基于PLC 的自動排水系統的設計與應用

王可樂

（鄂爾多斯市伊化礦業資源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017300）

1 引言

井下采掘期間，若采掘空間與導水、富水結構導通或者煤層內涌水量迅速增加，則會引發突水事故。因而為提高煤礦生產安全，很有必要對煤礦井下排水系統進行嚴格的監控，為其持續平穩運行提供支持。本文針對鄂爾多斯市伊化礦業資源有限責任公司所面臨的這些問題進行分析[1-6]，設計了一套基于PLC 的排水泵自動控制系統，從而為這種排水系統的高效平穩運行提供支持，且更好地滿足可靠性要求。

2 井下排水系統概述

伊化礦業資源有限責任公司的中央水泵在設計時選擇了7 臺MD720-60×12 型離心泵，正常運行過程中，3 個水泵運行，3 個備用，另有1 臺檢修，涌水量達到最大時5 臺水泵同步運行。主排水管選擇5 趟Ф377，正常運行時3 趟工作，其余的備用，涌水量最大時5 趟全部同步運行。

應用PLC 器件進行現場控制，通過DY1151 型電容式傳感器采集水泵相關信息，據此對水泵進行控制。此系統雖然也有一部分自動開停水泵的功能，但自動化程度較低，不能根據水位信號自動開停水泵。盤區水泵房水泵控制系統在原有基礎上進行了升級，可基于水位信息對水泵進行自動控制。不過具體分析可知這種系統只具有根據水位自動排水功能，自動啟動前還需提前開啟出口閥門和管線閥門，也不能考慮多重因素，無法與中央水泵房控制系統、區域中轉水倉控制系統及與各安全監控子系統聯動，存在一定的局限性。因而在研究過程中應該綜合分析礦井實際情況，適當地優化排水系統，從而顯著地提高其安全性和可靠性，也為其集成控制提供支持。

3 基于PLC 的自動排水系統設計

系統在運行過程中，信號輸入輸出、與上位機的數據交互都通過可編程控制器實現，對應的模擬輸入信號包括水流量、真空度、主排水倉水位、出水壓力，而電動閥以及電機的開關狀態等為數字輸入信號。可編程控制器在控制時，相關數字輸出信號包括水泵電機的啟停信號和射流泵、排水管電動閘閥的狀態信號等。PLC 自動排水系統結構組成如圖1。

圖1 PLC 自動排水系統結構組成

（1）基本控制策略

為提高系統的運行性能，且具體分析井下狀況而確定出適宜的控制方式：主要包括全自動控制、本地和遠程手動控制。以下對各種控制模式進行簡介。

全自動控制：即采集水倉水位數據，然后在“避峰填谷”規則指導下進行狀態切換。

就地手動控制：在本地通過手動模式來控制水泵運行狀態。

遠程手動控制：通過控制臺或上位機控制水泵的啟動和停止。

系統在運行時，各種模式下都可進行實時監控。

（2）系統聯動控制策略

在全自動控制狀態下，中央水泵房、盤區水泵房控制系統、區域中轉水倉控制系統與其他系統聯合運行，各系統之間共享監測數據，根據涌水量大小、水倉大概入水流量，利用模糊控制方法確定開泵臺數和時間，自動開停水泵，聯動運行，盡量減少水泵開停次數，然后在綜合自動化系統中接入系統狀態信息。

（3）水位自動監控和“避峰填谷”

在水位監控時主要是基于水倉水位信息進行控制，而輸出指令進行水泵控制，從而實現“避峰填谷”功能。這樣可以提高系統運行效率，同時也減少能耗。“避峰填谷”含義為控制水泵處于“谷段”和“平段”模式下，控制水位到低位，從而顯著提高容積，使其在“峰段”接收的礦井涌水最大。設置H1、H2、H3 三個水位，分別對應低水位、中水位、高水位。水位到達H2，在“峰段”時不開泵，在“谷段”和“平段”開泵；水位到達H3，在“峰段”開2 臺泵，在“谷段”和“平段”開3 臺泵。

（4）水泵和排水管路輪換工作方式

在實際運行控制時，為避免備用泵長時間不使用而導致電機受潮等故障，在設計過程中選擇“輪換工作制”，從而及早地發現和處理故障。在運行過程中控制程序可以自動地記錄水泵啟停次數和時間相關的信息，在一定順序模式下啟停水泵和管路，從而控制其使用率保持均勻。在運行時，某個泵或閥門故障條件下，系統進行報警提示，而將相應的泵和管路退出，其余的依然正常輪換運行。

（5）水泵自動開啟和停止控制

離心泵的啟停相對復雜，這種系統在控制時需要對離心泵進行高效的啟停，自動抽真空，測量真空度，檢測排水管壓力，對閥門進行自動控制。離心泵啟動程序圖如圖2。

圖2 離心泵啟動程序圖

（6）實時監控

在生產調度指揮中心設置上位機，利用組態軟件監控井下主要地點排水信息；可對其他系統獲取的信息進行動態顯示，相關的參數主要包括水泵壓力、水倉水位、管路靜壓、電機電流以及電磁閥狀態等；出現故障時，自動閃爍顯示故障點，故障畫面自動彈出；還可進行歷史數據查詢，對所得結果處理后建立起曲線，據此直觀地進行對比分析。

（7）故障監測和保護

系統設有以下幾種保護：過流、低電壓、漏電保護；超溫保護；漏水保護；流量、壓力保護；邏輯錯誤故障保護。

4 自動排水系統現場應用

伊化礦業資源有限責任公司正常涌水量約為1360 m3/h，最大涌水量為1546 m3/h，中央水泵房正常情況下只需開啟2 臺水泵。礦井0:00—8:30 處于用電低谷期，設置此階段排水系統保持自動控制方式，可以在自動控制條件下高效地排水。礦井涌水量與排水水泵運行信息如表1，相關排水成本對比結果見表2。根據此表結果可知，選擇排水水泵進行優化控制后，排水成本顯著降低，從2 836.7萬元下降到2 074.4 萬元，每年可節約排水成本700多萬元，取得良好的經濟效益。

表 1 排水水泵運行情況

表 2 排水泵運行費用表

5 結語

根據伊化礦業資源有限責任公司井下排水要求，設計基于可編程控制器的井下排水泵自動控制系統，能夠基于水倉內水位而自動啟停，同時可合理地控制運行時間，使得礦井排水費用顯著的減少，為提高煤礦生產效益起到重要作用。