基于PLC 的煤礦主排水泵自動控制系統設計

謝巖彬

（霍州煤電集團河津杜家溝煤業有限責任公司，山西 霍州 031400）

為實現礦井主排水泵自動化控制，諸多學者開展了相關研究，劉國香[1]提出以PLC 為控制核心的礦井主排水泵控制系統的設計方案，并給出了水泵選型過程中各種參數的計算方法；李霞、張衍陽[2]提出了一種新型的多功能水泵聯動閥門，通過仿真分析，發現多功能水泵聯動閥結構簡單，結構效果良好，為煤礦井下排水系統的結構優化及礦井排水系統工作的可靠性奠定了基礎。本文基于PLC 控制器對礦井主排水泵控制系統進行升級改造，升級改造后的系統可根據水倉水位的變化、涌水速率、供電區間進行優化控制。

1 控制系統的功能設計

本文以PLC 控制器為核心設計一套礦井主排水泵自動控制系統，設計主要控制點及優點：

（1）控制功能。系統設有手動、半自動和自動三種控制模式，通過PLC 控制器實現自動化排水。

（2）遠程通訊及監控功能。通過光纖將傳感器與設備相連，并與地面調度指揮中心的上位機連接，可遠程操控系統。

（3）故障診斷功能。通過溫度傳感器、電流傳感器等對系統的溫度、電壓、電流等進行動態監管，出現溫度、電壓、電流超過限定值時，立即發出報警，避免出現事故。

（4）參數監控系統：通過人機界面對溫度、排水量及管道壓力等參數進行監控。

設計的主排水泵自動控制系統通過監測水倉水位的變化、涌水速率等參數，并通過邏輯分析給出最佳的排水值，通過命令程序對系統排水進行調控，實現礦井主排水的自動化控制。

2 控制系統硬件設計

2.1 PLC 的礦井主排水控制系統

基于PLC 的主排水泵控制系統采用分布式集中控制方式進行設計，控制系統由監控系統、邏輯處理系統、數據采集、信息傳輸系統、CPU 處理主站五部分構成。控制系統分布式架構自上而下可分為三層：地面監控設備層、通信和邏輯層、地下設備層。

地面監控設備層由工控機、監控組態軟件、工業電視系統構成，通過光纜與工作面站點PLC 組件及監控設備連接。同時工控機組態軟件對水泵的運行參數進行收集，并傳輸至地面控制中心。通信和邏輯層是系統控制的核心，此層對數據進行邏輯處理、故障診斷，通過數據的分析判斷水位變化，并對設備運行狀態進行監控。地下設備層由主排水泵、管道、電機、閥門等組成。在原有排水系統加裝傳感器及真空泵滿足對水泵的自動啟停控制，同時閘閥更換為電動兩用閘閥和真空射流手動閘閥。為了提高系統的運行安全穩定性，增加一套真空泵。

2.2 檢測單元

對礦井主排水泵系統的檢測元件進行設計，系統中的檢測單位包含有水位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、超聲波流量計等。水位傳感器選用超聲波傳感器，其工作原理為利用探頭發送超聲波，從而得到不同超聲波數據，根據聲波在空氣中的傳播差，給出水位距離探頭的距離。將超聲波傳感器布置在2 個配水箱內，防止水位過高。溫度傳感器選用PT100 無源接觸式傳感器。壓力傳感器將水管內部的壓力信號進行轉化，得出壓力信號，將壓力信號傳輸至PLC 控制器，從而提供電動閥啟動、停止的判斷[3]。

2.3 控制系統

中央水泵的控制系統由自動控制、故障報警、自動監測及動態顯示組成。系統通過自動監測得出水倉水位、電機溫度、排水管壓力等數據，將數據傳輸至PLC 控制器，PLC 對接收到的信號進行判斷，發出控制命令，對3 臺排水泵進行自動化控制。同時水倉水位、電機溫度、排水管壓力等參數會在上位機的界面進行顯示，如若系統檢測出故障后會對故障進行報警，同時彈出故障界面，并留存故障數據，以備故障分析。水泵自動控制系統配置如圖1。

如圖1 所示，PLC 作為系統的核心部件，主要對監控數據進行處理及存儲，通過運算邏輯輸出控制命令，達到水泵的啟停控制。充分考慮現場設備較為分散的特征，選定I/O 的方式進行控制及數據采集，選用CPU315-2DP 帶SINECL2-DP 接口的CPU，選定西門子ET200M 為遠程處理核心。數字量輸入模塊對設備狀態進行采集，開關量包含球閥到位信號、斷路器狀態、閘閥到位信號、控制命令等，在PLC 控制器兩側配置32 路開關輸入模塊2 塊[4]。I/O 部分配置32 路開關量輸入模塊1 塊。在現場實際應用過程中，通過RS-232、R-S485 串聯通訊模塊實現通訊。

圖1 水泵自動控制系統配置圖

3 控制系統的軟件程序設計

3.1 PLC 軟件設計

PLC 程序設計采用STEP 7 軟件編制，系統的軟件設計需要具備如下功能：（1）自動解除功能和備用選用功能。3 臺排水泵可以任意選定備用機組，同時在水泵沒有實際運行過程中可以進行切換，當一臺泵機發生故障時可以迅速解除備用，保持正常運行。（2）手動啟動。提供人工操作界面，可以對某臺設備進行人工啟動。（3）順序啟動。通過設置啟動間隔時間實現電機的順序啟動。（4）水位顯示。當水倉水位先低于后高于某一數值時，及時顯示水位。（5）自動控制。在無人監管時可以自行運轉，當出現水位過高時及時抽排，當水位過低時及時補水[5]。系統自動控制程序流程圖如圖2。

圖2 系統自動控制程序流程圖

開始時先進行系統檢測，當存在故障時，系統進行手動操作，當無故障或者故障排除后方可進行自動、半自動操作。系統啟動后，第一步需要與開關柜進行連通，啟動I/O 處理程序，通過判斷選定三種運行方式。操作人員可以通過控制板按鈕位置判斷運行模式，當處于自動操作模式時，自動進行系統運行，完成輪換工作，出現故障時，及時停止報警；當處于半自動操作模式時，需要人工選定哪臺排水泵運行，后續進行自動模式；選定手動模式時，PLC 不參與系統的整體運行[6-7]。

3.2 系統傳感器

傳感器可分為全局傳感器和局部傳感器。全局傳感器采用超聲液位儀對全系統的數據進行檢查，同時采用雙傳感器冗余配合，使得可靠性及精度都有一定幅度的提升。局部傳感器是通過自我診斷對系統進行檢測，將每個階段的數據與上個階段數據進行對比，形成數據曲線，通過光纖與地面調度指揮中心上位機連接，進行數據的交換，實現遠程的動態監控與控制，并記錄相關數據[8-9]。

4 應用效果分析

基于PLC 控制器為核心的礦井主排水泵自動控制系統，能夠完全滿足礦井開采的正常需求，且設計后的水泵控制系統更加智能化，能夠精準識別故障發生位置及發生類型，該水泵自動控制系統實現礦井中央水泵房的無人值守，減少專業人員安置4～6人，只需定期巡檢即可，降低了人為操作失誤帶來的安全隱患，提高了主排水系統的運行穩定性[10]。

5 結論

以PLC 控制器為核心的礦井主排水泵自動控制系統，可根據水倉水位變化、涌水速率和用電“避峰填谷”原則，實現礦井水泵的自動啟停，降低工人的勞動強度，提高系統運行的穩定性，達到節能增效的目標。系統通過與地面調度指揮中心上位機相連接，實現遠程動態監測與控制的功能，保證礦井排水系統的正常運行。