基于PLC的煤礦自動化排水控制系統設計

鄭華華

（陽煤集團一礦機電工區， 山西 陽泉 045008）

引言

傳統的煤礦通常依靠人為操控水泵的運行及關閉來完成井下排水任務，這種方式存在效率低、耗能大、水泵啟停不及時等問題，且操作過程復雜，人工勞動強度大[1]；而國內現有的自動化排水系統，排水參數檢測精度低，排水過程中無法實現對水泵的科學調度[2-3]，同時在監測過程中未能充分利用手機等智能便攜設備的通信優點，在遠程監控排水系統方面仍有較大提升空間。因此本文針對目前排水系統存在的問題，提出了一種基于PLC的煤礦自動化排水控制系統，可遠程操控水泵的自動運轉并實現水泵的科學調度。

1 控制系統結構

1.1 系統結構組成

自動化排水控制系統主要由四部分組成，即地面監控中心、蓄水池監測分站、工業以太網與井下泵房監控單元，系統結構組成如圖1所示。井下泵房監控單元作為排水控制系統的核心，由井下監控主站、傳感器和信號接收裝置等構成。井下監控主站以西門子S7-300系列PLC作為核心控制部件，負責井下涌水量、水倉容積、水位變化率、電壓、電流等參數的接收、處理與控制，同時利用以太網將井下數據傳遞給上位機。其中，為保證較高的水位檢測精度，系統采用了投入式液位傳感器和超聲波液位計來完成水位的檢測。

圖1 控制系統結構組成

1.2 系統硬件連接

硬件部分主要包括PLC模塊、上位機、傳感器、電機及閥門等電動設備，硬件連接如圖2所示：

圖2 硬件連接圖

1）PLC模塊處理單元，作為系統的核心組件，具備數據運算、存儲、處理功能，依據運算結果，完成水泵的運行和關閉。

2）高壓柜綜保模塊單元，對電機的電壓、電流等運行參數進行收集，并通過通訊接口將運行參數傳遞至PLC處理模塊，實現對電機的故障保護。

3）執行部分，由就地控制箱、閥門控制柜和系統控制柜組成，具有操控放水閘閥、配水閥、電動球閥等設備運行的功能。

4）監測部分，包括監測設備和開關量信號等，開關量信號是由放水閘閥、配水閥以及電動球閥等設備提供。

5）上位機監控系統，具有操作記錄、故障報警、信息查詢等功能，將排水系統中水泵、電動球閥、放水閘閥等設備的運行及井下排水情況進行直觀的顯示，也是工作人員操控排水系統的平臺。

2 控制系統功能

2.1 兩種控制方式

控制系統分為就地、遠程兩種控制方式。就地控制包括手動和自動兩種工作方式，手動工作方式下，水泵系統中相關設備的運行和關閉由井下泵房的人員通過就地操作臺上的相應按鈕進行操作；自動工作方式下，通過操作臺上的啟動或關閉按鈕，水泵系統中相關設備按照設定好的PLC程序進行運行或關閉。遠程控制流程如圖3所示，包括手動、半自動、全自動三種運行方式，該方式下水泵系統中相關設備的運行和關閉由地面監控中心控制，工作人員可實時監測設備運行中的各種參數。

圖3 遠程控制原理流程圖

2.2 數據采集與展示

上位機監控畫面可以直觀地顯示排水系統中水泵、電動球閥、放水閘閥等設備的狀態參數，同時以動畫的形式模擬水倉水位、管路水流的運行情況。當系統運行發生故障時，上位機監控系統發出故障報警信息并將故障情況進行自動存檔。還可以分別統計排水系統中相關設備的運行時間和用電量等信息。

2.3 智能控制

為達到減少煤礦電費支出的目的，該系統通過建立合適的數學模型獲得了更準確的涌水量數值，依據“避峰就谷”原則，對水泵實行科學調度，合理安排水泵的運行和關閉，減少電網高峰期下的煤礦排水系統用電量。

2.4 保護功能

為減少排水過程中相關設備的損壞率，該系統設有真空度監測保護、PLC故障保護、電機參數保護、電流電壓保護與超溫保護等功能。當排水系統發生故障時，上位機監控系統及煤礦井下現場發出故障報警信息，工作人員依據報警故障信息可快速找出故障源，及時進行故障的處理。

3 手機監控端系統

該系統利用手機等智能便攜設備的通信優點，在遠程監控系統方面增設了手機監控端系統。在遠程監控系統服務器中設置數據庫，排水系統中井下水位、電壓、電流等參數通過組態軟件傳遞到數據庫中；手機客戶端以輪詢的方式讀取數據庫中的相關排水參數，并將這些參數與安全值進行比對，如果在規定的時間內存在較大差值，則該客戶端就會以手機振動的形式通知工作人員有潛在故障發生[4]。手機監控端系統實現了井下排水參數易于監測及快速傳遞等功能。

4 結論

本文設計的使用S7-300PLC作為井下控制核心的一種自動化排水控制系統，通過實時監測最大涌水量、水倉容積、水位變化率、電流、電壓等參數，可遠程操控水泵的自動運轉并實現水泵的科學調度，同時增設手機監控端系統，解決井下排水參數監控與傳遞過程中受時間和地點的限制問題，實現排水參數易于監控和快速傳遞等功能。該系統安全穩定、便于操作，在保證煤礦安全生產的前提下，提升了煤礦排水系統的自動化水平。

（編輯：李媛）