基于PLC的煤礦井下排水模式自動轉換控制系統

朱信龍，李小剛，謝沛

（1.陜西陜煤陜北礦業有限公司,陜西榆林，719000；2.陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司,陜西神木，719300）

1 煤礦排水系統的組成和工作原理

1.1 煤礦排水系統整體組成

系統的組成部分主要由：變頻器、PLC、大功率三相水泵（2臺）、壓力變送器及其他控制組組成，具體結構如圖1所示。

由圖1可知，系統整體結構中的變頻器功能主要是對水泵進行軟啟動和變頻調速處理；水位傳感器的功能是將水位信號實時地轉換成標準電信號(4～20Ma)，再經過A/D轉換模塊將其送入PLC中，進而比較實際檢測與設定的水位信號是否存在異常；然后進行邏輯運算，再將最終結果傳送至變頻器上，變頻器再根據實際情況改變水泵轉速，其主要是根據上述所得結果控制變頻器的輸出頻率；同時，水位值通過PLC傳送至上位機，然后實現動態顯示；上位機發送信號至PLC上，就可以智能啟停同時控制水泵。

圖1 系統整體結構組成

1.2 系統的工作原理分析

由于煤礦井下環境復雜，排水模式的選擇尤為重要，尤其是在進行排水系統上的自動轉換控制。在進行排水模式轉換過程中，主要是通過連續閉環的PID進行操控。基于實際水位與給定的水位值，對排水模式進行比較，通過PLC的PID邏輯運算發送系統調節信號，從而對變頻器的輸出頻率以及水泵電動機組的控制，最終實現排水系統中排水量的調節。

從工作原理圖2所示可知：水位傳感器將煤礦井下的當前實測水位情況反饋給地面時，首先將水位實際值傳送至水位傳感器的輸入端，將其與給定的水位值進行比較。當比較結果顯示煤礦井下的水位偏高時，通過運算，調整PID參數，進而根據差值相應地提升變頻器的頻率。當排水量隨著水泵轉速的增加而加大時，煤礦井下的水位也隨之降低。相反地，降低變頻器的頻率，排水量隨著水泵轉速的降低而水位下降速度減緩，那么礦井內的水位也就下降緩慢。對此，需要保證變頻器頻率在穩定值，這樣才可以保證自動排水系統的穩定運行。

圖2 工作原理圖

2 煤礦井下排水模式自動轉換控制系統硬件設計

2.1 系統硬件選擇

PLC是一種三項技術為一體的數字運算操作系統，三項技術包括：計算機、自動控制和通信三種技術。三者高效融合可以使煤礦井下模式轉換得以自動控制。

在型號選擇過程中，主要基于系統的I/O標準,文本顯示器選擇的是帶防爆功能的TP04型號；上位機組態軟件選擇的是KingView軟件硬件系統中PLC控制核心采用SIMATICS7-200系列、EM223CN-I/O擴展模塊、SIMATICS7-200模塊、CP243-1通訊模塊和EM231模擬量輸入擴展模塊。

關于煤礦設計的文件中明文規定，基于系統需求,礦井水泵具備三種工作方式：正常狀態工作、發生事故時備用工作、自動檢測修復。對于主排水控制系統中的PLC信號通常包括三種：模擬信號輸入、數字信號的輸出和輸入信號。這三種輸出信號輸出、輸入方式還包含很多工作方式以及運行指示。因此，PLC中各個模塊之間都有著各自獨立的信號連接方式，PLC各模塊之間的信號連接見圖3。

圖3 PLC各模塊之間的信號連接圖

2.2 控制系統硬件連接

對于硬件設施，其設備外部的控制箱選擇的是可編程的防爆箱，外部電源通過變壓器的作用將其轉換成220V電壓，供電設備主要是開關電源和PLC的CPU模塊。本安電源板一共包括6路24V直流電壓信號，開關電源為其提供工作用電源，本安電源板中包括上述提到的很多重要設備，其中包括傳感器、繼電器、操作臺上的指示燈和文本顯示器等；排水自控系統顯示閥門開關到位、輸入、傳感器電流等信號全部接入防爆箱裝置的喇叭嘴，然后連接數字量和模擬量傳輸至模塊中，其連接方式是通過航空電纜；同理，數字量輸出模塊的傳輸方式是將信號通過上述方式連接到執行設備中；文本顯示器的功能是為顯示器提供該設備的運行狀態信號，是與CPU-226CN模塊上的RS485接口相連接。將光纖分線盒與CP243-1模塊的以太網接口相互連接，這樣就保證以太網的信號經過處理轉變成光信號，地面監控室再經過反向處理，光纖與地面光纖接線盒相連接，光信號又一次經過轉換成為以太網信號，再將經過處理的網絡信號列入工業范圍的以太網交換機，再將其連接至上位機。

3 系統的軟件設計

啟停泵在執行時的標準相對嚴格，必須嚴格按照上述順序來執行，否則會發生意外事故，如水錘效應，一旦發生事故最輕的后果就是導致水泵故障，重則淹沒城池巷港、危及生命。所以，在系統設計軟件的時候，一定要思考認真、全面，不能有分毫的差錯。對此，本文在進行軟件設計過程中，引入多臺運動控制法，當單臺水泵在啟動工作時是獨立的，各自有獨立的輸出控制，單臺水泵的運行性能會對系統的整體性能造成直接的影響；反之，當為多臺水泵啟動工作為多臺聯動時，通過啟動整體控制器，實現多臺的聯動運行。而在組態軟件的編程過程中，主要是人機交互的界面設計，通過這個軟件設計可以實現實時監控。此系統能夠進行輸入域、輸出域、矢量圖等進行標準的生成，并且基于其動態性能可以進行可視化監控，也可能會出現集成消息，實現遠程記錄并監控。

4 仿真實驗對比分析

為驗證本文設計煤礦井下排水模式自動轉換控制系統的有效性，在MATLAB仿真平臺，采用文獻3系統與文獻2系統為對比系統，以控制精度為指標進行對比驗證，結果如圖表1所示：

由表1可知，在實驗次數逐漸增加的情況下，采用文獻2系統時，其控制精度隨著實驗次數的增加而提高，控制精度約為79.09%；采用文獻3系統時，其控制精度前期增長較慢，后逐漸增加，控制精度約為71.69%，將比文獻2系統控制精度降低了7.4%；采用本文系統時，其控制精度后期增長較慢，但整體較高于文獻2系統和文獻3系統，控制精度約為90.1%，相比文獻2系統和文獻3系統分別提高了約11.01%，18.41%，具有一定的優勢。

表1 不同系統控制精度對比結果

5 結束語

近些年以來，我國礦山業迅速發展，自動化生產已經成為大勢所趨，然后排水系統在安全生產保障中不容忽視。實現自動化且集中控制對我國礦山企業的生產運行意義重大，其最終目標就是要把井下的排水系統進行集中控制，再將其歸納至礦山中整體的控制中去，使礦山在各個生產環節都能夠集中控制，完成整體上的飛躍。PLC控制器不僅低成本、硬件結構簡單，并且可以保證其運行的可靠性能。與此同時PLC結合變頻器的方式實現了水泵可以平穩啟動，避免了傳統形式對電網的沖擊。運行過程中可以對水泵進行無級調速，在一定程度上延長閥門以及水泵的使用壽命，在節約電能方面具有良好的社會和經濟效益。