基于PLC 技術的礦井排水系統遠程自動化控制系統研究

趙美麗， 武小波

（1.山西科達自控股份有限公司， 山西 太原 030006；2.山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 035300）

引言

傳統的礦井排水系統依賴于繼電器技術運行工作，因而以人工的方式來開動水泵開關，并進行轉換控制，這種控制形式是無法達到自動監測和控制水位需求的，為井下采煤工作的開展造成了一定的阻礙，其一方面需要人力來完成設備操作，形成了較大的人力成本，同時工作人員的作息制度也在一定程度上影響了生產流程，加之人工測量的精確性無法得到保證，造成了一定的安全隱患，對于行業管理水平和技術發展造成了一定的影響。因而基于PLC 技術的礦井排水系統遠程自動化控制系統費的引入可以實現對礦井排水的全方位監控。

1 礦井排水控制系統和PLC 集控功能分析

1.1 礦井排水控制系統

礦井排水控制系統包括操作員站和歷史站這兩個部分。其中前者的功能在于及時監控當前系統的運行狀態，在需要時即可進行檢修，一旦發生涌水情況則可及時發布報警信息；而歷史站則可以對于以往的數據信息進行儲存，可以實現查詢功能；而最大電力監測系統則可以收集用電負荷情況，水泵控制站則可以對水泵進行相關控制操作，具體見圖1。

1.2 PLC 集控系統功能要求

一般來說，PLC 集控系統的功能有以下幾點：第一，控制功能，該功能的實現可以借助于PLC 程序對于排水功能進行自動化設計；第二，故障診斷功能，可以結合所獲取的監測數據來進行分析，診斷水泵運行狀態，從而及時發現安全隱患，具體數據包括有電流、電壓以及溫度等；第三，參數顯示，借助無人機界面實時顯示的水泵運行數據來讓工作人員掌握水泵運行情況；最后，通信監控功能，該功能需要借助于光纖通信網絡來實現，將井下水泵和地面控制中心進行連通[1-2]。

2 PLC 集控系統架構層次

本設計中的PLC 控制技術井下主排水泵自動控制系統的構成形式為分布集控式，具體可以分為三個層級，分別是地面監控層、通信邏輯層以及設備層。組件方面則包括了四個部分，分別是CPU 主站、數據采集和處理系統、監控系統和通信系統。下面分別對三個系統層級進行介紹。

2.1 地面監控層

地面監控層的設備包括有工況機、工業電視和監控組態組件，經由覆蓋整個礦井的網絡來和井下不同作業面中的PLC 組件進行連接。其中工況機和監控設備的相關軟件可以及時采集主排水泵的作業參數，并且將相關信息傳輸到地面控制站上，讓技術人員可以基于所獲取的數據進行相關操作。

在本系統的設備選型上，傳感器應用SIEMENS公司的超聲波液位計，該設備具有較高的精確度，且安裝簡單該設備可以分別設置在兩個水倉，可以及時實現井下水位監控的功能，傳感器探頭發射超聲波，并采集反射超聲波數據，通過計算時間差來判斷液面和探頭之間的高度差，進而完成液面的測算，同時借助于網絡將信號傳播出去。

2.2 通信邏輯層

通信邏輯層在PLC 集控系統當中處于核心位置，主要經由PLC 技術來收集水泵的運行數據，并通過邏輯分析來完成對故障的判斷。在作業過程中，PLC 系統可以結合所采集的水倉水位變化情況來遠程操作水泵的開關。同時還可以收集水泵和配套設施的其他數據，如管壓、設備溫度等，這些信息都會在工況機顯示屏上得到顯示，讓地面技術人員可以更好地掌握井下排水泵的運行情況。

2.3 設備層

設備層主要是井下排水設備，如主泵、電機、管道和閥門等。可以在排水系統中裝設傳感設備，并且將手控閥門改換為電控閥門，同時為了實現自動操控水泵開關，還要替換真空泵。除此之外，為確保PLC 系統避免出現故障，則要將閘閥替換為電動手動兩用閘閥，讓系統安全穩定性得到保證。

3 集控系統程序和組態軟件設計

3.1 集控系統程序設計

在設計PLC 程序的過程中，還需要通過對硬件模塊和軟件系統的調整來實現各種網絡配套模塊，并且還要具備實時輸入模塊數據的功能，明確組態I/O 模塊地質，這樣才能進一步開展系統遠程控制。在PLC 設備的啟動過程中，其操作步驟如下：首先，對于系統進行初始化設置，之后選擇是否進行自動控制，進而進入系統控制程序。在控制程序流程當中還包括有不同類型的功能模塊，可以隨使用需求的不同來自行選用，如水泵控制、水位檢測、故障判斷等。圖2 為控制程序流程圖。

在作業過程中，可使用STEP7 工具進行工作，并通過在線連接的形式來調試程序，這樣一來，動態數據檢測、數據強制更新、I/O 數據信號的啟閉等一系列功能都成為現實。

3.2 組態軟件功能設計

該系統中的軟件功能設計主要是指設計人機交互UI 界面，該界面需要友好易懂，從而讓工作人員能夠迅速掌握相關信息。該軟件設計是基于WINCC智能監控軟件來完成的，在作業的過程中，可以及時對采集數據進行分析，并將其總結為趨勢圖和矢量圖，讓工作人員可以及時掌握設備的工作情況。與此同時，數據也處于動態變化之中，可以在可視化監測技術的支持下遠程查看系統的工作情況，掌握故障類型、方位。除此之外，在人機交互界面選擇觸摸屏設備，可以讓工作人員能夠更好地掌握水泵的情況并進行及時控制，有效地提高了程序的易用性和有效性，為信息的處理帶來了便利。

4 結語

礦井排水系統直接關系到煤礦開采工作的順利開展，在過去的礦井排水系統當中，其操作方式為繼電器，但是隨著國家對于煤礦安全問題重視程度的不斷提升，傳統的繼電器已經無法適應企業開采需求，PLC 技術的應用已經成為了一種趨勢。PLC 全自動礦井排水技術有助于實現開采科學化、信息化，讓采礦效率得到了保證，更確保了工作人員的安全，因而針對其進行分析有一定的現實意義。本文簡要介紹了PLC 系統的作用和應用于礦井排水系統中的設計過程，總而言之，將自動化排水系統應用于礦井開采工作當中優勢較為明顯，對現有的煤礦開采技術進行革新有一定的現實意義。