天地（常州）自動化股份有限公司 湯慶勇

在煤礦生產(chǎn)過程中，排水系統(tǒng)是非常重要的組成部分，也是保證煤礦安全生產(chǎn)的主要內(nèi)容?，F(xiàn)階段，大部分均是采用繼電器控制完成煤礦排水系統(tǒng)的控制，并且需要人工操作水泵的開停以及選擇切換，無法實(shí)現(xiàn)水位或者其它參數(shù)的自動開停與水泵調(diào)節(jié)，在一定程度上，影響了煤礦排水系統(tǒng)的運(yùn)行效率，進(jìn)而降低的煤礦生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。所以，一定要加強(qiáng)組態(tài)監(jiān)控、PLC技術(shù)的運(yùn)用，促進(jìn)煤礦排水系統(tǒng)的高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)效益的提高。

一、煤礦排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的構(gòu)成與工作原理

(一)系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)成

系統(tǒng)主要是由PLC、兩臺大功率三相水泵、變頻器、一臺壓力變送器與其它控制設(shè)施共同構(gòu)成，其中變頻器主要就是對三相水泵進(jìn)行軟啟動，以及實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，水位傳感器主要就是將當(dāng)前的水位信號轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)電流信號，大概在4-20毫安之間，利用A/D轉(zhuǎn)換模塊將這些電流信號輸送至PLC中，在此過程中實(shí)現(xiàn)水位信號的測量，并且對水位信號進(jìn)行相應(yīng)的對比，之后進(jìn)行邏輯運(yùn)算，最后將運(yùn)算得到的結(jié)果輸送至變頻器，變頻器再結(jié)合結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。與此同時，在測得水位信號之后，也可以通過PLC輸送至上位機(jī)，利用組態(tài)軟件展開動態(tài)測試；而上位機(jī)通過向PLC輸出控制信號的方式，對水泵起停、速度切換等進(jìn)行有效的控制。

(二)工作原理

在設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)的時候，一定要使其具備相應(yīng)的自動化，進(jìn)而需要采用連續(xù)閉環(huán)的PID控制系統(tǒng)，結(jié)合既定水位值與實(shí)際水位值的對比，根據(jù)PLC系統(tǒng)的PID邏輯運(yùn)算進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，之后向系統(tǒng)輸出調(diào)節(jié)信號，實(shí)現(xiàn)對變頻器輸出頻率的控制，并且加強(qiáng)對水泵電動機(jī)組的有效控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對排水系統(tǒng)排水量的有效調(diào)節(jié)。在排水系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)的時候，可以將其工作原理抽象為連續(xù)單閉環(huán)的PID控制系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行正常作業(yè)的時候，水位傳感器就會將煤礦中的水位信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電流信號，大概在4-20毫安之間，之后輸送至PLC的PID調(diào)節(jié)器當(dāng)中，在此過程中，對既定水位值與實(shí)際水位值進(jìn)行對比，得到相應(yīng)的規(guī)律，進(jìn)而予以相應(yīng)的處理，通常情況下，可以將PID調(diào)節(jié)器規(guī)律設(shè)置為比例(P)、積分(I)、微分(D)，之后結(jié)合使用人員設(shè)置的P、I、D參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，進(jìn)而輸出相應(yīng)的信號，對變頻器作業(yè)頻率進(jìn)行有效的控制與調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水泵電動機(jī)組轉(zhuǎn)速與自動排水流量的有效控制與調(diào)節(jié)，促進(jìn)煤礦生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

實(shí)際工作原理：水位傳感器會對煤礦實(shí)際水位值進(jìn)行測量，之后經(jīng)過相應(yīng)的反饋，輸送至比較器輸入端，進(jìn)而與既定水位值展開相應(yīng)的對比，當(dāng)煤礦實(shí)際水位值比較大的時候，通過參數(shù)的相關(guān)計(jì)算，對PID參數(shù)進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，逐漸增加變頻器的作業(yè)頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速的不斷加大，增加排水量，進(jìn)一步降低煤礦中的實(shí)際水位。反之，如果煤礦實(shí)際水位值比較小的時候，可以通過參數(shù)的計(jì)算，調(diào)節(jié)PID參數(shù)，逐漸降低變頻器的作業(yè)頻率，減小水泵的工作轉(zhuǎn)速，降低排水量，實(shí)現(xiàn)煤礦實(shí)際水位的穩(wěn)定下降，保證煤礦生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

在此排水系統(tǒng)中，一般均需要設(shè)計(jì)兩臺常用水泵，當(dāng)煤礦中積水比較少的時候，就可以利用變頻器對一號水泵進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)煤礦水位的降低，當(dāng)煤礦積水量不斷增加的時候，一定要加強(qiáng)一號水泵工作的頻率，而當(dāng)一號水泵工作的頻率達(dá)到最高的時候，煤礦積水水位依然沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求時，就需要把一號水泵切換至工頻電源上，實(shí)現(xiàn)電量供應(yīng)。在二號水泵展開有關(guān)積水排除作業(yè)的時候，一定要利用變頻器將其切換至二號水泵之后，才可以進(jìn)行有效的作業(yè)。當(dāng)二號水泵工作的頻率降低至0以后，隨著排水量的逐漸降低，其頻率也就隨之變化。此時，需要在排水量比較大時，及時關(guān)掉工頻電源供應(yīng)的一號水泵，保證二號水泵的正常運(yùn)行，并且進(jìn)行一定的提速，促進(jìn)煤礦生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

二、煤礦排水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在此排水系統(tǒng)中，PLC選用的一般均為施奈德TWIDO系列，型號是TWDLAFAODRF的一體型PLC，其主要就是24路輸入，14路繼電器輸出，2路晶體管輸出，并且具有支持以太網(wǎng)通訊、以太網(wǎng)RJ-45口、PID運(yùn)算等功能。當(dāng)選用施奈德ATV31型號變頻器盡心作業(yè)的時候，其模擬量擴(kuò)展模塊需要使用兩入一出的TIVDAMM3I-IT型號。其中要求變頻器與模擬量模塊進(jìn)行直接連接，保證模擬量輸入信號為2路，第1路為水位傳感器輸送的電流信號，傳達(dá)至IN0；第2路為變頻器輸出的頻率信號，直接反饋至IN1。針對變頻器A11端而言，可以直接利用模擬量輸出的電壓信號，進(jìn)行相應(yīng)的輸入，并且實(shí)現(xiàn)變頻器頻率的有效調(diào)節(jié)。

三、煤礦排水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的時候，可以利用PLC的PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行一定的輸出調(diào)節(jié)。PLC主要就是一種采樣控制，其可以結(jié)合采樣時間偏差展開相關(guān)的運(yùn)算，進(jìn)而得到相應(yīng)的控制量。在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的時候，需要將信息的PID控制算式轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際運(yùn)用的PID算式。之后，對PID算式展開離散化的模擬處理。最后，利用后向差分變換法，將離散化模擬的PID算式進(jìn)行差分處理，形成相應(yīng)的方程，這樣才可以進(jìn)行輸出值的計(jì)算。

理想模擬的PID算式為：

設(shè)其采樣周期為TS，初始時間為0，其第n次的采樣偏差也就是en，控制輸出是Mn，之后進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換得到模擬的PID離散化算式為：

式中：Mn表示第n次的控制輸出值；KC表示PID回路增益；en表示第n次的采樣偏差；en-1表示第n-1次的采樣偏差；TS表示采樣周期。

通過模擬PID離散化算式可以看出，從第一個采樣周期一直到目前的采樣周期，整個過程中存在的全部錯誤差項(xiàng)就是積分項(xiàng)內(nèi)容。

通過計(jì)算機(jī)的采樣之后，保證每一個采樣值偏差都要進(jìn)行一些輸出值的計(jì)算，只有這樣，才可以實(shí)現(xiàn)積分項(xiàng)前值與偏差前值得有效保存。通過計(jì)算機(jī)的處理與計(jì)算，可以將模擬的PID離散化算式進(jìn)一步簡化為：

式中：MX表示積分項(xiàng)前值。

四、煤礦排水系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計(jì)

為了可以更好的實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能，保證各水泵與閥門的正常運(yùn)行，有效讀出各水位值與流量值等參數(shù)，并且進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警顯示與故障記錄，一定要加強(qiáng)力控組態(tài)軟件的運(yùn)用，即PCAuto6.0，將其當(dāng)成是上位機(jī)管理軟件，通過力控組態(tài)軟件和PLC系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通訊，完成系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

(一)新建工程

在力控組態(tài)軟件中進(jìn)行新建工程的時候，只需要在工程管理器中命名工程名稱，如“XXX礦井排水”，這樣就完成了新建工程。之后點(diǎn)擊“開發(fā)系統(tǒng)”，進(jìn)行新系統(tǒng)的開發(fā)。

(二)定義外設(shè)I/O連接

同力控組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的設(shè)備就是I/O設(shè)備，這些設(shè)備能夠利用以太網(wǎng)或者串口和上位機(jī)之間展開一定的數(shù)據(jù)通訊；只有在明確I/O設(shè)備之后，才可以保證力控組態(tài)軟件數(shù)據(jù)與I/O設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行通訊。

在Draw導(dǎo)航器中，找到“I/O設(shè)備驅(qū)動”選項(xiàng)，之后進(jìn)行雙擊，選擇“PLC”選項(xiàng)，再進(jìn)行雙擊，然后選擇相應(yīng)的廠商名稱，并且選擇相應(yīng)的項(xiàng)目“MODBUS”。雙擊項(xiàng)目“MODBUS”，彈出對話框“I/O設(shè)備定義”，在“設(shè)備名稱”中輸入相應(yīng)的名稱，并且在“設(shè)備地址”中輸入“1”，通訊方式選“串行口通訊”。

(三)定義數(shù)據(jù)庫變量

在整個監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，DB數(shù)據(jù)庫就是核心，其作用就是實(shí)現(xiàn)對整個監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、服務(wù)請求、報(bào)警信息等展開分析、儲存、統(tǒng)計(jì)、處理，其基本單位就是點(diǎn)。

(四)建立I/O數(shù)據(jù)連接

將數(shù)據(jù)庫點(diǎn)和外部采集設(shè)備通道地址進(jìn)行一一對應(yīng)，進(jìn)而在上位機(jī)與下位機(jī)的I/O地址中進(jìn)行有效的通訊，這樣才可以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場中各點(diǎn)工作狀態(tài)的監(jiān)控。

(五)組態(tài)畫面設(shè)計(jì)和鏈接

利用軟件繪圖工具或者圖庫，結(jié)合煤礦生產(chǎn)的具體情況繪制煤礦排水系統(tǒng)監(jiān)控畫面。在設(shè)計(jì)動畫或者圖形的時候，可以構(gòu)建不同動畫鏈接，實(shí)現(xiàn)對不同變量與對象的監(jiān)控，并且建立一定的關(guān)系。通常情況下，鏈接方式就是雙擊。

(六)運(yùn)行和維護(hù)

在完成力控組態(tài)工程之后，就可以進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試、運(yùn)行，對設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫與監(jiān)控畫面等組態(tài)內(nèi)容進(jìn)行保存。同時對外圍硬件設(shè)備與連線進(jìn)行檢查，保證其運(yùn)行安全、可靠，這樣才可以進(jìn)行外圍設(shè)備的供電。在后期運(yùn)行的過程中，一定要加強(qiáng)定期維護(hù)，保證系統(tǒng)與設(shè)備的正常運(yùn)行，促進(jìn)煤礦生產(chǎn)效率的提高。

五、結(jié)束語

總而言之，在煤礦生產(chǎn)過程中，加強(qiáng)對組態(tài)監(jiān)控與PLC技術(shù)的應(yīng)用，可以簡化硬件結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)控制的高效性。并且通過PLC技術(shù)的應(yīng)用，還可以加強(qiáng)水泵的穩(wěn)定運(yùn)行，防止啟動沖擊電網(wǎng)；有效調(diào)節(jié)水泵速度，延長水泵使用年限，并且節(jié)能，具有良好的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。同時，通過組態(tài)軟件的應(yīng)用，可以加強(qiáng)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示，保證故障信息與運(yùn)行數(shù)據(jù)的及時掌握，確保了煤礦生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

[1]于治福,李旭鳴,商德勇,等.基于PLC的煤礦主排水泵自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2010(01).

[2]章之燕,李衛(wèi)東.唐山礦排水系統(tǒng)改造及排水泵房自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用[A].煤礦機(jī)電一體化新技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展2012學(xué)術(shù)年會論文集[C].2012.

[3]王光生,尹文波,樊兆同.基于PLC的礦井自動排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[A].煤礦機(jī)電一體化新技術(shù)學(xué)術(shù)會議論文集[C].2010.

[4]李春光,周斌濤,趙文艷等.基于PLC控制的煤礦井下泵房自動排水控制系統(tǒng)改造[J].電氣防爆,2013(01).

[5]劉守勝,孫秀茹,夏國彬.PLC控制在礦井自動排水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].礦山機(jī)械,2008(20).

[6]崔宗超.基于組態(tài)監(jiān)控和PLC技術(shù)的煤礦排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2013(07).

[7]李美霞.煤礦排水泵自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中小企業(yè)管理與科技(下旬刊),2009(12).

[8]蔡俊,朱成杰,郭來功.礦井水泵房自動排水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2011(04).