煤礦井下主排水泵控制系統(tǒng)研究

古勝利

（三門峽市觀音堂煤業(yè)有限公司，河南 義馬 472300）

我國(guó)是一個(gè)煤炭資源極其豐富的國(guó)家，煤礦行業(yè)作為我國(guó)繁榮穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)在長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)的發(fā)展下也獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前我國(guó)大部分煤礦井下排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)都是傳統(tǒng)的繼電器模式。傳統(tǒng)繼電器模式下的排水系統(tǒng)自動(dòng)化程度較低，在遇到緊急突發(fā)事件時(shí)無(wú)法及時(shí)作出相應(yīng)的處理措施，難以滿足目前煤礦行業(yè)的發(fā)展需求。

一、PLC煤礦主排水泵自控系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)功能

基于PLC的煤礦主排水泵自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下幾方面的功能需求。

1.系統(tǒng)控制

主白水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)包括手動(dòng)控制、半自動(dòng)控制和自動(dòng)控制3種控制方式，其中，手動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)是以控制箱為依托的，而排水泵水流的流通方式也同傳統(tǒng)的人工控制類似。半自動(dòng)控制主要是在同時(shí)開啟多臺(tái)排水泵且進(jìn)行人工選擇后，通過(guò)對(duì)PLC程序進(jìn)行設(shè)定而實(shí)現(xiàn)的水泵啟停控制方式。自動(dòng)控制則無(wú)需人工參與，將排水泵的啟動(dòng)和停止等相關(guān)功能全部交由PLC程序來(lái)完成，最終將礦井內(nèi)的水全部排出。

2.保護(hù)功能

保護(hù)功能要求主排水泵自控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)主排水泵故障的診斷，且能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)的電流、電壓以及定子與軸承溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)值超出設(shè)定范，便會(huì)發(fā)出告警，提示操作人員停止進(jìn)行排水泵的使用。

3.排水泵各類參數(shù)信息的實(shí)時(shí)顯示

借助人機(jī)交互界面將單臺(tái)主排水泵的流量以及排水管路的總流量等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，使系統(tǒng)監(jiān)控人員能夠及時(shí)了解排水泵的排水情況。

（二）結(jié)構(gòu)層次

基于PLC的煤礦主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)主要分為3個(gè)結(jié)構(gòu)層次，分別為地面監(jiān)控層以及PLC管控層和機(jī)械設(shè)備層

1.對(duì)地面監(jiān)控層進(jìn)行設(shè)計(jì)

地面監(jiān)控層主要由電視監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)控組態(tài)軟件以及工控機(jī)共同構(gòu)成，且各系統(tǒng)和設(shè)備主要以防爆型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和PLC（可編程邏輯控制器）輔以相應(yīng)長(zhǎng)度的光纜進(jìn)行連接。其中，PLC主要負(fù)責(zé)采集排水泵的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)；工控機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)PLC及相關(guān)組件進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)；組態(tài)軟件主要負(fù)責(zé)將PLC采集的水泵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，同時(shí)做好記錄。對(duì)于地面指揮中心的操作人員而言，其只需進(jìn)行鼠標(biāo)操作，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)主排水泵不同泵組的控制。

2.對(duì)PLC管控層進(jìn)行設(shè)計(jì)

PLC管控層是主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，主要由信號(hào)采集、數(shù)據(jù)交換設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等共同構(gòu)成。對(duì)PLC在主排水泵自控系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行分析可知，其主要作用是對(duì)各類信號(hào)進(jìn)行全面的處理和分析，且通過(guò)對(duì)參數(shù)進(jìn)行記憶實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)故障的自診斷。此外，系統(tǒng)中的單片機(jī)還能夠準(zhǔn)確判斷出礦井水位，從而對(duì)開啟水泵的數(shù)量及所開水泵的啟停狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)主排水泵作業(yè)的自動(dòng)化控制。

3.對(duì)系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備層進(jìn)行設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)備層主要由吸水管道、電機(jī)以及水泵、排水管道和管道閥門共同構(gòu)成。由于基于PLC的主排水泵自控系統(tǒng)大都是在原有系統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的，因此，只需對(duì)部分設(shè)備做出相應(yīng)改動(dòng)即可。需要說(shuō)明的是，除了字排水、吸水管道、水泵和電機(jī)等方面進(jìn)行相應(yīng)結(jié)構(gòu)變更使其滿足液面?zhèn)鞲衅骱蜏囟葌鞲衅鞯仍O(shè)備的安裝需求外，還應(yīng)以可控電動(dòng)閥門替換原有的注水與排水閥門，并通過(guò)保留人工操作方式以確保系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，主排水泵仍然能夠正常運(yùn)行。

二、基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用

（一）PLC程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)PLC程序首先對(duì)硬件模塊組態(tài)和軟件調(diào)試。生成網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)模塊，并對(duì)各模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)確定硬件模塊組態(tài)的輸入/輸出模塊(I/O模塊)地址，奠定良好的順序控制程序編制基礎(chǔ)。啟動(dòng)PLC后應(yīng)進(jìn)行初始化設(shè)置，在進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)控制設(shè)計(jì)，進(jìn)入系統(tǒng)控制程序流程。控制程序流程由水倉(cāng)水位與運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)、水泵機(jī)組啟停、故障診斷與報(bào)警和故障啟停等模塊構(gòu)成，整套控制程序流程。應(yīng)用STEP7軟件采取在線連接方式對(duì)下載編制好的程序進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)程序運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、對(duì)數(shù)據(jù)強(qiáng)制更新和輸入/輸出信號(hào)的強(qiáng)制開/關(guān)等功能。

（二）組態(tài)軟件程序設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件程序的設(shè)計(jì)是生成人機(jī)交互界面，便于開展實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。應(yīng)用西門子的WINCC自動(dòng)化監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)程序，可生成標(biāo)準(zhǔn)化輸出/輸入域、棒圖、趨勢(shì)圖和矢量圖等，同時(shí)具有動(dòng)態(tài)性能的屬性，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的可視化監(jiān)控，通過(guò)人機(jī)交互界面顯示集成消息和故障診斷信息。水泵操作工只需通過(guò)設(shè)備顯示觸摸屏就可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的可視化控制。并通過(guò)光纜與地面上位機(jī)進(jìn)行同步通信，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

結(jié)束語(yǔ)

在煤礦礦井開采過(guò)程中時(shí)常會(huì)出現(xiàn)地下水涌現(xiàn)的狀況，為了保證礦井下工作人員的安全和煤礦挖掘工作的順利進(jìn)行就需要使用排水泵將礦井內(nèi)的積水及時(shí)抽出。由此可見在煤礦開采過(guò)程中排水設(shè)備是不可或缺的，而實(shí)現(xiàn)煤礦排水泵的自動(dòng)化控制管理是目前機(jī)械自動(dòng)化進(jìn)程的必然趨勢(shì)和煤礦開采生產(chǎn)的實(shí)際需求。因此對(duì)PLC技術(shù)下的煤礦主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳盡的分析與研究對(duì)于提高煤礦挖掘生產(chǎn)具有深刻的現(xiàn)實(shí)意義。