基于P L C的煤礦井下排水自動控制系統的研究

梁 濤 徐金秀 于進杰

（1.淮南礦業集團 張集煤礦，安徽 淮南 232007；2.安徽鴻路集團，安徽 合肥 231131；3.中國人民解放軍裝甲兵學院，安徽 蚌埠 233000）

0 引言

煤礦在開采時，地層中可能有大量的水涌出，大量的礦井水持續不斷地匯集到井下，而且，突發的突水事故會讓涌水量顯著增加，積水如果不能立即排送到地表，井下開采會受到嚴重阻礙，甚至會造成重大的煤礦安全事故，所以及時有效的把井下積水排出至關重要。

1 系統原理及組成

1.1 系統原理

系統有自動和手動相互切換功能，可實現無人值守。自動控制指系統按照編好的程序自動實現對水泵、真空泵以及其它一些與之關聯設備的啟動和停止，各設備之間均可實現連鎖控制；手動控制由操作人員根據實際需求，按照一定順序來控制水泵及其相關聯設備的啟動和停止，單臺泵和各設備之間無聯鎖控制。

該系統利用PLC等器件采集并處理壓力、真空度、水倉水位、電壓、電流、溫度等井下參數，對水泵的運行狀況開展實時監控，當PLC接收到來自操作臺發出的控制命令時，可控制水泵等相應設備的啟動和停止工作，還能夠將運行的實時數據利用工業以太網傳到上位機，并利用上位機監測和控制井下排水設備，實現遠程監控。

該系統最終可以實現現場監控與遠程監控，在自動控制方式下可按照水倉水位等參數的變化自動打開或關閉閥門，控制水泵的啟動和停止，并設置高水位報警以及其他的故障報警功能，該系統還對系統參數開展實時監控，對排水系統運行狀態進行合理優化，使系統能夠高效率的工作。而且還可將數據傳送到上位機，完成實時數據的記錄與存儲，歷史數據的查詢等多種功能。

1.2 系統組成

圖1 井下主排水自控系統結構圖

該系統主要由交換機、PLC控制箱、顯示操作臺、上位機、閥門、光纜、傳感器以及防爆攝像儀等設備組成，自上而下可分為管理層、控制層和現場層。具體結構如圖1所示。

圖1中，網絡視頻服務器通過工業以太網與井下的3個防爆攝像儀通信，用來實時監控井下中央主水泵房的運行狀況；管理層的上位機進行實時監控煤礦井下自動排水系統，并通過交換機和傳輸光纜與控制層的PLC控制箱進行信息交換，現場層水泵及其閥門設備的相關參數也可傳輸至上位機，并通過上位機進行遠程控制。在中央水泵房里，將從3個防爆攝像儀中接出的3芯光纖與從PLC控制箱里接出的2芯光纖共5芯光纖一并接入光纖接線盒中，再利用一根8芯光纜（留3芯備用）連到地表的光纖接線盒中，將信號傳輸至地表，再利用光端機將信號變成工業以太網信號傳輸至交換機，從而使網絡視頻服務器與上位機獲取以太網信號。

控制層由PLC控制箱與顯示操作臺兩部分組成。PLC控制箱為排水控制系統的數據采集中心與核心控制部件，該控制箱采集水泵及閥門等關聯設備的實時狀態數據，并和管理層的上位機進行實時數據的交換，對各水泵及關聯設備進行集中監控；顯示控制臺可顯示各設備的當前運行狀態，并對水泵及關聯設備實施就地控制。

現場層包括水泵及閥門等相關聯的設備，另加3個防爆攝像儀。防爆攝像儀被安裝在井下水泵房中，主要監控水泵房的工作現狀水泵及閥門等相關聯的設備包括電動閥門及各種傳感器等，例如真空閥；電動閘閥；電磁閥；設備開停傳感器；壓力傳感器；真空度檢測傳感器；液位傳感器；流量傳感器；溫度傳感器；水泵開停傳感器等。

2 系統硬件設計

圖2 中央水泵房的排水管路

該控制系統主要由五個模塊組成：CPU模塊、模擬量輸入輸出模塊、擴展 I/O模塊（輸入輸出 40點型）、以太網模塊、電源模塊等。

井下中央水泵房的排水管路如圖2所示。從圖中可看出，每臺水泵均連接在1#主排水管路和 2#副排水管路上，并在其支路上各裝有排水閥，排空管路上各安裝有一套主、副真空閥。主副排水管路上均裝有流量傳感器，每臺水泵吸水口裝有負壓力傳感器，可用于檢測水泵的真空度，水泵出水口裝有正壓力傳感器，在水泵電機上裝有PT100溫度傳感器，檢測電機和水泵的軸溫，傳感器的信號電流大小范圍為4mA～20mA。

水倉中裝有兩組液位傳感器，一組為數字液位開關，為3套浮球液位開關，根據浮球的浮沉狀況來設置4個液位高度，使系統能鑒別出水位的升降，自動控制水泵；另一組為超聲波傳感器，用來感應水倉水位的微小變化，可在上位機組態監控系統中顯示具體的變化值，主要用于判斷井下水位的升降趨勢。

3 系統軟件設計

本系統采用德國西門子公司的 S7-300系列的 PLC，其編譯環境為SIEMENS STEP7-Micro/WIN，該編程軟件操作方便、實用，可在普通電腦Windows操作系統中運行，本系統采用STEP7-Micro/WIN V4.0 SP3軟件版本，通過軟件提供的LAD梯形圖語言進行編輯該系統程序。

主程序包含兩個方面，分別為通電延時程序與子程序的調用。進行上電延時，是給PLC留有足夠的啟動時間，防止開機誤操作，本系統設置了4S的延時時間，S7-300系列PLC程序的運行是并行處理進行，所以子程序的調用就不必考慮先后順序，CPU進行周期性的連續不斷的掃描主程序，掃描各子程序，子程序的調用如圖3所示。

圖3 子程序的調用

4 組態監控畫面設計

組態監控畫面主要由主界面、趨勢圖、歷史報表、實時報表、歷史報警、遠程控制和幫助界面等。為了防止誤操作，使系統更加安全可靠，系統設置了多個的用戶權限。用戶由系統管理員與操作員構成，系統管理員權限最高，可任意配置用戶權限并可添加用戶。此外還為能夠設置參數的遠程操作界面配備了訪問權限，這個頁面只允許操作員以及系統管理員能夠登陸，其他界面無訪問權限，可隨意訪問，這樣可以防止非操作人員對數據參數的改動。而且系統還設置了20分鐘無操作，登錄狀況自動退出的保護功能。

每一個登陸界面都有頁眉工具欄，包括操作菜單以及實時時間顯示等。在系統管理中能夠進行注銷、登錄與用戶配置等操作；在系統畫面中能夠選擇當前的顯示窗口；工具菜單中能夠選擇軟件說明或進入幫助界面。

主界面設置為開機時的主界面，即排水自控系統的運行顯示界面。該界面主要用來對系統的部分設備的實時參數以及控制流程的監控，并設置有實時報警功能、水泵工作電流電壓數據的實時參數顯示功能，主界面如圖4所示。

圖4 主界面監控圖

5 結束語

通過該系統的設計，整個系統運行狀況良好，不但可以實現就地控制和遠程控制，更能將一切影響設備正常運行的參數引到控制程序中，使該系統的通用性得到明顯提高，適用范圍更加廣泛。通過工業以太網，將井下的水位高度、電機溫度、電壓等信息實時傳送到地面監控室，完成了地面對井下排水信息的遠程調度，并可以將井下監控信息集成化，提高集成度。

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