基于PLC的礦井自動化排水系統控制研究

楊自欣?和雪夢

摘 要：在煤礦井下生產作業期間，由于煤層的持續開采使地層結構發生一定變化，地下儲水層與采區貫通以后會涌出大量的水，誘發井下透水事故，威脅井下生產安全。排水系統作為礦山生產系統中極其重要的組成部分，通過排水設備及管道能夠將礦井的地表水、斷層水、老空積水等廢水排到地面，保障礦山深部生產安全，為井下生產營造良好的環境。PLC技術作為一種全自動控制系統，能夠根據水倉水位的高低、礦井用電信息等因素，建立數學模型，合理調度水泵運行，從而提高排水系統的自動化程度和可靠性，達到避峰填谷及節能的目的。

關鍵詞：PLC技術;礦井生產;自動化排水系統

礦井排水系統是井下生產系統的重要組成部分，利用PLC技術實現礦井排水系統自動化控制，不僅能夠實現水倉泵房無人值守，減輕職工勞動強度，而且能夠實現按需科學排水，節約電費支出。

1 礦井排水系統實現自動化控制的重要意義

在煤礦生產單位中，排水系統作為礦井安全生產的重要保障，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急功能和洪澇災害的防治工作。相關單位通常會在礦井內敷設排水溝或排水管道，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境，而且存在監視不到位的現象，造成系統低效運轉，設備故障時有發生，嚴重影響正常生產。利用PLC技術達到礦井自動化排水能夠真正實現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，替代了傳統的繼電器，通過控制中心的顯示器能夠實時監控水泵運行的流量、溫度以及水位等參數，利用通訊設施能夠實現排水系統的故障檢測和系統測試，使用控制模塊能夠實現主機遠程操控排水泵，滿足不同時期的排水要求。礦井排水系統實現自動化控制，不僅保障了排水工作的可靠性和穩定性，而且減輕了人力勞動，節約了電費開支，對于實現礦井安全高效生產有著十分重要的意義。

2 基于PLC的礦井自動化排水系統控制結構

1）信息采集模塊。該模塊有數字量檢測采集和模擬量檢測采集兩個作用，其中數字量檢測采集主要是檢測機電設備的運行狀態，采集排水設施的信息參數，包括對啟動柜真空斷路器和接觸器進行狀態檢測，對電動閥門的啟閉位置進行檢測，對電抗器工作的情況進行檢測，對水泵振動數據和電動機的軸轉參數進行信息采集;模擬量檢測采集主要是檢測排水系統配置的電量、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，并通過通訊網路將現場的數據信息和檢測結果向PAC控制系統進行上傳，讓控制中心的工作人員能夠實時掌握現場設備狀態和排水動態。

2）啟停控制模塊。啟停控制模塊需要準確獲取井下水文情況，以免出現誤操作。該系統除了在排水倉內布置了開關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行實時監控，并不間斷向PLC/PAC等模擬量傳輸檢測信息。系統通過根據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可能出現的增長速率，并對水泵啟停的上下限進行合理設定，水泵在高水位時自動啟動，在低水位時自動停止，當水位超限時能夠及時發出警報，避免水流倒灌引發水泵和電動機故障。排水系統自動啟停控制不僅降低了礦井電能消耗，而且實現了“避峰填谷”，最大程度的減少礦井涌水問題的出現。

3）上位機監控模塊。該模塊是人機交互的模塊，能夠向編程數據庫存儲現場監控獲取的水泵、水倉、水位等數據參數，并生成參數報表，通過視圖方式展現在操作人員面前，數據聯網后生產調度和值班干部能夠對報表進行查看、分析和下載。同時還可接受來自啟停控制中心下達的指令，進行遠程控制操作。在設計數據庫時要采用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備支持庫豐富。

4）自動輪換模塊。在排水系統中，為了防止水泵意外停機故障的發生，相關單位通常會采用“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，礦井涌水現象很少出現，因此造成備用系統長期閑置。由于井下環境惡劣，生產條件復雜，備用設備受多塵、潮濕環境的影響出現老化、短路等現象，從而降低自身工作性能。PLC系統的自動輪換模塊能夠按照依據以往運行參數按照一定順序對在用設備和備用設備進行依次開啟和關停，確保設備的平均使用，從而提高設備使用率，延長設備使用壽命。

5）動態顯示模塊。將觸摸式顯示技術應用于自動化排水系統中，能夠實時準確的顯示水泵、真空泵、電磁閥等排水系統組成部分的工作狀態數據，采用改變圖形顏色和閃爍功能進行事故報警。動態顯示模塊能夠對電磁閥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行實時顯示，將水倉水位通過圖形填充或數字形式準確動態地顯示出來，并按照超低段、低段、高段、超高段水位通過不同音響形式設置分段預警，避免水位過高或過低損壞水泵和電機。

6）網絡通訊模塊。該模塊集成了數據傳輸、設備監測、操作控制等多種功能，主要功能是通過通訊接口、通訊協議和觸摸屏相互合作，實現各模塊的全過程通信，共同完成參數傳遞和圖像傳輸，將現場情況以動態方式展現給操作人員。操作人員可利用通訊網絡向水泵控制器發出信號，手動控制現場設備的啟停。

3 礦井排水泵自動控制實踐

1）水位自動監控。該環節是對吸水井的水位進行實時監測，以便根據水位的高低監測情況自動發啟、停水泵命令。系統采用投入式水位傳感器監測水位，采集信號以模擬量形式輸送給PLC控制器，PLC控制器根據采集的水位信號和設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，泵體內部才能靠葉輪高速旋轉造成必要的真空度實現正常排水。假如真空度不夠，泵內就有空氣存在，將會造成不上水和轉動部件“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，其排水泵操作規程規定離心式水泵一定要關閉出水閘閥啟動。當水泵停車時，為避免出現水錘事故，必須先關閉閘閥，再緩慢減小流速，最后停泵。

4）設備運行參數監測。在水泵啟動或運行過程中，要實時監測設備運行的相關參數。監測的主要參數為：入口真空度、進水管流量、出口壓力、電機電流和電機溫度等。參數不正常時，要及時停泵，轉為啟動另臺水泵運行。

5）自動排水系統控制。在日常生產中，水位傳感器監感應到設定水位后，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，抽真空設備自動關閉。當水倉水位達到下限時，傳感器向PLC控制器輸出信號，驅動閘閥關閉，關閉排水泵電動機。

4 結束語

綜上所述，基于PLC的礦井自動化排水系統控制真正實現了水位檢測的實時性和準確性，同時實現了泵房的無人值守的效果，對煤礦企業安全、穩定、經濟運行具有十分重要的意義。煤礦企業應根據井下實際情況，優化進一步監測設備與信息采集系統，確保礦井排水系統正常運行，為礦山安全高效發展提供必要保障。

參考文獻

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