基于PLC的礦井水泵自動化控制系統研究

范紅斌

[摘? ? 要]結合傳統礦井排水系統存在的應急性差、安全隱患大等問題，結合PLC技術，針對排水系統進行自動化設計，借助傳感器等設備，實現實時水位自動監測，促進礦井排水系統向現代化、自動化方向發展，從而為煤礦等實現安全、穩定發展提供了更多助力。

[關鍵詞]PLC;排水系統;水泵;自動化控制

[中圖分類號]TP273 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）10–00–02

Research on Automatic Control System of Mine Water Pump Based on PLC

Fan Hong-bin

[Abstract]Combined with the problems of poor emergency and large potential safety hazards existing in the traditional mine drainage system， combined with PLC technology， automatic design is carried out for the drainage system， real-time automatic water level monitoring is realized with the help of sensors and other equipment， so as to promote the development of mine drainage system in the direction of modernization and automation， so as to provide more help for the safe and stable development of coal mines.

[Keywords]PLC; drainage system; water pump; automatic control

1 現階段礦井水泵控制系統現狀

傳統的煤礦井下主排水泵房控制系統都是采用繼電器操控技術實現管控，依靠人力來進行調節，通過切換水泵的啟停開關操縱排水系統運作。此種方式無法精確、實時地監控排水系統設備工作運行狀況，也不能自動依據水倉水位等參數自動進行運作，需要耗費更多的人力物力且管理維護困難，如果出現人為失誤，很容易發生安全事故。基于此，結合科技發展水平，依據當前煤礦的實際需求，實現排水系統自動化運行是當前的重點任務。現階段，在技術理論的支持下，提出了基于PLC、傳感器等電氣元件對主排水泵的控制系統優化升級的策略，且已經取得了一定的成就。

2 井下自動化排水系統具體內容闡述

2.1 井下排水系統工作原理

井下排水系統主要由以下4個部分組成：信號采集部分、綜合控制器、操作臺及執行設備。在排水系統中，水泵是核心部件，在整個系統運行中發揮了不可替代的作用。

2.2 井下排水系統組成

礦井井下的中央水泵房中布置了5臺離心泵，其中2臺水泵承擔日常工作任務，2臺為備用水泵，最后一臺在檢修維護時發揮作用，有3條與井下中央水泵房水泵相連的排水管路，其中每一臺水泵都連接2條管路，此種方式可有效避免排水系統出現完全失靈的情況。井下水泵的具體工作流程包括以下步驟：①判斷水位，如果水位超過標準高度，與射流泵相連的電磁閥便會自動開啟并發揮效用;②射流泵會向水泵中注水，隨著水流不斷注入，離心泵入口處的真空度壓力值逐漸增加，當壓力值達到設備預設的設備啟動閾值時，會驅動水泵電機開始工作;③當水泵出口的真空度壓力值達到預設標準壓力值時，水泵出口處的電動閥門啟動，水泵中的水流開始向排水管路中涌入，當水流排出之后，排水水泵工作完成，在停機之前，需要保證在出口處的電動閥關閉之后，才能關閉水泵電機。

2.3 井下自動化排水系統運行特點

當系統中的組成部件出現故障時，自動控制體系會及時發出預警，同時自行根據故障部位進行切換，應用正常運行的管路執行排水工作。同時，基于PLC設計的系統設置可自動錯開用電高峰，從而避免由于電壓過低而導致工作效率受到影響，盡可能保證排水系統在用電低谷時期及平穩期進行運作。當工作時，會利用排水管路將水倉中的水位下降到水位低位，保證水倉有足夠的空間承載不適宜排水時段的水量，通過這種方式實現科學規避用電高峰。另外，基于PLC設計的自動化系統還具有手動控制功能、半自動控制及全自動控制3種控制方法，可靈活地結合實際情況進行調控。例如，在對水泵等進行檢修時，可采用手動控制模式，便于調試及檢測各項功能。最后，此系統可借助布置在上機位的動態軟件，實現對水泵及附屬部件的實時監控，更為全面地對井下水倉水位、排水系統中的流量、壓力等進行檢測，并在顯示屏上展現數字，同時動態軟件還具備數據存儲及故障報警等功能，通過相關軟件的支持，可有效實現科學、全面管控，最大限度地降低事故發生頻率。

3 基于PLC的礦井水泵自動化控制系統設計

3.1 水位自動監測與控制

水位自動監測是借助水位傳感器來實現自動監測功能的排水系統組成部分，其借助自動傳感器對水位進行判斷，并與系統設置的標準水位進行比較，當水位達到標準高度時，可以觸發水泵啟動、水泵停止命令。為了更好地進行闡述，將水位分為5個高度，分別為H1～H5。其中H2為排水水位，當水倉中的水到達此高度時，排水系統開始工作，啟動水泵進行排水作業。H4為警戒水位，此時水倉積水過多，需要至少啟動兩臺水泵進行排水作業才能滿足排水需求。H5為極限水位，此時水倉已經達到極限，需要啟動所有水泵進行排水作業，同時會給予“儲水倉水位達到極限”的警告。對于水位高度的信號是由傳感器獲取，然后將信號傳輸給PLC，為了保證傳輸過程安全，選擇采用超聲波液位計+本安數字式水位開關實現水位信息收集。其中超聲波液位傳感器主要是借助超聲波技術進行水位高度檢測，其獲取的信息數據更具真實性且不易于出現錯誤。而本安數字式水位開關安裝于吸水井中，作為防止水位過高的保護設備。

3.2 工作模式設計

為了更好地滿足排水系統自動控制需求，結合礦井下作業情況，將工作模式設置為兩種：遠程操作模式和就地操作模式。遠程模式可滿足遠距離操作系統的要求，便于在發生意外情況時及時作出處理，兩種模式之間可通過旋轉按鈕便捷地進行切換，通過上述設計，最大限度地滿足排水系統的實際需求。同時，將排水系統的工作方式設置為自動、半自動及手動3種，可結合實際情況靈活進行切換，這3種工作方式可以滿足大部分的工作場景。

3.3 水泵自動控制策略

為了保證自動化系統可以正常運行，設計了工作、備用、檢修3類水泵，以儲水倉的水位為基準，在系統中預設相關參數，從而借助傳感器和開關的支持，實現排水系統水泵全自動運行和自動開啟關閉，從而有效節約人力。自動化控制系統可自動結合儲水倉水位、涌水量等信息，自行開啟水泵并選擇水泵工作臺數，確保水泵可滿足排水需求，盡快地促使水位回到安全線以下，并酌情減少水泵運行臺數，達到節能的目的。在水泵實現自動控制時，可結合實際情況，選擇“高低水位”控制、“水泵輪換工作”控制、“避峰就谷”控制策略，盡可能地保證排水工作穩定運行。當水倉水位達到低限時，或者水泵輪換時間定時停止時間達到時，可自行關閉水泵，此舉措可有效降低能耗。另外，采用“避峰就谷”控制方式時，水泵可結合設計要求，在未達到儲水倉警戒水位H4之前不會運行，等到用電低谷時期再進行排水工作。

3.4 PLC軟件控制流程

基于PLC設計的排水系統，PLC軟件結合水倉、水位等數據，可以科學調控工作水倉、備用水倉及檢修水倉。當PLC程序運行時，第一步需要進行系統初始化，靈活地結合實際情況，設置各種參數。例如：儲水倉水位參數設置、控制模式/控制方式設置等。利用超聲波液位傳感器實時進行水位監測，通過線路連接，傳感器可及時將水位信息傳輸到PLC程序中，然后對數據信息分析。當水位高于下限值H1時，系統做出反應，開啟水泵進行排水工作。開啟工作水泵后，如果流入儲水倉的水量大于排出儲水倉的水量，即超聲波液位計實時檢測出的水位還在不斷上升，PLC程序會及時做出反應，認為排水量無法滿足需求，此時會開啟備用水泵協助工作泵進行排水作業。如果儲水倉的水位超過警戒水位H4，則會將檢修水泵也投入工作并發出警報，提醒相關人員注意。

4 系統設計院應用實際情況

為了驗證上述設計的實際作用，將此設計的排水自動化系統在某煤礦中進行應用，結合實際情況，探究其發揮的實用性。結合相關數據，某礦井在涌水期中正常涌水量為657.9 m3/h，且日排水時間為12.90 h，在正常涌水量中，只開啟工作水泵便能滿足實際需求。該礦的最大涌水量為1 040.2 m3/h，日排水時間為10.01 h，此時需要同時開啟工作、備用、檢修水泵才能滿足需求。礦井所在區域在每天的16：30—次日7：30為用電低谷時段，基于這些信息，將其設置為自動模式便能完成排水任務。該礦井采用自動化控制系統后，較傳統的控制模式相比，大幅度提高了經濟收益。結合下表內容，經過對比可知，自動控制排水系統應用后，每天工作時長降低至8 h，排水系統一年的成本費用顯著降低（表1）。

5 結語

在礦井排水系統中，基于PLC技術，結合傳感器技術對礦井排水系統中的水泵部分進行自動化設計，可有效提高排水系統工作效率。當前基于PLC技術的排水系統已經得到應用，通過對水倉水位實現精確管控，有效滿足當前礦井的排水需求。

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