基于PLC的井下自動排水控制系統研究

白 飛

（山西大同大學機電工程學院，大同 037009）

在煤礦開采過程中，往往會涌出大量地下含水，地表水在滲透作用下也會在井下匯集，井下水量過多不但會影響正常的煤礦開采作用，更會帶來嚴重的安全隱患，危及作業作業人員的生命安全。因此，井下排水是煤礦生產過程中的重要安全措施，開發一套可靠、節能的井下排水系統具有非常重要的現實意義。

1 井下排水系統發展現狀

早期采用手動的排水設備來對井下的水進行抽除，但落后的排水方式只能適用于小型煤礦或才礦井水量較小的情況，無法應對透水等突發事件[1]。現今各種自動化設備和智能化系統開始廣泛應用煤礦井下排水，大大提高了煤礦開采的安全性[2]。在集成電路和各種可編程邏輯器件的發展下，數據采集、數據分析、自動預警、智能預測等更加先進完善的功能，現代控制理論、模糊控制、專家系統等應用到井下排水系統中，提高了系統的智能化水平[3]。

2 當前井下排水系統的不足

當前廣泛采用的井下排水系統以手動操作為主，所有的運作都需要人的控制來完成，各種操作手柄和機械儀表較多，智能化程度極低。具體而言，當前的煤礦井下排水系統存在以下不足：（1）可靠性差。由于當前的井下排水系統需要頻繁的人工干預才能完成排水作業，受人的經驗和熟練程度影響較大。系統中大量的機械觸點在長期使用中容易出現拒動或誤操作。（2）效率低。現有的井下排水系統以人工操作為主，可實現自動控制的功能不多，依賴于人的手工操作來完成各種復雜的排水作業，其工作效率自然不高。（3）成本高。在缺乏自動化控制的條件下，排水系統的所有關鍵操作都需要由人來操作，占用大量人才物力，維護費用也居高不下。（4）智能程度低。現有的井下排水系統僅具備基本的排水功能，對于一些較高級的狀態監測、數據采集、數據分析、故障診斷、報警預警等功能還未涉及。

3 基于PLC的井下自動排水控制系統設計

3.1 總體結構設計

本系統由井下水泵自動控制系統和井上調度中心兩大部分構成，其中前者又包括了水泵綜合控制箱、井下水倉、離心泵、射流泵、強排潛水泵、吸水管路、排水管路、傳感器、電動閘閥、種類通信設備、供電系統等模塊，主要負責執行井下排水與數據采集任務；井上高度中心則由工控機、服務器、交換機等組成，主要負責系統控制、數據分析與存儲、數據顯示與預警等功能。各采集、處理與顯示設備之間采用TCP/IP通信協議進行數據交換。根據煤礦井下排水的具體需求，本系統設計了水泵控制、數據自動采集與監測、自動注水、閘閥控制、電機自動控制、強排設備控制、參數顯示、數據通訊、系統保護、工作方式切換和遠程管理等豐富的功能。

3.2 自動排水控制設計

系統的啟動與停止主要受井下水位的控制。井下水位傳感器會實時監測水位的動態變化，并不斷地把數據發送給PLC主控單元，PLC接收到數據后會進行實時計算與分析，與系統內的預設值進行對比，如果水位高度大于預設值，PLC將發送一條啟動指令，水泵電機開始運轉，整個系統開始排水作業。系統在排水過程中，井下水位持續下降，水位信息實時傳送給PLC主控單元，當水位低于預設值時，PLC將向水泵電機發出一條停止指令，水泵電機接收到命令后停止運行。系統同時具備手動控制與自動控制功能，當有人值守的時候，可由值班人員手動控制系統的啟動與停止。當系統出現故障或者井下出現特殊情況需要啟停系統時，須通過手動控制來實現。

3.3 系統硬件設計

3.3.1 關鍵設備選型

本系統的關鍵設備包括PLC芯片、水泵電機控制箱、軟啟動控制器和綜合連接器。采用了西門子S7-1200作為主控芯片，該芯片內部集成了中央處理器、開關量模塊、模擬量模塊、通訊模塊和以太網通訊模塊，并且具有良好的自我診斷功能，充分利用了其工作可靠、編程簡潔、使用方便、易于維護、開發周期短、體積小、功耗低等優點，完全可以滿足本系統的功能和性能需求。考慮到煤礦現場環境的特殊性，現場設備必須具備高度的可靠性和安全性。水泵電機由控制箱進行控制，為保護內部的PLC芯片，控制箱礦用煤礦專用隔爆型綜控箱，同時具備手動控制和遠程控制功能。電機啟動控制需要啟動器設備來完成，為提高系統的安全性，水泵電機由煤礦專用的隔爆型軟件啟動器進行控制。為了完成控制系統中各設備的互連，系統采用了LFSSII-40綜合連接器，使系統的結構更加緊湊，提高系統性能。

3.3.2 數據采集系統設計

根據井下排水的特點，本文設計了水位傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、電壓與電流傳感器等檢測模塊，可以實現對水倉液位、管道流量、出口或入口水壓、井下溫度、以及電機電壓電流等物理量的采集，基本可以為整個自動排水系統的科學運行提供完整的基礎參數。采用XFH-D9000型超聲波液位計對水位進行連續采集，輸出4～20mA標準電流信號，通過線性變換后轉換成水位值；采用TC-ZND型電磁流量計來實時采集水管內的流量，經線性變換后轉換成流量值，通過RS485接口與主控單元進行通信；環境溫度檢測選用了目前工業領域廣泛采用的 PT100 熱電阻溫度傳感器；溫度采集用GWP200-M表面式溫度傳感器；壓力檢測采用GYD60-Y2型壓力傳感器，作為電動閘閥的基本控制信號，該傳感器也輸出4～20mA的標準電流信號。

3.4 系統軟件設計

3.4.1 主程序設計

主程序是對所有元器件和設備狀態進行統一協調，通過內容邏輯的設計完成井下排水流程。系統軟件設計了豐富的控制功能和人機交互功能，包括設備地址的設置、運行參數的設備、預警上下限的設置、“避峰填谷”節能算法、水泵調度與輪換、開關狀態檢測、故障報警等等，大大提高了系統的自動化水平。

3.4.2 “避峰填谷”算法設計

“避峰填谷”就是要避開水位高峰，迅速排水以保證井下作業安全，但水位過低時則無需立即啟動水泵缺水，以節約能源。因此井下水位參數的實時監測是實現“避峰填谷”的重要前提。本文把井下水倉劃分為5個水位節點，也就是6個水位區段，其中1號節點位于倉底，5號節點位于倉的上部作為預警上限值。將6個區段的水位平均上升速度預先寫入PLC內存中，供程序查表使用，同時把井區的水文資料一同存入PLC內存，作為各區段水位上升速率限值的依據。當水位位于2號節點以下時，此時無需開啟水泵，以實現“填谷”。當監測到當前水位已達3號節點，可開啟1臺水泵正常排水；當水位上升到4號節點，需開啟兩臺水泵排水，以實現“避峰”；如果水位達到5號節點，應開啟全部水泵排水，同時發出預警信號，提醒井下作業人員做好安全措施，直到水位下降到2號節點以下才解除預警。

3.4.3 水泵輪換算法設計

實際應用中，井下一般至少配備三臺水泵可同時用于排水作業，但正常情況下，為了節約能源，不需要三臺水泵同時排水。若反復開啟同一臺水泵，另外兩臺水泵處于閑置狀態，會造成資源利用的不均衡，反復使用的水泵其壽命將迅速下降，因此設計了水泵輪換算法，使各臺水泵輪流工作，保證設備壽命水平。為了實現該方案，每臺水泵需要占用PLC內部的2個寄存器，分別存儲該水泵的運行時間和次數，每次需要啟動時，只需要啟動時間和次數最少的水泵即可。

4 結語

本系統在某煤礦進行了為期一年的試運行，各項功能均保持正常，實現了井下排水的自動控制，同時通過避峰填谷”和“水泵輪換”的算法，使系統耗電量減少了12%。該系統還能在沒有人干預的情況下滿足較復雜的涌水情況，大大提高了井下作業的安全性，實現了井下排水系統的可靠、經濟運行。