

比变频改造前节省的功率为：220KW-165KW=55KW

 

节电率为：55KW÷220KW×%=25%

 

假设以水泵每天运行12个小时，一年运行360天，电价为1元/KW时计算，一年节约的成本为：360天×12小时×55KW×1元=237600元

 

避免了事故的发生。变频自动控制系统设置了多重的故障保护功能，有效的避免了事故的发生。

延长了设备使用寿命。采用自动变频控制系统后，各水泵均匀运行，得到了最有效的利用，水泵始终处于最高效率点运行，减少了管网、阀门阻力及电机磨损，延长了设备使用寿命。

增强了系统稳定性。采用变频自动控制系统后，电机采用软启动，减少了对电网的冲击，变频器自带的各种过压、过流、欠压等保护功能，能对系统进行有效的保护。

七、 关键技术

 

水泵运行效率自动追踪。

根据吸水井液位变化自动增减泵。

水泵按运行时间长短自动轮换。

以水泵最高效率为控制目标，水泵的最高效率与实际效率的差值为控制值，对系统进行PID运算，稳定水泵在最高效率运行。

吸水井液位上、下限，液位上升速率上限报警，压力、流量、温度、电流等模拟量上、下限报警。