基于模塊控制的煤礦井下自動排水監控系統設計

摘要：從我國煤礦生產實際出發，結合現代工業控制及監測技術，介紹了一種井下自動排水的監控系統，該監控系統基于模塊化設計，主要由水位與系統相關參數監測模塊、PLC控制模塊和聯網通訊模塊組成。由于其模塊化設計，系統易于擴展和維護，為今后礦井排水系統的進一步自動化提供了重要的參考依據。

關鍵詞：井下排水系統 模塊化設計 監控系統 PLC 自動化

1 概述

礦井排水系統負責排出煤礦井下積水、涌水，保證煤礦生產的安全，是煤礦生產中的四大系統之一。井下排水系統的一個核心部分即是監控系統。礦井排水系統是一個系統化很強的系統工程，在排水過程中不僅要考慮積水、涌水的多少，還要考慮能耗及礦井內的各種因素的影響，自動化很難，因此，在很長一段時間排水系統主要靠人為控制操作，通過人工觀察礦井下水位情況，根據以往經驗，決定開啟和關閉水泵的數目。但這種人工控制方法會增強工人的勞動強度，并且整個操作過程易受人為因素影響，安全系數較低。

隨著社會及科學技術的發展，逐漸出現了煤礦井下的自動排水系統，目前應用較多的是通過PLC控制排水系統，從而實現系統的自動檢測和工作。本文正是在此基礎之上應用模塊化方法對井下自動排水的監控系統進行了設計，對排水系統的安全運行、實時監測和有效管理具有十分重要的意義。

2 礦井自動排水監控系統的性能要求

2.1 防爆性能

煤礦生產以安全為主，特別是在井下特殊的環境下安全生產顯得更重要。因而排水系統整體來說屬于電控系統，因此防爆性能一定要達到煤安標準。

2.2 井下水位和有關安全參數的實時監測

自動排水系統的主要目的是適時排出井下積水，所以其主要監測對象是水位情況，積水量一有變化監測系統應馬上給出反應，以便于系統及時有效的排水。另外水泵內的壓力、真空度等啟動用參數和電機溫度、系統電流、管路流量等系統安全運行的保障參數也需要進行實時監測，如果有關參數超出正常范圍，要發出警報信號，以保障系統正常工作。

2.3 水泵的平穩起停

根據井下排水的特殊環境，要求水泵起停平穩，特別需要達到緩慢開啟和閉合的要求。在啟動的過程中，如果各參數不能達到要求，整個排水系統就不能進入正常的運行狀態。

2.4 水泵組運行的優化控制

水泵組運行優化控制是可靠性和經濟性的系統工程。依據井下積水的多少，自動控制水泵運行的數目，既不浪費能源又能達到排水要求，防止水難的發生。還要做到用電的“避峰就谷”，但在積水過多時優先選擇排水。另外，為了避免水泵的長時間不停工作和長期閑置，需要合理安排水泵進行輪班工作。

2.5 與井上的通訊能力

井下自動排水系統是煤礦生產的重要組成部分，但并不是孤立的一個系統，需要配合其他的生產部門進行工作。所以，排水系統需要擁有通訊能力以便及時的將排水系統的有關情況傳送給全礦生產監控部門，以使管理人員能夠及時了解井下排水系統的工作狀態和做出合理的決策。

3 礦井自動排水監控系統的基本結構

礦井自動排水監控系統主要由水位與系統相關參數監測模塊、PLC控制模塊和聯網通訊模塊組成。然后用可控閘閥和電磁接觸器等作為執行元件，完成對排水系統的控制。其監控系統的基本結構如圖1所示。

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圖1 監控系統基本結構圖

4 礦井自動排水監控系統的模塊化設計

4.1 水位與系統相關參數監測模塊

4.1.1 液位監測傳感器

液位監測傳感器采用投入式液位傳感器，其穩定性好、可靠性強、安裝方便、結構簡單。投入式液位傳感器是將傳感器的探頭投入到液體中，利用在一定深度液體會產生一定的壓強這個基本原理制成。圖2為其工作示意圖。

4.1.2 壓力和真空度監測傳感器

壓力和真空度是水泵啟動和運行過程中的重要參數，需要實時進行監測。本設計采用有源點接觸式壓力表和真空表，原理如圖3所示。

當所監測的壓力改變時，表盤指針將轉動，同時，指針帶動電接點的活動觸頭與設定在表盤上的觸頭相接觸，進而使控制系統的電路接通或斷開，以達到監測和發送信息的目的。

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圖3 有源點接觸式壓力（真空）表工作原理圖

4.1.3 其他參數的監測

自動排水系統在工作過程中需要對系統的相關參數進行實時監測，以保證整個系統的正常運行。需要監測的參數有電機溫度、流量和系統漏電保護等，這些參數通過相應的傳感器進行檢測后轉化為電信號，然后經測試電路處理，送入PLC控制電路。圖4為相關聯結框圖。

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圖4 監測與控制聯結框圖

4.2 PLC控制模塊

自動排水監控系統的PLC控制模塊主要包括硬件和軟件兩部分，硬件部分主要包括PLC及其擴展模塊、信號檢測電路和輸出控制繼電器等。軟件部分需要根據PLC及其相關電路來編寫程序。

4.2.1 硬件部分

本設計選用西門子公司的S7-200系列CPU224型PLC，并用EM222數字量擴展模塊和EM231模擬量擴

展模塊結合起來作為控制器。其擴展模塊配置如圖5所示。

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圖5 PLC擴展模塊

根據自動排水系統及井下環境的要求，本系統主要包括以下電路。

①主控電路（圖6）

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圖6 主控電路圖

②信號檢測電路（圖7）

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圖7 信號檢測電路圖

③漏電保護電路（圖8）

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圖8 漏電保護電路

④抗干擾電路（圖9）

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圖9 抗干擾電路

除上述的主要電路外，還需要有輔助電氣元件，如變壓器、電源、繼電器等。

4.2.2 軟件部分

PLC采用面向用戶、面向過程的編程，因此程序設計可以采用模塊化設計。根據自動排水系統的要求，對PLC及其擴展模塊的I/O地址進行合理的分配，然后按照主程序的流程圖（圖10），利用西門子STEP7標準軟件包提供的梯形圖邏輯編程語言LAD進行程序編寫設計。

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圖10 主程序流程圖

4.3 聯網通訊模塊

聯網通訊模塊采用以太網來實現數據的傳輸，以太網是高速局域控制網絡。以太網絡使用CSMA/CD技術，并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。

本聯網通訊模塊以工控機作為上位機，以力控工業監控組態軟件為上位機的監控軟件，以實現系統的相關顯示、查詢、打印和報警等功能，并且可以通過上位機界面上的按鈕實現對自動排水系統的起?？刂?；以西門子S7-300系列的PLC作為下位機。聯網結構如圖11所示。

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圖11 聯網通訊模塊

5 結語

實踐證明，井下自動排水監控系統設計合理、相關硬件及軟件選型設計正確，系統運行平穩可靠，其模塊化設計易于擴展和修改，系統維護簡單方便。模塊化設計為井下自動排水系統的設計提供了新的方法，使排水系統的設計、調試和維護工作更加方便高效。

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