淺談PLC在煤礦主排水系統(tǒng)的應(yīng)用

張美茹，于秋瑞，溫 凡

（中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054）

1 引言

在煤炭市場(chǎng)需求日益旺盛的良好形勢(shì)下，煤礦企業(yè)提高生產(chǎn)效率及自動(dòng)化程度越來(lái)越重要，自動(dòng)化程度越高，占用的勞動(dòng)力就越少，從而也就節(jié)約了成本。

近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，以微處理器為核心的可編程序控制器（PLC）控制已逐步取代傳統(tǒng)的繼電器控制，普遍應(yīng)用于各行各業(yè)的自動(dòng)化控制領(lǐng)域，煤炭行業(yè)也不例外。煤礦主排水系統(tǒng)作為煤礦安全生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其安全運(yùn)行直接關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)。在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)還沒有迅速發(fā)展之前，煤礦主排水泵多采用繼電器來(lái)控制，水泵的啟、停和選擇切換均需由人工來(lái)完成，且水泵電機(jī)需根據(jù)井下水倉(cāng)水位的變化頻繁地啟停，操作步驟比較繁瑣，工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，且井下水泵房環(huán)境條件比較惡劣，噪聲較大，氣溫偏高，工作人員容易疲勞，特別是在發(fā)生水災(zāi)的情況下，留人值守水泵房也是非常危險(xiǎn)的。在此情況下，實(shí)現(xiàn)井下主排水系統(tǒng)的自動(dòng)控制就成為一個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì)，主排水系統(tǒng)自動(dòng)控制的應(yīng)用，不但減輕工作人員的負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)水泵房的無(wú)人值守，也為全礦井進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控、統(tǒng)一指揮、監(jiān)管奠定了基礎(chǔ)，對(duì)提高整個(gè)煤礦綜合自動(dòng)化水平也起到了至關(guān)重要的作用。

下面針對(duì)某煤礦井下主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，闡述PLC在煤礦主排水系統(tǒng)的具體應(yīng)用。

2 水泵房設(shè)備概況及要求

（1）設(shè)備概況

某煤礦井下主排水泵放設(shè)有3臺(tái)D280－43×8型多級(jí)離心式水泵，帶壓力表和真空度表顯示，每臺(tái)水泵配套1臺(tái)YB560S2－4型電動(dòng)機(jī)，額定功率450kW，工作電壓10kV，起動(dòng)方式為串電抗器降壓起動(dòng)；真空泵引水裝置為2套YS101－50型真空引水裝置，配用2臺(tái)2BE1101－0BD2－0N 1450型水環(huán)式真空泵，電動(dòng)機(jī)為YB132S－4，額定功率5.5kW，工作電壓660V。3臺(tái)水泵工作方式：礦井正常涌水量時(shí)，1臺(tái)工作，1臺(tái)備用，1臺(tái)檢修；礦井最大涌水量時(shí)，2臺(tái)水泵同時(shí)工作，1臺(tái)檢修。兩趟排水管路工作方式：礦井正常涌水量時(shí)，一趟工作，一趟備用；礦井最大涌水量時(shí)，兩趟排水管路同時(shí)工作。

在每臺(tái)水泵排水口設(shè)一個(gè)電動(dòng)閘閥，以滿足自動(dòng)控制的要求，兩趟排水管路共配6個(gè)手動(dòng)閘閥（因動(dòng)作次數(shù)很少，僅在兩趟排水管路切換時(shí)才動(dòng)作1次，所以配手動(dòng)閥），由巡檢人員手動(dòng)控制，每臺(tái)水泵真空管路里各配一個(gè)電磁閥。為滿足自動(dòng)控制要求，在每臺(tái)水泵排水口裝設(shè)1個(gè)壓力傳感器，真空管路里裝設(shè)1個(gè)真空度傳感器，以檢測(cè)壓力盒真空度；在兩趟排水管路里各裝1組流量計(jì)，同時(shí)在水倉(cāng)里設(shè)1組水位監(jiān)測(cè)裝置用以控制水泵的啟停。排水管路圖如圖1所示。

（2）要求

要實(shí)現(xiàn)井下主排水泵的自動(dòng)控制，就必須通過(guò)采集水倉(cāng)的水位信號(hào)及其他相關(guān)信息量，通過(guò)采集到的信號(hào)由控制系統(tǒng)將其與預(yù)先設(shè)定好的值進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制。系統(tǒng)采集的信號(hào)主要分為兩類：模擬量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)。根據(jù)此項(xiàng)目具體情況，采集的模擬量信號(hào)主要有：水倉(cāng)水位、兩趟排水管路流量、水泵軸溫、電機(jī)溫度、水泵出水口壓力、真空度等；采集的數(shù)字量信號(hào)主要有：水泵高壓?jiǎn)?dòng)柜真空斷路器和電抗器柜真空接觸器狀態(tài)、電動(dòng)閘閥工作狀態(tài)及過(guò)載信號(hào)、電磁閥狀態(tài)、真空泵工作狀態(tài)及故障信號(hào)等。

信號(hào)的采集主要由PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)，PLC模擬量輸入模塊通過(guò)水位傳感器連續(xù)檢測(cè)水倉(cāng)水位，將水位變化信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，控制排水泵的啟停。水泵軸溫、電機(jī)溫度及排水管流量等傳感器，主要用于監(jiān)測(cè)水泵、電機(jī)的運(yùn)行狀況、超限報(bào)警，以避免水泵和電機(jī)損壞。PLC數(shù)字量輸入模塊將各種開關(guān)量信號(hào)采集到PLC中作為邏輯控制的條件和依據(jù)，控制排水泵、真空泵及各電動(dòng)閥的啟停和開閉。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，系統(tǒng)共采集37個(gè)DI，17個(gè)DO，21路AI信號(hào)。

3 控制設(shè)備的選型及系統(tǒng)配置

AB公司是一家世界領(lǐng)先的PLC制造廠家，生產(chǎn) MicroLogix、SLC500、PLC5、ControlLogix、FlexLogix等多種型號(hào)、不同檔次的PLC產(chǎn)品，在煤礦行業(yè)有較高的市場(chǎng)占有率。ControlLogix控制器是其生產(chǎn)的一個(gè)大型可編程控制器系列，具有功能強(qiáng)大、高速處理的處理器，較大的儲(chǔ)存容量和豐富的指令集，且性能可靠，應(yīng)用廣泛，能實(shí)現(xiàn)多種控制任務(wù)。同時(shí)處理器具有多種類型的通訊接口，如 RS232、DH －485、DH ＋ 、ControlNet、DeviceNet、EtherNet等，其通訊能力強(qiáng)、工業(yè)組態(tài)靈活、具備自診斷、擴(kuò)展容易、使用方便、界面友好，深受工業(yè)控制領(lǐng)域的青睞。設(shè)計(jì)采用ControlLogix 1756系列可編程控制器作為水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的主控裝置，該機(jī)為模塊化結(jié)構(gòu)，由PLC機(jī)架、CPU、電源模塊、數(shù)字量I/O模塊、模擬量輸入模塊、熱電阻模塊及其他功能模塊組成。PLC系統(tǒng)配置如圖2所示。

圖1 井下主排水泵房管路系統(tǒng)圖

圖2 PLC系統(tǒng)配置圖

4 排水泵PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)

（1）水位實(shí)時(shí)檢測(cè)

水位信號(hào)的檢測(cè)是水泵實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，井下主排水泵的啟、停是根據(jù)水倉(cāng)水位的高低變化來(lái)控制的，設(shè)計(jì)采用在水倉(cāng)內(nèi)設(shè)置一個(gè)防爆的壓力式水位傳感器來(lái)檢測(cè)水倉(cāng)水位的高低，水位傳感器輸出4～20mA模擬量信號(hào)接入1756－IF16模擬量輸入模塊中，由PLC軟件編程將接收到的水位模擬量信號(hào)分成若干個(gè)水位段，當(dāng)水位上升到設(shè)定水位段時(shí)，則啟動(dòng)水泵進(jìn)行排水，并且計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，并根據(jù)先巡航情況確定需啟動(dòng)水泵的臺(tái)數(shù)。

（2）抽真空充水

離心式水泵只有在泵殼內(nèi)充滿水的情況下才允許啟動(dòng)，因此水泵啟動(dòng)前必須先進(jìn)行抽真空，系統(tǒng)采用2臺(tái)真空泵抽真空充水的方式。正常情況下，為了加快充水過(guò)程，2臺(tái)真空泵同時(shí)對(duì)1臺(tái)水泵抽氣，當(dāng)1臺(tái)真空泵發(fā)生故障時(shí)，另1臺(tái)仍能擔(dān)負(fù)抽氣的任務(wù)。抽氣管通過(guò)電磁閥與每臺(tái)水泵進(jìn)水端的放氣孔相接。真空泵啟動(dòng)后，由真空度表監(jiān)測(cè)真空度，電機(jī)電流、排水管流量作為監(jiān)視真空度的后備參數(shù)。當(dāng)真空表的讀數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，即可啟動(dòng)水泵。

（3）水泵電機(jī)的啟動(dòng)與閥門操作

當(dāng)水倉(cāng)水位上升時(shí)，水位傳感器將采集到的信號(hào)傳至PLC模擬量輸入模塊，PLC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺R(shí)別的數(shù)字信號(hào)后，對(duì)水位進(jìn)行判斷。當(dāng)水位超過(guò)設(shè)定水位后，PLC發(fā)出指令順序打開真空管路電磁閥和真空泵，同時(shí)真空度傳感器將真空度信號(hào)反饋至PLC系統(tǒng)，系統(tǒng)判斷真空度達(dá)到水泵啟動(dòng)條件后，順序關(guān)閉真空管路閥門和真空泵，啟動(dòng)水泵主電機(jī)，此時(shí)壓力傳感器將水泵出口壓力信號(hào)傳至PLC系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)條件打開排水電動(dòng)閘閥，以上流程完成一臺(tái)水泵的啟動(dòng)過(guò)程。同時(shí)PLC系統(tǒng)連續(xù)檢測(cè)水位信號(hào)，如果水位上升較快或水位達(dá)到另一設(shè)定水位后，啟動(dòng)另一臺(tái)水泵，直至水位符合預(yù)設(shè)的要求。當(dāng)水位下降到設(shè)定的最低位置時(shí)，水位傳感器將信號(hào)傳至PLC模擬量模塊，PLC將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)后，對(duì)照設(shè)定的最低水位值，數(shù)值相同時(shí)，順序發(fā)出關(guān)閉水泵出水閘閥和關(guān)閉水泵主電機(jī)的命令，水泵停止運(yùn)行。

（4）水泵的自動(dòng)輪換工作

為了防止因備用泵及其電氣設(shè)備或備用管路長(zhǎng)期不用而使電機(jī)和電氣設(shè)備或備用管路受潮或有其他故障而未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作泵出現(xiàn)緊急故障需要投入備用泵時(shí)，備用泵不能及時(shí)投入以至影響整個(gè)礦井的安全，因此PLC采用軟件編程設(shè)置3臺(tái)水泵自動(dòng)輪換工作，控制程序?qū)⑺脝⑼４螖?shù)及運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)自動(dòng)記錄并累計(jì)，系統(tǒng)根據(jù)這些運(yùn)行參數(shù)按一定順序自動(dòng)啟停水泵和投入相應(yīng)管路，使各水泵及其管路的使用率分配均勻，以達(dá)到有故障早發(fā)現(xiàn)、早處理，以免影響礦井安全的目的。

在大多數(shù)礦井中，井下主排水泵的用電負(fù)荷在全礦占有很大的比重，水泵的開、停除了水位高、低這個(gè)條件外，還受到電力系統(tǒng)的限制。通過(guò)軟件的設(shè)置，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)煤礦井下的電網(wǎng)負(fù)荷情況和電力部門各個(gè)時(shí)段的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，以“避峰填谷”大原則確定啟、停水泵時(shí)間，做到盡量避免在用電高峰期啟泵，合理利用電網(wǎng)信息，提高礦井的電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量，達(dá)到節(jié)能的目的。

5 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)顯示

系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬顯示選用2711系列系列觸摸屏，系統(tǒng)通過(guò)圖形動(dòng)態(tài)顯示水泵、真空泵、電磁閥、電動(dòng)閘閥的運(yùn)行狀態(tài)，采區(qū)改變圖形顏色及閃爍功能進(jìn)行故障報(bào)警，直觀地顯示電磁閥和電動(dòng)閘閥的開閉位置，實(shí)時(shí)顯示水泵抽真空情況和壓力值，采用趨勢(shì)圖、棒狀圖或數(shù)字形式實(shí)時(shí)顯示水倉(cāng)水位，對(duì)兩趟排水管路流量、水泵軸溫、電機(jī)溫度等進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示、超限報(bào)警，自動(dòng)記錄故障類型、時(shí)間等歷史數(shù)據(jù)，并在屏幕下方可循環(huán)顯示最新的故障信息，以提醒工作人員及時(shí)檢修，避免水泵、電機(jī)或其他設(shè)備元器件燒壞。所有參數(shù)的顯示、調(diào)用均可通過(guò)觸摸屏上的菜單進(jìn)行選擇切換。

6 系統(tǒng)的通訊和信息上傳

PLC通過(guò)DH＋網(wǎng)絡(luò)與觸摸屏通訊，將各水泵的工作狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)傳至觸摸屏，完成各數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示，操作人員也可以利用觸摸屏將操作指令傳至PLC，控制水泵運(yùn)行。設(shè)計(jì)選用的ControlLogix 1756系列PLC通過(guò)高性能的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)ControlNet及其處理單元、過(guò)程I/O、人機(jī)接口和過(guò)程控制軟件Logix5000以及RSView等來(lái)完成水泵的自動(dòng)控制，與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的傳感器、變送器等連接完成高速的邏輯控制，將水泵機(jī)組的工作狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的ControlNet通訊網(wǎng)絡(luò)以光纖為傳輸介質(zhì)傳遞給礦井調(diào)度中心的控制主機(jī)，與全煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，管理人員在調(diào)度中心即可掌握井下主排水系統(tǒng)設(shè)備的所有檢測(cè)數(shù)據(jù)及各水泵的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)井下主排水系統(tǒng)的遙測(cè)、遙控，并為礦領(lǐng)導(dǎo)提供生產(chǎn)決策信息。

控制系統(tǒng)的功能和主要特點(diǎn)如下。

（1）PLC自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位信號(hào)，根據(jù)水位信號(hào)自動(dòng)啟、停水泵，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)水泵的輪換工作，做出合理調(diào)度，延長(zhǎng)了水泵的壽命；

（2）系統(tǒng)具有過(guò)載、欠壓、超溫等保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)以上狀況或電機(jī)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)自動(dòng)停止該水泵的工作，同時(shí)啟動(dòng)備用水泵；

（3）實(shí)現(xiàn)水泵的多種控制方式：就地檢修、就地集中控制、遙控、水位自動(dòng)控制；

（4）通過(guò)安裝在主排水泵房的攝像頭將水泵工況畫面?zhèn)鬏數(shù)降V調(diào)度中心，使管理人員在調(diào)度中心能夠直觀地看到水泵現(xiàn)場(chǎng)的具體運(yùn)行情況；

（5）現(xiàn)場(chǎng)控制中心將采集的數(shù)據(jù)傳至礦調(diào)度中心，在礦調(diào)度中心可同步顯示水泵運(yùn)行工況，調(diào)度中心可以通過(guò)ControlNet網(wǎng)絡(luò)發(fā)出指令給現(xiàn)場(chǎng)控制中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端控制；

（6）系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性好，對(duì)各設(shè)備的運(yùn)行工況能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)控制；

（7）在礦調(diào)度中心可以隨時(shí)查閱、打印實(shí)時(shí)趨勢(shì)及任意時(shí)間段的歷史趨勢(shì)；

（8）人機(jī)界面顯示的內(nèi)容豐富、形象、直觀，操作簡(jiǎn)單、易懂；

（9）根據(jù)不同時(shí)期的具體情況，可以通過(guò)軟件對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)復(fù)雜的情況，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性；

（10）系統(tǒng)能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控，并具有可擴(kuò)展性；

（11）軟件中嵌入了大量的控制策略，可以根據(jù)實(shí)際情況做出不同的決策，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和智能程度；

（12）軟件可對(duì)操作權(quán)限進(jìn)行劃分，不同的值班人員具有不同的操作權(quán)限，避免誤操作。

7 結(jié)論

通過(guò)以上分析可看到，將PLC控制技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下主排水系統(tǒng)中，不但能減輕工人負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，也為全礦進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，提高礦井自動(dòng)化程度奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

通過(guò)PLC對(duì)煤礦井下主排水泵的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制，杜絕了水泵人為的頻繁啟動(dòng)，可在用電低峰期啟動(dòng)水泵，使水泵合理運(yùn)行，提高了主排水系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)效益和管理水平，從而達(dá)到了節(jié)約資源，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，降低運(yùn)行成本和延長(zhǎng)水泵使用壽命的目的。PLC應(yīng)用于煤礦井下主排水系統(tǒng)，在煤礦綜合自動(dòng)化建設(shè)的進(jìn)程中，發(fā)揮著重大的作用，在實(shí)際應(yīng)用中，也有著廣泛的前景。