煤礦井下排水泵房PLC控制系統

摘 要：文章介紹了羅克緯爾公司AB-PLC在井下排水泵房控制系統中的應用，介紹了在排水泵房中的設備配置、工作原理、實現方法及主要環節控制程序，使排水泵房實現遠程自動化控制，從而達到降低勞動強度、降低運行成本、延長設備使用壽命、提高了工作效率及安全性等目的。

關鍵詞：排水泵房；PLC；自動化控制

1 引言

萬利一礦是神東煤炭集團最北端一個千萬噸級礦井，位于內蒙古鄂爾多斯市東勝區萬利鎮，礦井井田面積92平方公里，地質儲量15.3億噸，服務年限73年，全礦實現對井下生產系統的遠程自動化控制。為滿足生產需要，需新建萬利一礦31煤三盤區盤區排水泵房，并實現遠程自動化控制。

2 井下排水泵房集中控制系統的概述

該排水泵房設置工作、備用、檢修三臺水泵[1]，此處選用臥式多級離心泵，配套電機132kW，二趟DN200管路，一用一備。正常涌水時，一趟工作，一趟備用；最大涌水時，二趟同時工作。水泵工作制為：正常涌水時，一臺工作，一臺備用，一臺檢修，最大涌水量時，兩臺工作，一臺備用或檢修。排水泵房的控制，宜為就地控制選距離集中監控，有條件時，可設計為自動化排水集中監控。集中監控應裝設電動機電流、電動機溫度、軸承溫度、啟動水泵時真空度、排水管流量、水倉水位等監測裝置，并應就地及集中顯示，同時應能超限報警。自動化排水集中監控，應根據水倉水位監測信號及水位變化率完成自動注水、閘閥的自動操作或多功能水泵控制閥的監測、自動開停，并應能輪換工作水泵。集中監控裝置與排水泵站分設時，與排水泵站之間應設置標志明顯的啟動聯系信號。機旁就地控制箱和集中監控裝置應裝設水泵緊停按鈕。礦井裝備的安全生產監控系統，宜在排水泵房設置系統分站，并應將工況參數及必要的監測信息納入安全生產監控系統[1]。

此系統中設計三臺水泵及其附屬的真空系統與管路電動閥、傳感器等裝置實現PLC自動化控制及運行自動檢測，并通過人機操作界面及上位機以圖形、圖像、文字、數據等方式，形象、直觀、實時的反映系統工作狀態以及水倉水位、電機溫度、軸承溫度、兩趟排水管流量等參數，并通過工業以太網將這些參數傳至地面生產調度中心，與綜合監測監控主機實現數據交換，以便進行實時監測監控水泵運行狀態、水泵啟停控制方式選擇、水泵自動輪換及故障報警等控制。實現本系統集中監控、顯示、通訊為一體的集中自動化控制系統。

2.1 集中控制系統的工作原理

數據的自動采集主要由PLC實現，PLC模擬量輸入模塊通過傳感器連續檢測水倉水位的變化，并將相應的變化信號進行A/D轉換處理，然后計算出單位時間內不同水位段水位的上升速率，進而判斷出礦井的涌水量大小，控制排水泵的啟停。排水管流量、水泵軸溫、電機溫度、電機電流等傳感變送器，主要用于監測水泵和電機的運行狀況以及超限報警，以避免水泵與電機損壞。而PLC的數字量輸入模塊則把各種開關量信號采集到PLC中作為邏輯處理判斷的條件及依據，控制排水泵的啟停。

2.2 控制過程說明

2.2.1 水倉水位檢測。整個控制系統都是繞圈水倉水位為核心進行的，因此，保證精確的水位檢測至關重要。為此，本系統特采用水位傳感器監測水位的變化，從而控制整個排水系統。

2.2.2 啟動水泵。水倉水位上限傳感器傳送PLC輸出控制指令，PLC檢測返回的出水口壓力信號，PLC檢測水泵泵組設備的信息，在確定無故障的情況下，輸出啟動水泵電機信號，電機返回啟動信號，水泵出水壓力大于設定值，啟動排水泵閘閥，啟動水泵電機。

2.2.3 出水口壓力檢測。通過在水泵出水口處設置壓力傳感器[2]，用以檢測水泵的水口壓力。當水泵已啟動但排水閘閥尚未打開時，要求壓力必須大于設定值才能打開閘閥，否則說明水泵未上水，需要立即停泵。正常運行，通過實時監測出水口壓力值來判斷水泵排水是否正常。

2.2.4 停機。為了防止水錘效應的產生，當水倉水位下降到設定的低水位時，首先關閉排水管的電動閘閥，然后關閉水泵電機，使其停止工作。

3 控制系統硬件設計

控制系統硬件主要包括PLC控制柜及柜內模塊配置、就地控制箱配電柜、液位傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、電動閥等。系統的主要被控對象為：水泵電機、電動閘閥等。

PLC柜采用礦用一般型，安裝于井下中央變電所內。可編程邏輯控制器選用羅克韋爾公司（Rockwell Automation）旗下AB的ControlLogix系統PLC產品，并選用1756系列相應的模塊配置與之配合工作。ControlLogix控制器采用了模塊化的設計，無源數據總線背板結構。包括處理器在內所有單元，根據功能設計成各種模塊，典型的處理器模塊如Logix5000處理器，所有的模塊都安裝于標準的ControlLogix機架內。為實現水泵監控子系統與全礦井監控系統可通訊，PLC柜通過工業以太網模塊接入全礦井自動化控制系統。

3.1 集控電源系統設計

集控電源（AC660V）引自井下泵房組合開關，進入PLC柜后，通過變壓器DG-0.5-660/220V，將660V電壓變為220V，再經電源濾波器PU IIIR 230V 6KV濾波變化等變換，最終處理為AC220V和DC24V電源，分別向機架電源、儀器儀表、傳感器、PLC模塊、Flex等供電。

3.2 PLC柜內模塊配置

根據模塊點位統計，PLC柜內應安裝13槽機架1756-A13一個，機架電源選用1756-PB72一個，CUP處理器選用1756-L61一塊，機架號為000，以太網通訊模塊1756-ENBT一塊機架號為001，DeviceNet通訊模塊1756-DNB兩塊，機架號分別為002、003、16點開關量輸入模塊1756-IB16兩塊，機架號分別為004、005，16點繼電器輸出模塊1756-OW16I一塊，機架號為006，模擬量輸入模塊1756-IF16一塊，機架號為007，溫度模塊1756-IR6I三塊，機架號為008、009、010，機架空槽余量為兩個。與輸入/輸出模塊相對應的20P接線臂1756-TBNH五塊，36P接線臂1756-TBCH兩塊。

3.3 井下排水泵房監測儀表的選擇[1]

水倉中安裝兩只DB1010-5m液位計，離心泵的吸水管上裝設DY1151GP真空表又稱壓力計，水泵排出管上裝設流量計裝置。以上儀表均具有防沖擊功能。

4 控制系統軟件設計

4.1 水位監控

水位信號是水泵控制一個非常重要的參數，本系統采用雙水位計測量水倉水位的變化。水位信號為Hi，最低水位點為H1，高水位點為H2，警戒水位點為H3，極限水位點為H4。當HiH2時，可立即啟動工作水泵排水；當Hi>H3時，必須啟動一臺水泵排水；當Hi>H4時，開啟兩臺水泵同時排水。其程序流程圖如圖1所示。

4.2 單臺水泵啟停的邏輯實現

首先， PLC進行初始化，各泵組處于停機狀態，PLC接受來自各傳感器的數字量、模擬量進行計算分析，若無故障且水位信息超過了水位的允許波動范圍，即檢測到水位值大于或等于設定的水位高度時，PLC檢測水泵出水口壓力，若壓力值大于或等于設定值，則打開出水口電動閥進行正常排水。程序流程圖2所示。

5 監控系統概述

本系統借助工業以太網和網絡交換機完成控制器與觸摸屏、上位機的通訊，并最終實現其自動化；從人機界面設計和上位機組態兩方面完成監控系統的設計，并做出人機交互界面，通過觸摸屏和上位機組態的實際應用，很好的提高了礦井自動化。

監控系統部分主要由上位機組態來完成[2]。組態軟件是運行于PC平臺的一個通用工具軟件，和PC機或工控機一起可組成HMI（人機操作界面）產品，PLC同時將水泵的運行狀態與參數經安全生產監測系統分站傳至地面生產高度中心，與全礦井生產監控系統共網，管理人員在地面可實現對井下水泵房的操作、監控和管理工作。

組態軟件的選擇：組態軟件是排水監控系統的遠程監控中心、數據收集處理中心和數據轉發中心，它與各種檢測、控制設備共同構成快速影響控制中心。在本系統中選用RSView32作為工業監控組態軟件，與PLC建立通訊連接，建立廣闊的監控應用。能過在工控機上運行，可遠程看到現場的畫面，參數值，報警等。

6 結束語

煤礦井下排水泵房PLC控制系統，實現對井下排水系統的遠程自動化控制，減輕了員工勞動強度，提高了勞動效率和工程質量，有效提高了安全系數。

參考文獻

[1]GB 50451-2008.煤礦井下排水泵站及排水管路設計規范[S].

[2]李澤松.井下水泵房自動排水系統研究[J].2005.