Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp khai thác than hầm lò, công tác tiêu thoát nước và thông gió đóng vai trò then chốt nhằm đảm bảo an toàn lao động, duy trì hoạt động sản xuất liên tục và ngăn chặn các sự cố ngập úng, bục nước. Đồ án tốt nghiệp "Tự động hoá hệ thống bơm thoát nước mức -155 công ty than Mạo Khê bằng PLC S7–300" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Hoàng Phương (Lớp LT Công Nghệ Tự Động_K1), dưới sự hướng dẫn của Th.S Phạm Thị Thanh Loan tại Hà Nội vào tháng 05/2010.

Công ty Than Mạo Khê là đơn vị thành viên trực thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV), khai thác trên diện tích xấp xỉ 40 km² trải dài từ tuyến I đến tuyến XV thuộc địa phận Thị trấn Mạo Khê, Huyện Đông Triều, Tỉnh Quảng Ninh. Địa hình khu mỏ có độ cao biến thiên từ +15 m đến +505 m với hai suối chính là suối Văn Lôi và suối Bình Minh. Các vỉa than cánh Bắc phân bố trên sườn núi, trong khi các vỉa cánh Nam nằm trên địa hình bằng phẳng. Về mặt vận tải, mỏ kết hợp đường sắt (gần 2 km nối từ nhà sàng đến ga Mạo Khê), ô tô (chủ yếu dòng SAMSUNG SM-450), máng cào (SKAT 70 rót than xuống xe gòong 3 tấn), băng tải và trục tải (loại ờ-1600 và SJ-1600).

Thực trạng sản xuất cho thấy trữ lượng than tại khu vực lò +56 và giếng nghiêng -25 gần như đã cạn kiệt; khu vực lò mức -80 có sản lượng bấp bênh và không ổn định. Nhằm mở rộng diện sản xuất xuống sâu, giữa năm 2008, Công ty Than Mạo Khê đã đầu tư 480 tỷ đồng xây dựng cơ sở vật chất mở rộng khu vực khai thác hầm lò xuống mức -155. Khu vực này có trữ lượng than dồi dào, đóng vai trò chiến lược cho kế hoạch khai thác dài hạn.

Tuy nhiên, đặc thù khí hậu nhiệt đới mưa nhiều kết hợp hệ thống đường lò dài hàng chục kilômét dẫn đến lượng nước thẩm thấu ngầm và nước mặt chảy vào mỏ rất lớn. Hệ thống bơm thoát nước tại mỏ hầu hết chưa được tự động hóa; việc đóng cắt điện, mồi nước và điều tiết các van đều thực hiện thủ công bằng tay. Điều này gây tốn kém nhân lực, tiêu hao điện năng, đồng thời tiềm ẩn rủi ro thao tác chậm trễ khi lưu lượng nước dâng cao đột ngột hoặc xảy ra sự cố kỹ thuật trong môi trường có nguy cơ cháy nổ khí mê-tan và bụi than.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định gồm:

  1. Khảo sát tổng quan điều kiện địa chất, phương pháp khai thác, công tác thông gió và hiện trạng hệ thống tiêu thoát nước tại các tầng khai thác của Công ty Than Mạo Khê.
  2. Phân tích mạng lưới cung cấp điện (trạm 35/6 kV, trạm phân phối 6 kV, trạm biến áp phụ 6/0,4 kV, nguồn dự phòng) và cấu tạo nguyên lý bảo vệ của khởi động từ phòng nổ điều khiển máy bơm.
  3. Lựa chọn thiết bị điều khiển khả trình PLC, mô-đun mở rộng, các cảm biến đo mức, cảm biến áp suất, lưu lượng kế và hệ thống van điều khiển tự động.
  4. Xây dựng thuật toán công nghệ, lập bảng phân bổ tín hiệu I/O, thiết lập sơ đồ vòng quét và viết chương trình điều khiển tự động trạm bơm thoát nước giếng chính mức -155 theo các chế độ vận hành mùa khô, mùa mưa và xử lý sự cố.

Đối tượng nghiên cứu là trạm bơm thoát nước giếng chính mức -155 Công ty Than Mạo Khê. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào giải pháp tự động hóa cục bộ trạm bơm dựa trên số liệu quan trắc lưu lượng nước thực tế năm 2007 và hiện trạng hạ tầng thiết bị tại mỏ đến năm 2010.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng các nền tảng lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa công nghiệp:

  • Lý thuyết điều khiển khả trình (PLC): Nguyên lý kiến trúc phần cứng vi xử lý, cấu trúc bộ nhớ non-volatile (giao tiếp EEPROM không mất dữ liệu), chu kỳ quét chương trình, các khối định thời (Timer), bộ đếm (Counter), tín hiệu ngắt (ngắt truyền thông, ngắt thời gian, ngắt sườn, ngắt bộ đếm tốc độ cao). Văn bản khảo sát cấu hình dòng PLC Siemens S7-200 (CPU 212, CPU 214, CPU 216) và các khối mô-đun chức năng.
  • Lý thuyết cảm biến và chuyển đổi tín hiệu đo lường:
    • Cảm biến mức kiểu phao kết hợp đối trọng (dải đo 0,5 – 20 m) và cảm biến báo mức LT-320.
    • Cảm biến áp suất dựa trên nguyên lý biến đổi điện cảm/hỗ cảm vi sai: khi áp suất làm biến dạng màng/lò xo kéo lõi thép dịch chuyển $\Delta l$, sức điện động cảm ứng tổng tại cuộn thứ cấp xác định theo phương thức ngược chiều $E = e_1 - e_2 = 2\pi f (M_1 - M_2)$, tạo ra điện áp ra tỷ lệ $U_{ra} = 2\pi f M_{ra}$ với $M_{ra} = M_{max} \cdot \frac{\Delta l}{\Delta l_{max}}$ (tín hiệu ra xoay chiều từ -1V đến +1V tương ứng biến thiên hỗ cảm từ -10 mH đến +10 mH).
    • Cảm biến lưu lượng kế cơ khí kiểu tấm chắn (Palette) kết hợp biến trở quay.
    • Van điện từ điều khiển số theo nguyên lý cân bằng piston kết hợp bộ điều khiển BCU.
  • Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp khảo sát - thu thập tài liệu kỹ thuật thực địa tại Công ty Than Mạo Khê; phương pháp phân tích - tổng hợp thông số điện năng, lưu lượng nước ngầm; phương pháp thiết kế logic kỹ thuật số và lập trình bằng tập lệnh Statement List (STL/LAD).
  • Nguồn dữ liệu: Hồ sơ kỹ thuật hệ thống điện, trạm quạt, trạm bơm của Công ty Than Mạo Khê; Bảng thống kê số liệu quan trắc lưu lượng nước ngầm và lộ vỉa năm 2007 tại mức -150 chảy về hố thu nước mức -155.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Thông số kỹ thuật thiết bị trạm bơm mức -155

Trạm bơm giếng chính mức -155 được thiết kế lắp đặt 4 tổ máy bơm ly tâm do Nhật Bản sản xuất, kết hợp động cơ điện không đồng bộ ba pha rô-to lồng sóc và các tuyến đường ống công nghệ:

Thiết bị / Thông số Ký hiệu / Mã hiệu Giá trị thông số kỹ thuật
Động cơ điện truyền động AF 354S-AT Công suất $P_{đm} = 140\text{ kW}$; Điện áp $U_{đm} = 380\text{ V}$; Dòng điện $I_{đm} = 250\text{ A}$; $\cos\varphi = 0,85$; Hiệu suất $\eta = 84%$; Tốc độ định mức $n = 2985\text{ vòng/phút}$; Khối lượng $1020\text{ kg}$
Máy bơm ly tâm IFSM-300x105 Lưu lượng $Q_{đm} = 300\text{ m}^3/\text{h}$; Cột áp đẩy $H_{đẩy} = 105\text{ m}$; Chiều cao hút $H_{hút} = 4,3\text{ m}$; Khối lượng $65\text{ kg}$
Đường ống hút Cao su cốt thép Đường kính $\phi 220\text{ mm}$
Đường ống đẩy Thép Đường kính $\phi 200\text{ mm}$, đặt cách nền lò $2,3\text{ m}$
Van một chiều V1, V2, V3 Đường kính $D = 200\text{ mm}$ (giữ nguyên cơ khí)
Van xoay điều khiển động cơ VX1 đến VX8 Đường kính $D = 150\text{ mm}$ (thay thế van tay)
Van mồi nước điều khiển VM1, VM2, VM3 Đường kính $D = 50\text{ mm}$ (dẫn động điện)

Lựa chọn cấu hình phần cứng điều khiển

Dựa trên tổng hợp yêu cầu công nghệ, hệ thống điều khiển sử dụng PLC họ S7-200 với CPU 216 kết hợp 02 mô-đun mở rộng tín hiệu số EM221 và mô-đun mở rộng tương tự EM235 (4 đầu vào analog 12-bit, 1 đầu ra analog, dải chuyển đổi đơn cực 0 – 32000 hoặc lưỡng cực -32000 đến +32000).

Hệ thống quản lý tổng cộng 38 đầu vào số ($I$) và 26 đầu ra số ($Q$):

Nhóm tín hiệu Địa chỉ PLC Chức năng kỹ thuật trong hệ thống
Đầu vào số (Inputs) I0.0, I0.1 Tín hiệu từ cảm biến báo mức nước cạn ($H < H_1$) và mức nước cao ($H \ge H_2$)
I0.2 – I0.5 Tín hiệu cảm biến báo mồi đủ nước cho các bơm B1, B2, B3, B4
I0.6 – I1.1 Tín hiệu từ cảm biến áp suất buồng bơm B1, B2, B3, B4
I1.2 – I1.5 Tín hiệu cảm biến báo sự cố hệ thống bơm B1, B2, B3, B4
I1.6 – I2.3 Tín hiệu cảm biến báo vị trí mở hết / đóng hết của van mồi VM1, VM2, VM3
I2.4 – I4.1 Tín hiệu cảm biến báo vị trí mở hết / đóng hết của van xoay VX1 đến VX8
I4.2 Tín hiệu chọn chế độ điều khiển tự động hoặc chế độ độc lập
Đầu ra số (Outputs) Q0.0 – Q0.5 Lệnh điều khiển đóng/ngắt mở và đóng các van mồi VM1, VM2, VM3
Q0.6 – Q2.5 Lệnh điều khiển đóng/ngắt mở và đóng các van xoay VX1 đến VX8
Q2.6 – Q3.1 Tín hiệu điều khiển cuộn hút khởi động từ cấp nguồn động cơ bơm B1, B2, B3, B4

Thuật toán và chương trình điều khiển

Quy trình công nghệ điều khiển tự động vận hành theo các kịch bản:

  • Chế độ mùa khô (lưu lượng nước giảm còn khoảng 1/3 mùa mưa): Ba bơm B1, B2, B3 vận hành luân phiên từng bơm đơn lẻ nhằm duy trì điện trở cách điện cho cuộn dây động cơ. Khi mức nước bể chứa $H \ge H_2$, PLC kích hoạt mở van mồi VM và van xoay VX tương ứng; khi cảm biến báo mồi đủ nước, đóng van VM và VX, sau đó đóng khởi động từ cấp điện cho động cơ; khi áp suất buồng bơm đạt định mức, mở từ từ van xoay VX. Khi mực nước hạ xuống $H < H_1$, PLC phát lệnh đóng van xoay VX và ngắt khởi động từ dừng bơm, đồng thời chuyển cờ nhớ (bit nhớ $M$) sang bơm kế tiếp.
  • Chế độ mùa mưa (lưu lượng nước lớn): Áp dụng vận hành luân phiên 2 nhóm bơm (Nhóm 1 gồm B1 và B3; Nhóm 2 gồm B2 và B3). Cả hai bơm trong nhóm cùng khởi động và mở van xoay đạt góc mở 100%. Khi nước rút xuống dưới $H_1$, nhóm bơm tự động dừng.
  • Chế độ xử lý sự cố: Nếu bơm đang vận hành gặp sự cố (quá tải, mất pha, ngắn mạch, rò điện hoặc áp suất không đạt), hệ thống dừng ngay bơm lỗi và tự động kích hoạt bơm dự phòng (hoặc bơm B4) thay thế. Trường hợp xảy ra sự cố ngập nước nghiêm trọng làm tê liệt 3 bơm B1, B2, B3, bơm B4 được kích hoạt vận hành kết hợp giá di động.

Chương trình điều khiển được phân chia thành chương trình chính thực hiện quét chu kỳ và các chương trình con chuyên biệt: SBR_1 (điều khiển luân phiên 3 bơm), SBR_2 (trình tự khởi động bơm B1), SBR_3 (trình tự dừng bơm B1), SBR_4 (trình tự khởi động bơm B2).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung Công ty Than Mạo Khê

Chương 1 trình bày toàn diện về điều kiện tự nhiên, địa lý và công nghệ khai thác mỏ. Mỏ nằm cách Hà Nội 105 km về phía Tây, cách Hòn Gai 58 km về phía Đông và cách Hải Phòng 30 km về phía Nam.

Công nghệ khai thác than áp dụng phương pháp khoan nổ mìn mở rộng phân tầng bằng lò chợ kết hợp khấu đuổi toàn phần và khấu giật từng phần; chiều dài lò chợ trung bình 100 m sử dụng vì chống thủy lực đơn. Công tác đào lò chuẩn bị sử dụng máy xúc bốc đá H-5, chống giữ bằng vì sắt lòng mo hoặc đổ bê tông; khi qua vùng đứt gãy phay phải khoan thăm dò và bơm ép vữa bê tông áp lực 200 at.

Hệ thống thông gió chính sử dụng phương pháp hút trung tâm ruộng mỏ gồm:

  • Trạm quạt mức +124: 02 quạt BOKД-1,5 (quạt hướng trục 2 tầng cánh, áp suất 118 – 320 kg/m²), động cơ chính AO-103-6T (160 kW, 380V, rô-to lồng sóc), động cơ phụ A2-82-6 (40 kW, $\cos\varphi = 0,89$, hiệu suất $\eta = 91%$).
  • Trạm quạt mức +73: 02 quạt BOKД-1,5 (1 quạt vận hành, 1 quạt dự phòng) kết hợp các quạt cục bộ đẩy gió sạch vào gương lò.

Hiện trạng thoát nước tại các tầng khai thác:

  • Khu vực mức +30: Nước tự chảy qua mương dẫn ra mặt bằng (lưu lượng mùa khô ~450 m³/h, mùa mưa ~850 m³/h).
  • Khu vực lò giếng mức -25: Mùa khô ~55 m³/h, mùa mưa ~185 m³/h; trạm bơm gồm 4 máy bơm Hải Dương (công suất 280 m³/h, đường ống đẩy $\phi 168\text{ mm}$ dài 246 m).
  • Hầm bơm trung tâm mức -80 (chứa nước mức -80 và -150): Két nước dung tích 3600 m³, lắp đặt động cơ công suất 630 kW (lưu lượng 1250 m³/h, cho phép 2 máy chạy đồng thời, 1 máy dự phòng) và động cơ 132 kW do Trung Quốc sản xuất.
  • Khu vực mức -155: Tiếp nhận nước ngầm từ mức -150 chảy về hố thu. Số liệu quan trắc năm 2007 cho thấy tháng cao nhất lượng nước chảy về đạt 116.436 m³ (tương đương 160 m³/h), tháng thấp nhất đạt 56.184 m³ (tương đương 78 m³/h). Trạm bơm giếng chính trang bị 4 máy bơm IFSM 300x105 (Nhật Bản, 2 chạy, 2 dự phòng); trạm bơm giếng phụ trang bị 2 máy bơm IFSM 280x105.

Chương 2: Hệ thống cung cấp điện và Hệ thống bơm thoát nước Công ty than Mạo Khê

Chương 2 phân tích chi tiết sơ đồ cấp điện mỏ và nguyên lý điều khiển bảo vệ truyền động máy bơm:

  • Hệ thống cấp điện: Trạm biến áp chính 35/6 kV gồm 2 máy biến áp SF-8000-35/6 ($S_{đm} = 8000\text{ kVA}$, $U_{đm1} = 35\text{ kV}$, $U_{đm2} = 6\text{ kV}$, 1 làm việc, 1 dự phòng), nhận điện từ lưới quốc gia qua đường dây 376 (đường dây chính) và đường dây 374 (dự phòng). Trạm phân phối 6 kV mặt bằng gồm 31 tủ chia 2 phân đoạn (tủ 16 liên lạc phân đoạn; tủ 12, 31 đầu vào; tủ 8, 22 tự dùng; tủ 9, 23 bù cosphi; tủ 5, 24 cấp cho mức -80; tủ 10 cấp trạm phân phối 6 kV mức +30 và +56; tủ 14 cấp quạt BOKД-1,5 mức +30; tủ 25 cấp NM Cơ khí; tủ 28 cấp quạt dự phòng +73; tủ 27 cấp sinh hoạt; tủ 19 cấp mỏ Hồng Thái). Lưới hạ áp gồm 36 trạm biến áp 6/0,4 kV công suất 160 – 560 kVA và 3 máy phát điện dự phòng (2 máy 880 ĐFJ 1000 kVA của Mỹ, 1 máy CAT 2500 kVA).
  • Quy trình vận hành trạm bơm: Quy định các bước kiểm tra tiếp địa, đệm làm kín cáp, bu-lông phòng nổ, độ đồng tâm múp nối, kiểm tra phớt, nhiệt độ ổ bi/ổ trục ($\le 70^\circ\text{C}$). Trình tự mồi nước, khởi động, theo dõi áp kế/chân không kế và quy trình dừng máy bình thường/sự cố.
  • Cấu tạo và nguyên lý bảo vệ của khởi động từ: Sử dụng khởi động từ chuyên dụng kết hợp máy biến áp điều khiển T3, T4 và hệ thống rơ-le:
    • Bảo vệ rò điện: Rơ-le rò điện cuộn K5 chỉ làm việc khi động cơ chưa đóng điện; nếu có dòng rò, mạch kín qua đất kích hoạt cuộn K5 tác động mở tiếp điểm K52 cắt nguồn điều khiển.
    • Bảo vệ cực đại (quá tải, ngắn mạch): Khi dòng điện qua pha A và C vượt ngưỡng chỉnh định, tín hiệu từ biến dòng T1, T2 qua biến trở R3, R6 và bộ chỉnh lưu cầu V3, V4 cấp nguồn cho rơ-le K2 sinh lực hút mở tiếp điểm thường đóng K22, làm mất điện cuộn K1, cắt tiếp điểm mạch lực K12 dừng động cơ, đồng thời đóng tiếp điểm K23 cấp điện cho đèn đỏ H2 cảnh báo.

Chương 3: Lựa chọn thiết bị cho hệ thống bơm thoát nước mức -155

Nội dung chương tập trung thuyết minh kỹ thuật và lựa chọn phần cứng tự động hóa:

  • Khảo sát các dòng vi điều khiển lập trình Siemens S7-200: So sánh CPU 212 (8 vào/6 ra, bộ nhớ chương trình 1 KB, 64 Timer, 64 Counter) và CPU 214 (14 vào/10 ra, bộ nhớ chương trình 4 KB, mở rộng tối đa 7 mô-đun, 128 Timer, 128 Counter, 3 bộ đếm tốc độ cao 2 kHz và 7 kHz, lưu dữ liệu 190 giờ khi mất nguồn). Khảo sát mô-đun mở rộng tương tự EM235 và mô-đun đầu vào số EM221 (loại DC 24V và AC 220V cách ly quang).
  • Thiết bị cảm biến và van: Thuyết minh nguyên lý cảm biến đo mức nước kiểu phao (phạm vi 0,5 – 20 m), cảm biến áp suất kiểu hỗ cảm biến thiên tuyến tính, lưu lượng kế cơ khí Palette có biến trở trục quay, van điện từ điều khiển số theo nguyên lý cân bằng piston kết hợp bộ điều khiển BCU.

Chương 4: Điều khiển giám sát hệ thống bơm thoát nước mức -155 Công ty than Mạo Khê

Chương 4 hoàn thiện giải pháp thiết kế hệ thống điều khiển:

  • Đặt ra các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt về tiêu chuẩn an toàn phòng chống cháy nổ khí mỏ, độ tin cậy trong môi trường ẩm ướt, khả năng vận hành linh hoạt ở 3 chế độ (tự động hoàn toàn, bán tự động và điều khiển bằng tay phục vụ sửa chữa/chạy thử).
  • Xây dựng bảng địa chỉ vào/ra chi tiết gồm 38 ngõ vào ($I0.0 – I4.2$) và 26 ngõ ra ($Q0.0 – Q3.1$) trên cấu hình CPU 216 và 2 mô-đun EM221.
  • Thiết lập sơ đồ khối thuật toán vòng quét tổng thể, lưu đồ điều khiển luân phiên 3 bơm mùa khô, lưu đồ điều khiển 2 nhóm bơm mùa mưa và thuật toán tự động chuyển đổi bơm khi có sự cố.
  • Cung cấp mã nguồn chương trình điều khiển dạng lệnh STL chi tiết cho từng Network từ chương trình chính đến các chương trình con SBR_1, SBR_2, SBR_3, SBR_4.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật đạt được:
    • Thiết kế thành công cấu hình hệ thống điều khiển tự động hóa cho trạm bơm giếng chính mức -155 dựa trên PLC họ S7-200 (CPU 216 kết hợp mô-đun EM221, EM235).
    • Hoàn thành bảng phân bổ địa chỉ 38 tín hiệu ngõ vào và 26 tín hiệu ngõ ra, bao quát toàn bộ các trạng thái cảm biến mức, áp suất buồng bơm, công tắc hành trình đóng/mở của 8 van xoay và 3 van mồi.
    • Xây dựng hoàn chỉnh thuật toán và mã lệnh chương trình điều khiển đáp ứng chính xác yêu cầu thoát nước linh hoạt: bơm luân phiên 3 máy đơn lẻ vào mùa khô ($78\text{ m}^3/\text{h}$), bơm theo 2 cụm nhóm vào mùa mưa (đáp ứng lưu lượng đỉnh $160\text{ m}^3/\text{h}$), tự động chuyển bơm dự phòng khi gặp sự cố điện/cơ khí.
  • Giải pháp cải tạo công nghệ:
    • Đề xuất thay thế toàn bộ 8 van xoay đóng mở thủ công (VX1 – VX8 đường kính 150 mm) bằng van điều khiển dẫn động bằng động cơ điện.
    • Lắp đặt hệ thống van mồi tự động (VM1 – VM3 đường kính 50 mm) và cảm biến mức nước LT-320, cảm biến áp suất ngõ ra vi sai nhằm khép kín hoàn toàn chu trình tự động từ khâu mồi nước, mồi bẫy khí, kiểm tra áp suất khởi động đến đóng ngắt máy bơm.
  • Đóng góp của đồ án:
    • Thay thế phương thức vận hành thủ công bằng tay vốn tiềm ẩn rủi ro thao tác sai sót và chậm trễ trong hầm lò.
    • Nâng cao tính an toàn thông qua việc tích hợp liên động các mạch bảo vệ tự động: chống rò điện, chống mất pha, bảo vệ quá dòng/ngắn mạch cực đại và chống ngập mỏ.
    • Tối ưu hóa chu kỳ làm việc của các tổ máy bơm, giúp phân bổ thời gian vận hành đồng đều giữa các máy và duy trì điện trở cách điện của động cơ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Đồ án mới tập trung giải quyết bài toán tự động hóa điều khiển logic cục bộ tại trạm bơm mức -155; chưa xây dựng giao diện giám sát SCADA đồ họa trên máy tính mặt bằng cũng như mạng truyền thông công nghiệp (như Profibus hay Industrial Ethernet) để kết nối đồng bộ dữ liệu về trung tâm điều hành mỏ.
    • Phần bản vẽ mạng cấp điện chi tiết cho mức -155 chưa được tích hợp đầy đủ trong văn bản đồ án (văn bản có ghi chú bổ sung hình vẽ sau).
  • Hướng nghiên cứu mở rộng:
    • Nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển mức -155 vào mạng SCADA giám sát tập trung toàn mỏ, kết nối liên thông dữ liệu giữa trạm bơm mức -155 với các trạm bơm mức -80, mức -25 và trạm biến áp chính 35/6 kV.
    • Nghiên cứu ứng dụng biến tần điều khiển tốc độ động cơ máy bơm để tối ưu hóa điện năng tiêu thụ theo lưu lượng nước thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên và kỹ sư các ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Thiết bị Cơ điện mỏ và Khai thác hầm lò:

  • Cung cấp số liệu kỹ thuật thực tế về thông số trạm điện 35/6 kV, hệ thống thông gió quạt BOKД-1,5, lưu lượng nước ngầm mức sâu trong mỏ than.
  • Cung cấp tài liệu phân tích chuyên sâu về sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển, mạch bảo vệ rò điện và bảo vệ cực đại trong khởi động từ phòng nổ chuyên dùng cho mỏ hầm lò.
  • Cung cấp thiết kế mẫu về thuật toán logic mồi nước và vận hành trạm bơm công nghiệp công suất lớn bằng ngôn ngữ lập trình PLC.

Câu hỏi thường gặp

1. Dự án mở rộng hầm lò xuống mức -155 của Công ty Than Mạo Khê có quy mô đầu tư và vai trò thực tiễn như thế nào?
Dự án được khởi công đầu tư vào giữa năm 2008 với tổng kinh phí 480 tỷ đồng nhằm mở rộng hạ tầng khai thác xuống mức -155, thay thế cho các diện khai thác tại mức +56 và giếng nghiêng -25 đã cạn kiệt trữ lượng, tạo nguồn than ổn định cho mỏ trong nhiều năm tiếp theo.

2. Trạm biến áp chính 35/6 kV cấp điện cho mỏ than Mạo Khê có cấu hình và phương thức cấp nguồn ra sao?
Trạm biến áp chính gồm 2 máy biến áp mã hiệu SF-8000-35/6 công suất định mức 8000 kVA (1 máy vận hành, 1 máy dự phòng), nhận điện từ lưới điện quốc gia qua 2 tuyến đường dây 374 và 376 (tuyến 376 làm việc chính, tuyến 374 dự phòng). Phía 6 kV cấp vào trạm phân phối gồm 31 tủ chia làm 2 phân đoạn.

3. Tổ hợp thiết bị chính tại trạm bơm thoát nước giếng chính mức -155 gồm những loại máy móc nào?
Trạm bơm giếng chính gồm 4 máy bơm ly tâm IFSM 300x105 (Nhật Bản sản xuất, lưu lượng định mức 300 m³/h, cột áp đẩy 105 m, chiều cao hút 4,3 m) được kéo bởi động cơ điện không đồng bộ ba pha AF 354S-AT (công suất 140 kW, điện áp 380V, dòng định mức 250A, tốc độ 2985 vòng/phút). Đường ống hút cao su cốt thép $\phi 220\text{ mm}$ và ống đẩy thép $\phi 200\text{ mm}$.

4. Thuật toán điều khiển tự động phân chia chế độ vận hành trạm bơm theo mùa như thế nào?
Vào mùa khô, hệ thống vận hành 1 bơm đơn lẻ và thực hiện luân phiên tuần tự giữa 3 bơm B1 $\rightarrow$ B2 $\rightarrow$ B3 (mỗi khi mực nước đạt $H \ge H_2$ và dừng khi $H < H_1$) để giữ điện trở cách điện cho động cơ. Vào mùa mưa, hệ thống chuyển sang vận hành luân phiên giữa 2 nhóm bơm (Nhóm 1 gồm B1+B3; Nhóm 2 gồm B2+B3) với góc mở van xoay 100% để đảm bảo thoát kịp lưu lượng đỉnh lên tới 160 m³/h.

5. Khởi động từ điều khiển máy bơm thực hiện chức năng bảo vệ sự cố rò điện và ngắn mạch/quá tải theo nguyên lý nào?
Bảo vệ rò điện sử dụng rơ-le rò điện K5 (chỉ làm việc khi động cơ chưa chạy); khi phát hiện rò điện, mạch kín cuộn K5 làm mở tiếp điểm K52 cắt toàn bộ mạch điều khiển. Bảo vệ sự cố cực đại (ngắn mạch/quá tải) sử dụng hai biến dòng T1, T2 ở pha A và C đưa tín hiệu qua cầu chỉnh lưu V3, V4 cấp cho rơ-le cường độ cực đại K2; K2 hút lõi thép mở tiếp điểm thường đóng K22 cắt nguồn cuộn K1, ngắt mạch lực cấp cho động cơ và đóng tiếp điểm K23 bật sáng đèn đỏ cảnh báo H2.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Hoàng Phương đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa trạm bơm thoát nước giếng chính mức -155 Công ty Than Mạo Khê bằng công nghệ PLC Siemens S7. Hệ thống thiết kế đã chuyển đổi thành công quy trình đóng cắt, mồi nước và điều tiết van thủ công sang chu trình điều khiển tự động khép kín theo mực nước bể chứa và áp suất buồng bơm. Công trình kết hợp chặt chẽ giữa tính toán kỹ thuật phần cứng, phân tích mạch bảo vệ an toàn phòng nổ và xây dựng thuật toán điều khiển linh hoạt cho cả mùa khô, mùa mưa và các tình huống sự cố hầm lò. Kết quả nghiên cứu có giá trị ứng dụng thực tiễn cao đối với công tác hiện đại hóa thiết bị cơ điện và nâng cao mức độ an toàn trong ngành khai thác than mỏ hầm lò.