基于PLC的礦井自動化排水系統(tǒng)控制研究

楊自欣?和雪夢

摘 要：在煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)期間，由于煤層的持續(xù)開采使地層結(jié)構(gòu)發(fā)生一定變化，地下儲水層與采區(qū)貫通以后會涌出大量的水，誘發(fā)井下透水事故，威脅井下生產(chǎn)安全。排水系統(tǒng)作為礦山生產(chǎn)系統(tǒng)中極其重要的組成部分，通過排水設(shè)備及管道能夠?qū)⒌V井的地表水、斷層水、老空積水等廢水排到地面，保障礦山深部生產(chǎn)安全，為井下生產(chǎn)營造良好的環(huán)境。PLC技術(shù)作為一種全自動控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)水倉水位的高低、礦井用電信息等因素，建立數(shù)學(xué)模型，合理調(diào)度水泵運行，從而提高排水系統(tǒng)的自動化程度和可靠性，達(dá)到避峰填谷及節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù);礦井生產(chǎn);自動化排水系統(tǒng)

礦井排水系統(tǒng)是井下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，利用PLC技術(shù)實現(xiàn)礦井排水系統(tǒng)自動化控制，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)水倉泵房無人值守，減輕職工勞動強度，而且能夠?qū)崿F(xiàn)按需科學(xué)排水，節(jié)約電費支出。

1 礦井排水系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制的重要意義

在煤礦生產(chǎn)單位中，排水系統(tǒng)作為礦井安全生產(chǎn)的重要保障，不僅要保證井下斷層水、老空積水以及廢水的正常排放，而且要滿足透水事故的應(yīng)急功能和洪澇災(zāi)害的防治工作。相關(guān)單位通常會在礦井內(nèi)敷設(shè)排水溝或排水管道，將井下的水匯集到中央水倉，再通過井下泵房的排水設(shè)備將井下水排至地面。井下泵房不僅有著較大的勞動強度和較差的工作環(huán)境，而且存在監(jiān)視不到位的現(xiàn)象，造成系統(tǒng)低效運轉(zhuǎn)，設(shè)備故障時有發(fā)生，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。利用PLC技術(shù)達(dá)到礦井自動化排水能夠真正實現(xiàn)礦井泵房無人值守自動化，PLC作為一種全新的高效自控裝置，替代了傳統(tǒng)的繼電器，通過控制中心的顯示器能夠?qū)崟r監(jiān)控水泵運行的流量、溫度以及水位等參數(shù)，利用通訊設(shè)施能夠?qū)崿F(xiàn)排水系統(tǒng)的故障檢測和系統(tǒng)測試，使用控制模塊能夠?qū)崿F(xiàn)主機遠(yuǎn)程操控排水泵，滿足不同時期的排水要求。礦井排水系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制，不僅保障了排水工作的可靠性和穩(wěn)定性，而且減輕了人力勞動，節(jié)約了電費開支，對于實現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)有著十分重要的意義。

2 基于PLC的礦井自動化排水系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

1）信息采集模塊。該模塊有數(shù)字量檢測采集和模擬量檢測采集兩個作用，其中數(shù)字量檢測采集主要是檢測機電設(shè)備的運行狀態(tài)，采集排水設(shè)施的信息參數(shù)，包括對啟動柜真空斷路器和接觸器進(jìn)行狀態(tài)檢測，對電動閥門的啟閉位置進(jìn)行檢測，對電抗器工作的情況進(jìn)行檢測，對水泵振動數(shù)據(jù)和電動機的軸轉(zhuǎn)參數(shù)進(jìn)行信息采集;模擬量檢測采集主要是檢測排水系統(tǒng)配置的電量、溫度、振動、液位、流量等傳感器和檢測儀器，對電流大小、水倉水位、水泵流量、電機溫度等信息采集，并通過通訊網(wǎng)路將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息和檢測結(jié)果向PAC控制系統(tǒng)進(jìn)行上傳，讓控制中心的工作人員能夠?qū)崟r掌握現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)和排水動態(tài)。

2）啟停控制模塊。啟停控制模塊需要準(zhǔn)確獲取井下水文情況，以免出現(xiàn)誤操作。該系統(tǒng)除了在排水倉內(nèi)布置了開關(guān)量傳感器和水文傳感器以外，還布置了模擬量傳感器，以便于對井下水文變化進(jìn)行實時監(jiān)控，并不間斷向PLC/PAC等模擬量傳輸檢測信息。系統(tǒng)通過根據(jù)接收的信息將水文信號劃分為多個時段，計算出水倉水位在不同時段內(nèi)可能出現(xiàn)的增長速率，并對水泵啟停的上下限進(jìn)行合理設(shè)定，水泵在高水位時自動啟動，在低水位時自動停止，當(dāng)水位超限時能夠及時發(fā)出警報，避免水流倒灌引發(fā)水泵和電動機故障。排水系統(tǒng)自動啟停控制不僅降低了礦井電能消耗，而且實現(xiàn)了“避峰填谷”，最大程度的減少礦井涌水問題的出現(xiàn)。

3）上位機監(jiān)控模塊。該模塊是人機交互的模塊，能夠向編程數(shù)據(jù)庫存儲現(xiàn)場監(jiān)控獲取的水泵、水倉、水位等數(shù)據(jù)參數(shù)，并生成參數(shù)報表，通過視圖方式展現(xiàn)在操作人員面前，數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)后生產(chǎn)調(diào)度和值班干部能夠?qū)蟊磉M(jìn)行查看、分析和下載。同時還可接受來自啟停控制中心下達(dá)的指令，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作。在設(shè)計數(shù)據(jù)庫時要采用6.55以上模塊的上位機軟件，以確保語言處理能力強大和設(shè)備支持庫豐富。

4）自動輪換模塊。在排水系統(tǒng)中，為了防止水泵意外停機故障的發(fā)生，相關(guān)單位通常會采用“一用一備”的方式，安裝備用排水泵和電動機。隨著礦井自動化水平的不斷提升，礦井涌水現(xiàn)象很少出現(xiàn)，因此造成備用系統(tǒng)長期閑置。由于井下環(huán)境惡劣，生產(chǎn)條件復(fù)雜，備用設(shè)備受多塵、潮濕環(huán)境的影響出現(xiàn)老化、短路等現(xiàn)象，從而降低自身工作性能。PLC系統(tǒng)的自動輪換模塊能夠按照依據(jù)以往運行參數(shù)按照一定順序?qū)υ谟迷O(shè)備和備用設(shè)備進(jìn)行依次開啟和關(guān)停，確保設(shè)備的平均使用，從而提高設(shè)備使用率，延長設(shè)備使用壽命。

5）動態(tài)顯示模塊。將觸摸式顯示技術(shù)應(yīng)用于自動化排水系統(tǒng)中，能夠?qū)崟r準(zhǔn)確的顯示水泵、真空泵、電磁閥等排水系統(tǒng)組成部分的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，采用改變圖形顏色和閃爍功能進(jìn)行事故報警。動態(tài)顯示模塊能夠?qū)﹄姶砰y和電動閥的開閉位置直觀地顯示，對水泵抽真空情況和壓力值進(jìn)行實時顯示，將水倉水位通過圖形填充或數(shù)字形式準(zhǔn)確動態(tài)地顯示出來，并按照超低段、低段、高段、超高段水位通過不同音響形式設(shè)置分段預(yù)警，避免水位過高或過低損壞水泵和電機。

6）網(wǎng)絡(luò)通訊模塊。該模塊集成了數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備監(jiān)測、操作控制等多種功能，主要功能是通過通訊接口、通訊協(xié)議和觸摸屏相互合作，實現(xiàn)各模塊的全過程通信，共同完成參數(shù)傳遞和圖像傳輸，將現(xiàn)場情況以動態(tài)方式展現(xiàn)給操作人員。操作人員可利用通訊網(wǎng)絡(luò)向水泵控制器發(fā)出信號，手動控制現(xiàn)場設(shè)備的啟停。

3 礦井排水泵自動控制實踐

1）水位自動監(jiān)控。該環(huán)節(jié)是對吸水井的水位進(jìn)行實時監(jiān)測，以便根據(jù)水位的高低監(jiān)測情況自動發(fā)啟、停水泵命令。系統(tǒng)采用投入式水位傳感器監(jiān)測水位，采集信號以模擬量形式輸送給PLC控制器，PLC控制器根據(jù)采集的水位信號和設(shè)置的控制程序自動控制水泵的啟停。

2）射流抽真空控制。排水泵只有在其葉輪完全淹沒于水中的情況下，泵體內(nèi)部才能靠葉輪高速旋轉(zhuǎn)造成必要的真空度實現(xiàn)正常排水。假如真空度不夠，泵內(nèi)就有空氣存在，將會造成不上水和轉(zhuǎn)動部件“干燒”等故障。

3）電動閘閥電動機自動操縱。為減小排水泵電動機啟動功率，其排水泵操作規(guī)程規(guī)定離心式水泵一定要關(guān)閉出水閘閥啟動。當(dāng)水泵停車時，為避免出現(xiàn)水錘事故，必須先關(guān)閉閘閥，再緩慢減小流速，最后停泵。

4）設(shè)備運行參數(shù)監(jiān)測。在水泵啟動或運行過程中，要實時監(jiān)測設(shè)備運行的相關(guān)參數(shù)。監(jiān)測的主要參數(shù)為：入口真空度、進(jìn)水管流量、出口壓力、電機電流和電機溫度等。參數(shù)不正常時，要及時停泵，轉(zhuǎn)為啟動另臺水泵運行。

5）自動排水系統(tǒng)控制。在日常生產(chǎn)中，水位傳感器監(jiān)感應(yīng)到設(shè)定水位后，向 PLC控制器傳遞信號，PLC控制器輸自動作出判斷并向抽真空電磁閥和射流泵發(fā)出啟動信號，對排水泵抽真空。隨后PLC控制器接收到真空傳感器監(jiān)測的信號，滿足運行要求后自動啟動排水泵電機，啟動閘閥，開展排水作業(yè)，抽真空設(shè)備自動關(guān)閉。當(dāng)水倉水位達(dá)到下限時，傳感器向PLC控制器輸出信號，驅(qū)動閘閥關(guān)閉，關(guān)閉排水泵電動機。

4 結(jié)束語

綜上所述，基于PLC的礦井自動化排水系統(tǒng)控制真正實現(xiàn)了水位檢測的實時性和準(zhǔn)確性，同時實現(xiàn)了泵房的無人值守的效果，對煤礦企業(yè)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行具有十分重要的意義。煤礦企業(yè)應(yīng)根據(jù)井下實際情況，優(yōu)化進(jìn)一步監(jiān)測設(shè)備與信息采集系統(tǒng)，確保礦井排水系統(tǒng)正常運行，為礦山安全高效發(fā)展提供必要保障。

參考文獻(xiàn)

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