PLC 控制系統在煤礦井下排水系統中的運用

王 琳

（冀中能源股份有限公司邢東礦，河北 邢臺 054000）

煤炭作為我國的主體能源，在促進國家經濟發展方面提供了長足動力，在社會發展過程中做出了重要貢獻。隨著科學技術水平的不斷發展和完善，采礦界中對智能化和自動化開采的呼聲越來越高。由于大量地下水、江河水、雨水對煤礦井的滲透作用，會有積水沿著采動裂隙進入采礦區和工作面，很容易導致礦井積水，若是不能及時排出，一旦礦井水積累過多極易形成水災，引發設備受損、人員傷亡等安全生產方面的問題，嚴重威脅著礦井生產。煤礦井下排水系統作為確保煤礦生產安全的四大系統之一，主要功能是排出礦井水，可有效確保煤礦安全生產，同時還能保障工作人員生命安全。傳統排水系統大都是人工就地操作，工序復雜、效率低、經濟效益差，工作人員很難第一時間發現井下水泵運行情況和故障問題，地面管理人員對現場狀況了解不夠全面，同自動化礦井需求間還有一定差距存在。

隨著計算機技術的快速發展，自動控制和PLC 技術在各個行業中應用頻率越來越高，尤其是煤礦行業中的應用也愈發廣泛。在控制煤礦井下主排水系統的過程中，從傳統繼電器逐漸轉變為PLC 控制，為保證設備運行達到最佳狀態，在實現遠程集控的過程中結合傳感器、工業控制計算機、信息傳輸平臺等，預先設定相關程序，以對井下水泵和對應設備進行實時監測和自動化控制。

1 PLC 技術概況

自進入21 世紀以來，我國計算機技術水平快速提升，并廣泛應用到社會不同行業，而在工業領域的廣泛應用，促進了PLC 技術的發展成熟。PLC 屬于邏輯控制器，可作為編程使用，有效彌補了傳統繼電器控制的弊端，因PLC 技術的推動，使控制過程更加高效、準確和便捷[1]。可穩定控制是PLC 技術的突出優勢，外部不良環境基本不會對控制產生影響，因此，其在工業領域中的應用范圍不斷擴大。PLC 技術編制系統控制程序的應用習慣選擇梯形圖系統，同其他計算機編程語言進行比對，PLC 技術編程語言較為簡單，對操作人員沒有太高要求，在簡單技術培訓后就能滿足PLC應用要求。PLC 控制系統的實現只需要芯片就能完善，無需占用過大空間，將其與傳統繼電器控制進行比對，體積縮小，且運行過程便捷，方便系統日后維護和搬運組裝。計算機技術作為PLC 技術的基礎，可借助于編程軟件來控制外部系統，系統建立的過程中需利用數字運算分析，應用中對數據進行一系列的收集、分析、計算和儲存，以為系統運行的穩定性提供技術方面的支撐。在煤礦井下排水系統中應用PLC 技術，可縮減系統應用空間，整個排水系統控制均能利用一臺終端實現，保證系統運行的自動化，可顯著增強煤礦生產的經濟效益、效率和安全性。

2 我國煤礦排水系統現狀及PLC 控制系統應用優勢

2.1 我國煤礦排水系統現狀

在日常采掘施工的過程中，有關水體，如地表水、構造水會以通道作為媒介逐漸浸透到采掘工作區域內，在不能第一時間將積水排出的情況下，將會有大量的積水出現在工作區域內，嚴重的情況下會造成煤礦井下出現水災事故。在統計分析相關數據后，因水災引起的安全事故將近占所有煤礦生產事故的1/3，嚴重影響著煤礦的安全高效生產。因此，在煤礦井下選用安全穩定的排水系統，對避免煤礦水害具有十分重要的現實意義。當前，相較于發達國家自動化排水系統，我國的自動化水平不高的問題較為嚴重，排水系統的設計存在缺乏合理性、靈活性差、抗災能力弱、可靠性不強等方面的問題，增大了系統排水故障概率。為了盡快排出積水，需要大量作業人員，在很大程度上增大了作業勞動強度，投入排水系統中的維修費用加大，一旦排水不當，將會對后續排水效率產生影響，達不到礦井復雜的安全生產條件要求。因此，相關單位應根據礦井實際，不斷優化改造井下排水系統。[2]

2.2 PLC 控制系統在排水系統中的優勢

2.2.1 PLC 控制系統的可靠性和穩定性高

通常情況下，PLC 控制模式涵蓋了自動、遠程和本地三種不同的控制模式，為確保水泵安全穩定的運行，應結合礦井實際情況選擇對應的模式，而PLC 控制系統主要是在煤礦井下排水系統中進行應用。PLC 控制系統可開展自動化監測，根據最終結果，若是發現遠程控制通信模式運行過程被阻斷，為確保井下排水系統的可靠性，需全方位監測水下排水情況，系統就會自動調節成本地控制模式，一旦發現井下排水出現問題，可及時發出警報信號。

2.2.2 可有效控制成本

現階段，井下排水系統主要是選擇光纖環網通信方式作為主要的通信技術，將該技術應用到排水系統中，在提升信息數據傳輸速率的同時，還能增強整個傳輸質量。VC 和net 是PLC 模塊的主要編程技術，具有較好的操作性及可靠性，且編程操作中的步驟簡單，具有較高的通用性，為保證井下排水系統運行的持續性，提升成本的控制效果，在PLC 模塊的幫助下可對系統進行多次開發利用。系統還能結合水泵的啟動計算和當前電價，在經濟最佳狀態的基礎上確保排水系統運行的穩定性。

2.2.3 監測多種技術參數

對井下排水系統進行自動化控制，可實時監測和控制電動機電流、泵房水艙液位、軸承溫度、壓力、流量等參數信息，在匯總數據信息后來反映這些關鍵區域參數和長距離傳輸信息，對不良參數開展系統警示，確保排水系統運行的可靠性。當前，礦山生產中的井下泡水自動化系統涵蓋了檢測子系統和設備的傳感器、信息采集裝置、泵房在線監控模塊、網絡通信系統等，可有效監控運行參數信息，并根據實際控制井下泡水設備，為井下排水系統的安全運行創造良好條件。

3 PLC 控制系統在煤礦井下排水系統中的運用

所謂的自動化排水控制系統就是通過應用電氣自動化技術對計算機、企業網絡連接口等進行有效控制，減少人力資源方面的投入，確保無人化操作的順利實現。在實際的煤礦生產作業中，在實現水位和水泵的控制及故障自動化檢測的過程中均需要引入自動化排水系統。系統在對水位高度和水泵啟動、停止功能進行控制時需要應用到計算機，一旦遇到超溫、過載、負壓等情況會出現自動報警提示，避免事故問題的出現，確保煤礦生產中的安全性。在第一時間獲取到有關數據后，并指導人員進行操作可保證監控的全方位和遠程性特征。自動化排水控制系統工作方式較多，而計算機界面上內容顯示極為簡單，可以根據實際來編寫程序，保證運行程度不斷得到完善，增強運行效益。[3]

3.1 自動化排水控制系統設計

3.1.1 結構分析

在自動排水控制系統應用之前，需要工作人員認真處理離心泵，增強其的耐磨性，該過程中可選用射流或水環方式。在前者應用中涉及真空管道閥門、控制閥門等以將泵內的空氣抽干凈，為后續正常使用提供便利；后者需要配置控制閥門、水環真空泵等。在實際應用的過程中，為確保選擇的真空泵適宜，應選擇科學有效的方法對真空體積進行認真估算，避免真空泵不匹配的狀況出現。自動化排水控制系統涵蓋了監控硬件設備和軟件，可從不同角度來設計自動化排水控制系統。

3.1.2 監控設計

1.地面控制中心。實際上，地面控制中心就是排水監控軟件，可在工控機平臺上構建。由于該軟件位于礦井指揮中心，可做好控制器參數的傳達工作，也是人機交互的核心所在。通過圖紙方式可顯示存儲數據信息，同時還具有較強的檢測、維護和報警功能。當管理者享有對應的權限后就能訪問設備，并對系統運行狀態實時監控。根據屏幕顯示的內容可對下倉運行狀態全面掌握，以將遠程監視功能發揮出來，通過對實時數據分析進行全面分析，方便后續日常更新和修正工作的順利開展。

2.水倉監控系統。對于井下水倉監控系統來說，其涉及小水倉、主水倉和中轉水倉。在排沙泵的作用下可將小水倉中的水抽取出來，同時轉運到中轉水倉中，最后在主水倉中匯集。在抽水操作中，可全面監控所有水倉。

3.中轉水倉的監控系統。在中轉水倉中都配備有250kW 或500kW 的離心泵，而排水開關以雙回路機制為主。只有準確設置液位傳感器，才能保證最終的水位檢測結果完整可靠。在離心泵流量監測中引入流量傳感器，可為監測工作的開展提供便利。為了實時監測離心泵抽水壓力，需將壓力傳感器安裝到對應管路上。為了保證流量調控的科學合理性，應將電動球閥布設到管路上。雙回路式排水開關的應用，可借助于光纖線路實現數據的傳輸，通過地面控制中心來接收數據，操作人員只需要將相關數據信息詳細記錄下來，為日后操作提供數據參考。

4.主水倉監控系統。主水倉監控系統的智能性和便捷性均較強，工作人員可以利用手動、自動、遠程法對傳感器、攝像頭等設備進行操作，以實現有效監控。同時還能根據檢修、遠程、自動控制次序開展一系列操作。在檢修控制中可同時斷開自動與遠程控制開關；若是選用遠程控制方法，可斷開自動控制開關；在遠程控制不靈活時，可調節控制系統為自動方式。[4]

3.2 軟件設計

3.2.1 PLC 程序

在利用PLC 系統開展監控的過程中，為了對程序不斷優化，需要應用到STEP7 軟件，可借助于模塊化編程技術對相關功能進行修改和擴展，維護運行過程的可靠性。在程序主模塊中涵蓋了多個模塊，如監控、顯示、通信等。

3.2.2 上位機程序

在對上位機應用軟件進行編寫的過程中需要應用到WINCC 平臺，可確保數據信息及時呈現到操作人員面前，方便可視化及監視功能的實現。在面向對象進行開發的過程中實時顯示生產全過程的數據信息。編程結構以客戶/服務器結構為主，可集成數據信息，實現相關數據共享，保證整個系統性能的穩定性。

3.2.3 操作系統

為了達到系統標準，操作終端在井下和調度中心均有安裝，而在PLC 控制箱內安裝終端設備，[5]可對井下作業進行實時監控，因其適應能力強，可在不同惡劣環境下靈活作業。為了降低風險率，觸屏主要選擇的是直流電。為了方便技術人員直接觀察程序信息，可將報警、控制與監督進行有效結合，以有效控制水泵運行情況，對異常數據信息實時檢查。

3.3 PLC 控制系統在煤礦井下排水系統中的具體應用

以某煤礦的雙回路開關為例，在真空接觸器后，可對水泵啟停情況進行有效控制，還能對控制電壓進行轉變，使其成為交流電。開關右側是交換器所在的位置，為周邊的交流溝通提供了便利條件。為避免開關受損，應做好智能保護器安裝，防止出現故障方面的問題。在PLC 控制系統的基礎上，可保證控制效果達到最佳，運行狀態可在顯示屏中顯示出來，具有明顯的記憶作用。設備還有多種通信口，在SMN 模塊中可將傳感器的模擬量轉化成數字量，進而監測相關參數信息。在系統斷電的情況下，可通過啟動備用電源的方式，為傳感器、路由器、PLC 控制系統供電，確保上位機持續穩定運行，還能實時監控水倉情況。雙回路開關包含了數據、工作、故障、小水倉、中轉水倉等界面，可根據需求切換到所需界面。[6-7]

4 結論

綜上所述，礦井排水系統采礦的重要環節，采礦工作能否順利進行受排水系統的影響較大。我國煤礦排水系統中，繼電器開采占據主導地位。隨著政府部門對煤礦安全問題的重視度不斷加深，傳統繼電器不利于煤礦開采工作的安全性，而選用PLC 進行煤礦開采是大勢所趨。PLC 控制系統在煤礦井下排水系統中的運用，有助于開采工作順利開展，在很大程度上增強了采礦效率，同時還能確保作業人員安全，對煤礦開采極為重要。