袁傳增 楊洪科

摘 ?要：文章從自動化排水控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析入手，結(jié)合先進的PLC和計算機技術(shù)等改善自行設(shè)計了一款適用于煤礦行業(yè)的自動化排水控制系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中，該系統(tǒng)的安全性和效率比傳統(tǒng)方式較高，故障率也較低，操作更加便捷，對于進一步改善煤礦行業(yè)的排水系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：自動化;排水控制系統(tǒng);煤礦生產(chǎn);應(yīng)用

中圖分類號：TD744 文獻標(biāo)志碼：A ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）13-0155-02

Abstract： Based on the structure analysis of automatic drainage control system and the improvement of advanced PLC and computer technology， an automatic drainage control system suitable for coal mine industry is designed in this paper. In practical application， the safety and efficiency of the system is higher than the traditional way， the failure rate is also lower， and the operation is more convenient， which has a certain guiding significance for further improving the drainage system in the coal mine industry.

Keywords： automation; drainage control system; coal mine production; application

1 自動化排水控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

在對自動化排水系統(tǒng)進行實際應(yīng)用時，必須在排水前處理耐磨離心泵，通常采用的方法是管道余水射流、水環(huán)真空泵射流、管道余水抽空等方式。如果選擇射流方式，就必須選擇配套的射流管道控制閥門、射流總成、真空管道閥門等部件，將水泵體內(nèi)的空氣抽空，以便后續(xù)應(yīng)用。如果選擇水環(huán)與之相結(jié)就必須選擇配套的真空管道控制閥門、水環(huán)真空泵和管道控制閥門等。此外在實際運用時，還必須估算真空體積，明確真空泵的型號，以免出現(xiàn)真空泵不匹配的情況發(fā)生。

2 自動化排水控制系統(tǒng)設(shè)計

排水控制系統(tǒng)總體框架如圖1所示，由圖可知該系統(tǒng)可分為監(jiān)控硬件設(shè)備和軟件。下面從監(jiān)控設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面來開展自動排水系統(tǒng)的設(shè)計。

2.1 監(jiān)控設(shè)計

2.1.1 地面控制中心

地面控制中心是以工控機作為平臺的自動化排水監(jiān)控軟件，其一般建在礦井機電生產(chǎn)指揮中心，主要功能是轉(zhuǎn)達控制器參數(shù)，同時也是人機交互的核心，將數(shù)據(jù)以圖表的形式進行存儲和顯示，并承擔(dān)檢測、維護和報警的任務(wù)。管理員需要獲得相應(yīng)權(quán)限才能對設(shè)備進行操作和訪問，監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行狀況，從屏幕上隨時掌握井下水倉的運行情況，實施遠程監(jiān)視，同時分析實時數(shù)據(jù)，不斷地進行修正和更新。

2.1.2 水倉監(jiān)控系統(tǒng)

本文的排水系統(tǒng)井下水倉有小水倉、中轉(zhuǎn)水倉和主水倉三種規(guī)格的水倉，通過22kW排沙泵將小水倉的水抽到中轉(zhuǎn)水倉，再由中轉(zhuǎn)水倉進入主水倉。在整個抽水工程，監(jiān)控需要覆蓋各個水倉，以免出現(xiàn)監(jiān)控盲區(qū)和隱患，因此在小水倉和中轉(zhuǎn)水倉以及主水倉都設(shè)置有監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1.3 中轉(zhuǎn)水倉監(jiān)控系統(tǒng)

中轉(zhuǎn)水倉使用的泵是250kW或者500kW的離心泵，該泵設(shè)置有雙回路排水開關(guān)。為了檢測水位，設(shè)置有液位傳感器;為了監(jiān)測泵的流量，設(shè)置有流量傳感器;為了監(jiān)測泵的抽水壓力，在管路上設(shè)置有壓力傳感器;為了實現(xiàn)流量可調(diào)，在管路上還設(shè)置有電動球閥等閥門。雙回路排水開關(guān)將采集到的數(shù)據(jù)通過光纖傳遞到地面控制中心，以便操作人員進行記錄或執(zhí)行相關(guān)操作，其具體的控制原理如圖2所示。

2.1.4 中轉(zhuǎn)水倉監(jiān)控設(shè)備

（1）雙回路開關(guān)：該監(jiān)控設(shè)備的核心部件，主要是將各個傳感器采到的數(shù)據(jù)傳遞到該部件的PLC中，由PLC將信號通過光纖傳到地面控制中心。在該部件內(nèi)部配有UPS電源，目的是給PLC和各類傳感器供電。在斷電時可最長供電6h。（2）液位傳感器：監(jiān)控水倉液位的核心部件，本文采用的是滿量程為5m的GUY5型液位傳感器，其精度為0.02m。（3）壓力傳感器：監(jiān)控水倉中液體壓力的核心部件，采用壓阻式原理來進行對壓力的監(jiān)控，輸出的是電流信號（4-20mA）或者是電壓信號（1-5v直流電）。本設(shè)計選用的壓力傳感器是型號為GUY60的兩線制輸出信號為4-20mA電流信號的傳感器，通過檢測排氣處的壓力來判斷離心泵是否注滿水，出水口最大壓力為15MPa，排氣口最大為0.5MPa。（4）流量傳感器：本系統(tǒng)采用的是型號為LCZ803系列的數(shù)字超聲波流量計，利用超聲波在液體中順流和逆流的速度差與流速成正比的關(guān)系來檢測流量的變化。該流量計額定電壓為24V，輸出信號為4到20mA的電流信號，可測量范圍為0到500m3/h。（5）電動球閥：本系統(tǒng)采用的是型號為DFB20/10Q系列的礦用電動球閥，其額定電壓為24V，有手動和自動兩種方式來實現(xiàn)注水和排水功能。（6）電動閘閥：本系統(tǒng)采用的是型號為Z941H40C系列的礦用電動閘閥，其額定電壓為660V，有手動和自動兩種方式來實現(xiàn)的啟?？刂啤＃?）遠程控制：當(dāng)雙回路開關(guān)切換到遠程控制時，上位機對排水系統(tǒng)進行相應(yīng)的控制，包括實現(xiàn)注水、排氣、閥門開關(guān)、泵啟停以及故障復(fù)位等操作。一旦出現(xiàn)故障，上位機都可以通過上位機的復(fù)位鍵來一鍵復(fù)位。（8）小水倉監(jiān)控系統(tǒng)：直接由QJZ2/30開關(guān)來控制，安裝有防止倒流的逆止閥。QJZ2/30開關(guān)能檢測高低水位和報警水位，高于高水位則泵進行排水;低于低水位則停泵;高于報警水位則報警。

2.1.5 主水倉監(jiān)控系統(tǒng)

主水倉監(jiān)控系統(tǒng)與中轉(zhuǎn)水倉監(jiān)控系統(tǒng)類似，但是比其更智能、便捷和全面，是整個自動化排水監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，操作人員可通過遠程、自動和手動方式對其進行操作。主要包括各種監(jiān)控水位、流量和流速的傳感器以及攝像頭等設(shè)備。該系統(tǒng)在進行控制時，其優(yōu)先級依次是：檢修控制——手動遠程控制——自動檢測控制，檢修控制時能自動切斷遠程控制和自動控制;遠程控制時能自動切斷自動控制;在遠程控制失靈時，控制系統(tǒng)能自動轉(zhuǎn)入自動控制。

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 PLC程序

本系統(tǒng)選擇的PLC監(jiān)控系統(tǒng)是利用STEP7軟件進行程序設(shè)計的，運用模塊化編程技術(shù)不僅運行可靠還方便修改和擴展。程序主模塊主要包括：通信模塊、數(shù)據(jù)模塊、監(jiān)控模塊、控制模塊以及顯示模塊。

2.2.2 上位機程序

基于WINCC平臺對上位機應(yīng)用軟件進行編寫，可實現(xiàn)可視化、數(shù)據(jù)獲取和監(jiān)視控制功能。通過采用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法，可快速顯示生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。編程使用的客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)體系，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和集成，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)和提高監(jiān)控系統(tǒng)的性能。此外，使用WINCC還可以對煤礦的工業(yè)流程及系統(tǒng)的改進進行監(jiān)控，同時還可改變界面上的外觀顯示，如顏色、形狀和尺寸等。

3 自動化排水控制系統(tǒng)在煤礦中的應(yīng)用

雙回路開關(guān)由兩臺CKJ11系列真空接觸器控制水泵的通斷，控制電壓為220V交流電。在開關(guān)右側(cè)設(shè)置有3光口5電口的交換機與周圍進行通訊，為了保護開關(guān)不損壞，安裝了2個PSW/400智能型保護器來避免開關(guān)過載、斷相、短路、漏電閉鎖。該保護器作為信號檢測元件串聯(lián)在開關(guān)回路中，其常開觸點與串聯(lián)接觸器線圈回路串聯(lián)，實現(xiàn)保護。利用Micrologix1400PLC對水泵進行邏輯控制，并在顯示屏上實時顯示運行狀態(tài)，具有記憶功能。該設(shè)備有隔離式RS232/485通訊口、非隔離式RS232通訊口和RJ45以太網(wǎng)通訊口。SMN6模塊將傳感器的模擬量轉(zhuǎn)換為PLC的數(shù)字量，監(jiān)測外部的流量、液位和壓力等狀態(tài)參數(shù)。備用電池可以在系統(tǒng)斷電的情況下臨時給PLC、各個傳感器和路由器等提供電源，保證上位機在一定時間內(nèi)正常運轉(zhuǎn)，起到24小時監(jiān)控水倉的作用。此外，雙回路開關(guān)具有“工作界面”、“設(shè)定界面”、“數(shù)據(jù)界面”、“小水倉界面”、“中轉(zhuǎn)水倉界面”、“故障界面”、“事件記錄界面”等7個主要的工作顯示界面，工作人員可根據(jù)工作需要切換到相應(yīng)界面進行操作。

4 結(jié)束語

提高煤礦行業(yè)排水控制系統(tǒng)的自動化程度和效率既是該行業(yè)研究的重點，也是關(guān)乎民生的重大事件。本文基于以太網(wǎng)技術(shù)和PLC技術(shù)和計算機技術(shù)等對自動化排水控制系統(tǒng)的硬件和軟件進行了自主設(shè)計。在實際運用過程中，排水系統(tǒng)可靠性有所改善，故障診斷和解決周期縮短，效率有所提高，實現(xiàn)了排水自動化，值得在行業(yè)內(nèi)推廣。

參考文獻：

[1]閆宇翔.煤礦井下排水自動化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能特點[J].機械管理開發(fā)，2018，33（11）：234-235.

[2]呼鵬舉.錦界煤礦自動化排水系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用[J].煤炭工程，2017，49（S2）：37-39.

[3]阮進林.保德煤礦自動化排水系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用[J].煤炭工程，2016，48（S1）：20-23.