摘 要：煤礦排水系統(tǒng)不僅是煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一也是主要的用電設(shè)備之一，其可靠、高效運(yùn)行對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)和降生產(chǎn)成本意義重大。本文針對(duì)我國(guó)目前煤礦井下中央泵房仍普遍采用人工控制方式的現(xiàn)狀，提出了一種優(yōu)化控制策略并給出了實(shí)現(xiàn)流程，設(shè)計(jì)了一套采用西門子PLC作為控制器的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，通過(guò)光纖與地面上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)井下中央泵房的遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制并進(jìn)行數(shù)據(jù)歸檔，提高了煤礦生產(chǎn)的自動(dòng)化水平同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：泵房；PLC；自動(dòng)化；遠(yuǎn)程控制

煤炭行業(yè)是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，隨著煤炭行業(yè)的高產(chǎn)高效發(fā)展，礦井安全問(wèn)題已經(jīng)成為制約煤炭生產(chǎn)進(jìn)一步發(fā)展的重要因素。在煤礦開采過(guò)程中，由于地層中含水的涌出，雨水和江河水的滲透，水砂充填和水力采煤礦井的井下供水，將要有大量的水晝夜不停地匯集于井下，統(tǒng)稱為礦井水。為保證礦井的正常生產(chǎn)需將這些水及時(shí)有效地排至地面，可見礦井排水系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，其工作的安全、可靠性和工作時(shí)間的合理調(diào)配，對(duì)整個(gè)礦井的安全高效生產(chǎn)有著重大意義。

本文以淮北礦業(yè)臨渙煤礦排水系統(tǒng)為例：臨渙煤礦井下一水平中央泵房?jī)?nèi)共設(shè)有5臺(tái)水泵，每臺(tái)水泵配一臺(tái)電機(jī)，按規(guī)定最多可以同時(shí)運(yùn)行3臺(tái)，其余兩臺(tái)一備一檢修。水泵的型號(hào)為MD450-60×9，電機(jī)型號(hào)為YAK560-4，電機(jī)電壓為 6KV 功率為1120KW，采用真空泵抽真空方式啟動(dòng)。

一、功能與特點(diǎn)

（一）根據(jù)工作方式的選擇、水倉(cāng)水位及工作時(shí)間等情況自動(dòng)確定水泵的開啟臺(tái)數(shù)并自動(dòng)啟停，以保證水位處于安全值。

（二）實(shí)現(xiàn)水泵的均勻耐磨設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)水泵的自動(dòng)輪換工作，使每臺(tái)水泵的磨損程度基本一致，從而提高運(yùn)行的安全可靠性。

（三）根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷和供電部門所規(guī)定的谷段、峰段供電電價(jià)時(shí)間段，按“避峰填谷”原則確定開、停水泵時(shí)機(jī)，從而更加合理地利用電力資源，降低生產(chǎn)成本，提高礦井電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量。

（四）監(jiān)測(cè)水泵及其電機(jī)的工作參數(shù)，測(cè)算水泵的運(yùn)行效率，為水泵的維修保養(yǎng)提供科學(xué)依據(jù)。

（五）采取有效的抗干擾措施，同時(shí)在軟件上增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性，防止因干擾引起的誤動(dòng)作影響生產(chǎn)。

（六）自動(dòng)輸出排水系統(tǒng)的周、月報(bào)表 。

（七）系統(tǒng)有與工業(yè)以太網(wǎng)連通功能，可利用局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息資源共享，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

二、系統(tǒng)概況

井下各泵房水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由控制器、檢測(cè)、執(zhí)行等單元組成。本系統(tǒng)控制器采用西門子S7-300系列 PLC；檢測(cè)單元分為兩部分：1.模擬量檢測(cè)部分：其主要有水位傳感器，流量傳感器、壓力傳感器、真空傳感器、溫度傳感器、電流變送器、功率變送器等組成 2.數(shù)字量檢測(cè)部分：包括水泵電機(jī)、電抗器、電動(dòng)閘閥和電磁閥等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)返回值；執(zhí)行部分由水泵電機(jī)、電動(dòng)閘閥、電磁閥、真空泵等組成。

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1：

本系統(tǒng)采用分布式控制方式，在井下為每臺(tái)水泵配置 PLC 控制柜一臺(tái)，其中一臺(tái)設(shè)為主站，其他設(shè)為分站，主站和分站采用專用通信電纜連接，主站和地面計(jì)算機(jī)采用光纖通信。控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。遠(yuǎn)程工業(yè)計(jì)算機(jī)利用友好的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；PLC主站除監(jiān)控1#號(hào)水泵外，還負(fù)責(zé)與地面計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)匯總通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳入上位機(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)歸檔；各分站負(fù)責(zé)監(jiān)控各自的水泵，并通過(guò)MPI網(wǎng)絡(luò)與主站交換數(shù)據(jù)。

三、 功能實(shí)現(xiàn)與程序編制

（一） 水泵機(jī)組的均勻磨損設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)目標(biāo)及原因：備用泵或管路會(huì)因長(zhǎng)期不用而使電機(jī)受潮或有其他故障而未被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)遇緊急情況需要投入時(shí)而不能投入，以至影響礦井安全。為了防止這種情況發(fā)生，本系統(tǒng)采取“輪換工作制”使各水泵機(jī)組磨損基本一致，提高運(yùn)行的安全可靠性。

實(shí)現(xiàn)方法：程序以每臺(tái)機(jī)組的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間作為判斷依據(jù)，每臺(tái)機(jī)組的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間是該機(jī)組停止時(shí)刻時(shí)間值減去該機(jī)組投入運(yùn)行時(shí)刻的時(shí)間值。累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最小者投入當(dāng)次運(yùn)行，依次循環(huán)下去，當(dāng)某臺(tái)泵或?qū)倨涓綄僭O(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)報(bào)警，同時(shí)該泵退出輪換，其余各泵仍按輪換制運(yùn)行。

（二） 初始投入水泵臺(tái)數(shù)的自動(dòng)確定

設(shè)計(jì)目標(biāo)及原因：根據(jù)水倉(cāng)水位的變化，合理調(diào)度水泵在用電的谷段時(shí)間工作，避免峰段起動(dòng)，調(diào)度各水泵將水倉(cāng)水位排降到設(shè)定水位，使水倉(cāng)騰出盡可能大的容量容納更多的礦井涌水，在峰段盡可能減少開泵，達(dá)到節(jié)省電費(fèi)指出，確保重要負(fù)荷的供電。

實(shí)現(xiàn)方法：PLC通過(guò)檢測(cè)水倉(cāng)水位變化和水泵的排水量，依據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，可計(jì)算出當(dāng)前水倉(cāng)容水量、礦井涌水量和水倉(cāng)剩余容積，并以保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。在谷段和平段，PLC通過(guò)計(jì)算得出所需要起動(dòng)水泵的臺(tái)數(shù)并控制水泵工作，在運(yùn)行過(guò)程中不斷檢測(cè)適時(shí)調(diào)整水泵的工作情況，使水倉(cāng)水位在谷段結(jié)束時(shí)達(dá)到設(shè)定水位；在峰段，PLC通過(guò)檢測(cè)水倉(cāng)水位的變化和計(jì)算，檢測(cè)水倉(cāng)在峰段結(jié)束前的水位情況，必要時(shí)起動(dòng)水泵，防止發(fā)生水倉(cāng)溢水。

（三）后續(xù)投入水泵臺(tái)數(shù)的自動(dòng)確定

設(shè)計(jì)目標(biāo)及原因：1.礦井的涌水量隨季節(jié)等因素不同變化量很大，投入臺(tái)數(shù)的自動(dòng)確定對(duì)礦井的安全可靠運(yùn)行提供有力保障；2.通過(guò)投入臺(tái)數(shù)的自動(dòng)確定來(lái)確保在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使水位降至要求值，實(shí)現(xiàn)控制上的優(yōu)化達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

實(shí)現(xiàn)方法：根據(jù)水位的變化率確定開泵臺(tái)數(shù)。開泵后記錄其當(dāng)前水位值，然后每隔5min 記錄一次被處理后的水位值。將第4次的水位值減去第1次的水位值即得過(guò)去15min 里水位的變化△h，若△h小于預(yù)設(shè)值則認(rèn)為水泵當(dāng)前開的臺(tái)數(shù)不足以應(yīng)付當(dāng)前的涌水量，即起動(dòng)臺(tái)數(shù)不夠，自動(dòng)增加一臺(tái)泵進(jìn)行工作。

（四）水位信號(hào)的準(zhǔn)確可靠檢測(cè)

水倉(cāng)水位是整個(gè)系統(tǒng)的控制對(duì)象，所以水位信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)意義重大。而影響水位號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)的因素來(lái)自兩個(gè)方面：1.水位計(jì)故障。2.水位信號(hào)干擾。

本系統(tǒng)采用“雙水位計(jì)”保證水位的可靠測(cè)量，PLC同時(shí)對(duì)兩個(gè)水位計(jì)進(jìn)行取樣，如果兩路信號(hào)相差大于設(shè)定值，系統(tǒng)報(bào)警，要求值班人員進(jìn)行檢查；對(duì)于干擾信號(hào)同時(shí)進(jìn)行軟件過(guò)濾，防止誤動(dòng)作：使用軟件延時(shí)的方法進(jìn)行信號(hào)消斗，且回差足夠小時(shí)才當(dāng)作控制量使用。同時(shí)系統(tǒng)還可配備一臺(tái)開關(guān)量水位傳感器用于上、下限水位極限報(bào)警。

（五） 真空度信號(hào)的檢測(cè)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于真空度的高低與泵腔內(nèi)水位有著嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，真空度越高腔內(nèi)水位越高，而水泵的正常起動(dòng)要求腔內(nèi)水位到達(dá)一定高度，為實(shí)現(xiàn)水泵的快速起動(dòng)，即在腔內(nèi)水位到達(dá)某一固定高度時(shí)立刻起動(dòng)，需要對(duì)腔內(nèi)水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但由于水倉(cāng)水位經(jīng)常變換，使得水泵吸水管內(nèi)的水位相對(duì)于水泵不是一個(gè)固定值，造成不同水位要實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)的真空臨界值是變換的。故要實(shí)現(xiàn)水泵的快速起動(dòng)需要結(jié)合水倉(cāng)水位、真空度信號(hào)進(jìn)行協(xié)同控制，即根據(jù)水倉(cāng)水位計(jì)算出每臺(tái)水泵起動(dòng)時(shí)所需達(dá)到的真空度，并將實(shí)測(cè)值與該計(jì)算出來(lái)的值相比較，達(dá)到該值時(shí)立即開泵從而準(zhǔn)確判斷起動(dòng)時(shí)機(jī)，達(dá)到縮短開泵時(shí)間快速開泵的目的。

（六）礦井涌水量和水倉(cāng)容量的測(cè)定

根據(jù)礦井的涌水量來(lái)控制水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)和“避峰填谷”實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的都需要知道水倉(cāng)的容量和涌水量，才能可靠保證水倉(cāng)水位處于安全值和準(zhǔn)確判斷何時(shí)水位達(dá)到安全值，以便合理規(guī)劃開泵臺(tái)數(shù)和開泵時(shí)間。

四、干擾處理

井下工作環(huán)境較為惡劣，不可避免存在各種干擾，會(huì)使控制精度降低、PLC 內(nèi)部數(shù)據(jù)丟失、機(jī)器誤動(dòng)作等。主要干擾源有：空間輻射干擾、電源干擾、電弧干擾、反電勢(shì)干擾、共模干擾、常膜干擾等。

針對(duì)干擾源采取的抗干擾措施有：

（一）采用專用電源，電源供電要與大的用電設(shè)備分開，避免大用電設(shè)備啟停時(shí)對(duì)電源供電質(zhì)量的影響。

（二）合理布線。將動(dòng)力線、控制線和傳感器輸入線分開單獨(dú)布線，保持一定距離；傳感器信號(hào)線屏蔽層接地。

（三）為避免或減小電弧對(duì) PLC 的電磁干擾，應(yīng)盡量將 PLC 遠(yuǎn)離大電機(jī)啟動(dòng)裝置，如低壓斷路器、交流接觸器等；選用滅弧性能好的低壓斷路器和交流接觸器。

（四）軟件方法增強(qiáng)抗干擾能力，提高系統(tǒng)健壯性。為了抑制電壓、電流等模擬信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)瞬時(shí)干擾，本系統(tǒng)采用平均值法，即用n次采樣值的平均值來(lái)代替當(dāng)前值。其原理是：每采樣一次就與前n-1 次的歷史采樣值相加，然后除以n得到當(dāng)前值。這樣每一次的當(dāng)前值總是與歷史值相關(guān)，能有效減小瞬時(shí)干擾的影響。

五、結(jié)語(yǔ)

該套綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)已在我礦井下泵房投入使用，達(dá)到了較好的效果，并且在功能上逐步優(yōu)化，不僅滿足了井下排水的需要，而且明顯提高了煤礦自動(dòng)化管理水平，降低了生產(chǎn)成本，提高了生命的安全可靠。