基于PLC 的控制系統在煤礦排水中的應用研究

周劍寧

（大連京信置業有限公司， 遼寧 大連 116033）

引言

目前，大部分礦井中的排水采用了人工與半自動化的排水系統相結合，存在人員勞動強度大、井下排水效率低、自動化排水程度低等問題，也給企業帶來了更大的費用支出[1]。為此，國家在2009 年也出臺了《煤礦防治水規定》文件，規定需實現井下自動化、無人化的自動排水遠程操作，以此推動礦井中智能化排水系統的發展。

1 礦井排水控制系統控制功能確定及排水方式選擇

1.1 控制系統主要功能

根據當前的排水現場，需設計一套礦井排水自動控制系統，系統的主要功能包括如下幾點[2]：

1）系統需具有較快的計算、分析能力，數據采集精度較高，信息處理量大；

2）能夠對礦井中水位高度、關鍵設備溫度、工作壓力等關鍵參數進行實時采集和分析處理；

3）能對各類參數進行界面的實時顯示和系統異常的聲光報警提示，并對故障類型及故障發生點進行定點提示；

4）能對整套排水控制系統進行遠程、無人化自動控制操作，根據避峰填谷的方式進行排水泵的自動啟?？刂?；

5）具有與礦井智能化工作面集成的通訊接口，以便后期能加入至智能化工作面的建設中。

1.2 排水方式選擇

排水系統包括直接排水和分段排水等方式，其中，直接排水具有系統結構簡單、所需排水泵數量小、基建及運行費用少、維護工作量小等特點。由于大部分礦井的涌水量較小、水平高度低等特點，故此次研究主要選用直接排水的方式進行排水系統分析，即通過設計多個排水泵，經過控制系統對礦井中液位高度進行檢測后，啟動排水泵，開始對礦井中地表水進行抽取排放，所抽地表水直接排至于專門的排水通道中[3]。

2 礦井排水控制系統總體方案設計

結合礦井中排水現狀，設計了一套基于PLC 的井下排水自動控制系統。該系統主要包括了地面水泵集中監控系統、以太網網絡系統、PLC 控制柜、集中操作箱、現場檢測設備等，其中，現場檢測設備包括了液位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、指示燈等，主要負責對井下液位高度、設備工作溫度、出水及水泵的壓力等參數進行實時采集，通過RS485 傳輸至至本地控制箱和PLC 控制柜中進行信號的A/D數字轉換、運算及處理[4]。PLC 控制柜中設計了克爾公司生產的隔爆兼本安監控型PLC 控制器、信號變送器、中間繼電器等，主要負責對信號進行接收、轉換和信號放大，之后傳遞至PLC 控制器中進行各類信號的運算、分析，以此發出相應的控制信號。集中控制柜則包括了現場所需的按鈕開關、蜂鳴器、電源開關、顯示屏等，能將井下排水中的相關信號在現場進行實時顯示和集中控制。地面集中監控系統主要負責接收PLC 傳輸的各類信號，通過組態界面進行各類參數的實時顯示，人員可通過此顯示界面對井下水泵執行遠程操作控制。該井下排水控制系統的總體框架圖如下頁圖1 所示。

3 礦井排水控制系統關鍵部分設計

3.1 PLC 監控分站及電動控制閥門設計

處理器是整個井下排水控制系統中的核心，選擇具有抗爆性、運行速度快的處理器，是保證控制系統高效、穩定運行的重要。為此，選擇了羅克爾公司生產的具有隔爆兼本安監控型的PLC 控制器。該控制器具有2 個1 000 MB 以上的冗余光接口，能適用于超過16 個以上的RJ45 接口，所有監測數據能通過RS485 接口進行通訊連接，開關量輸入和模擬量輸入具有32 路和8 路，可通過開關量輸入接口和模擬量輸入接口，對現場的排水數據進行實時接收采集和內部數據的高效運行處理，由此向執行單元發出控制命令，并向上機位主機傳輸相關監控數據。

圖1 煤礦井下排水控制系統總體框架圖

3.2 液位傳感器選型設計

準確獲得井下水倉水位的高度，是保證整個井下排水水倉的避峰就谷。為此，選擇了市場上成熟的GUCS10 型液位傳感器。此儀器主要采用了超聲波檢測技術對井下水位高度進行實時檢測，檢測深度可達12 m 以上，其工作電壓平臺為DC 12 V，輸出電流為20 mA，超聲波的測量范圍為0.2～0.8 m，發出扇形的超聲波[5]。

在礦井中，選擇了2 套傳感器，主要將其安裝在被測液位的上部，在通電狀態下，通過傳感器前端的探頭發出高頻的超聲波脈沖信號，所經過的空氣距離L 為儀器的檢測深度，當脈沖信號傳遞至檢測液面時會被反射回來，探頭在接收到反射波之后，將聲波信號轉換為電信號，通過儀器中的RS485 接口，將信號傳輸至PLC 控制器中進行信號的數字轉換和運算處理。其中，由于信號傳輸具有一定速度和時間差，故通過將發射和接收信號的時間差與傳輸速度相乘，即可得到水位的實際高度。液位傳感器的檢測示意圖如圖2 所示。

3.3 顯示控制箱、信號采集設備與監控分站連接設計

為實現整個控制系統中各分系統之間的相互連接，實現各類信號的實時、準確、高效傳輸，故對采集設備與監控分站、顯示控制器之間的通訊進行了連接。采集設備所輸出信號中出水壓力、真空負壓等信號與顯示控制箱之間則采用了2 芯的雙絞通信線進行端子連接，而水泵的水泵溫度、電機溫度等信號與顯示控制箱之間則通過12 芯的雙絞通信線進行端子連接，經過顯示控制箱中的PLC 處理轉換為數字信號后，將其在顯示箱中進行實時顯示。而控制箱與監控分站之間則主要通過12 芯雙絞通信線進行連接，可將采集的壓力、流量及溫度等信號進行實時傳輸。另外，所設計的液壓傳感器檢測信號則直接通過2 芯雙絞通信線與監控分站進行通訊。各部分的通訊連接示意圖如圖3 所示。

圖2 液位傳感器檢測水位示意圖

圖3 控制、采集與顯示單元之間的連接框架圖

4 礦井排水控制系統運行效果分析

結合所設計的井下排水控制系統，在曹家灘礦井中進行了實際應用測試，主要是對該系統的現場數據采集精度、水泵運行情況、信號傳輸及處理情況、系統監控顯示情況等方面進行了運行測試，測試周期為6 個月。在測試過程中，整套控制系統運行良好，液位、電機溫度、水泵真空度等信號能通過顯示界面進行實時顯示，人員可通過顯示界面對井下水泵進行遠程操作控制，各類數據運行后，能進行數據的自動保存，人員可通過查詢功能對歷史數據進行實時查詢，如下頁圖4 所示。當井下水位超過相應閥值時，系統將會發出相應的報警提示，并即可啟動排水水泵，執行排水操作；若排水過程中出現了異常故障問題，該系統也能及時將相應的故障類型及故障位置通過顯示界面進行實時顯示，人員可快速對故障問題進行故障處理。整個自動化遠程操作性相對較高，大大降低了人員的勞動強度。據該礦井負責人介紹，該控制系統的應用，一年將為企業減少將近100 萬元以上的費用支出，且大大提高了井下排水作業及操作人員的安全性，具有重要的礦井應用價值。

圖4 歷史數據查詢界面