謝巖彬

（霍州煤電集團河津杜家溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400）

為實現(xiàn)礦井主排水泵自動化控制，諸多學(xué)者開展了相關(guān)研究，劉國香[1]提出以PLC 為控制核心的礦井主排水泵控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，并給出了水泵選型過程中各種參數(shù)的計算方法；李霞、張衍陽[2]提出了一種新型的多功能水泵聯(lián)動閥門，通過仿真分析，發(fā)現(xiàn)多功能水泵聯(lián)動閥結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)效果良好，為煤礦井下排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及礦井排水系統(tǒng)工作的可靠性奠定了基礎(chǔ)。本文基于PLC 控制器對礦井主排水泵控制系統(tǒng)進行升級改造，升級改造后的系統(tǒng)可根據(jù)水倉水位的變化、涌水速率、供電區(qū)間進行優(yōu)化控制。

1 控制系統(tǒng)的功能設(shè)計

本文以PLC 控制器為核心設(shè)計一套礦井主排水泵自動控制系統(tǒng)，設(shè)計主要控制點及優(yōu)點：

（1）控制功能。系統(tǒng)設(shè)有手動、半自動和自動三種控制模式，通過PLC 控制器實現(xiàn)自動化排水。

（2）遠程通訊及監(jiān)控功能。通過光纖將傳感器與設(shè)備相連，并與地面調(diào)度指揮中心的上位機連接，可遠程操控系統(tǒng)。

（3）故障診斷功能。通過溫度傳感器、電流傳感器等對系統(tǒng)的溫度、電壓、電流等進行動態(tài)監(jiān)管，出現(xiàn)溫度、電壓、電流超過限定值時，立即發(fā)出報警，避免出現(xiàn)事故。

（4）參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)：通過人機界面對溫度、排水量及管道壓力等參數(shù)進行監(jiān)控。

設(shè)計的主排水泵自動控制系統(tǒng)通過監(jiān)測水倉水位的變化、涌水速率等參數(shù)，并通過邏輯分析給出最佳的排水值，通過命令程序?qū)ο到y(tǒng)排水進行調(diào)控，實現(xiàn)礦井主排水的自動化控制。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 PLC 的礦井主排水控制系統(tǒng)

基于PLC 的主排水泵控制系統(tǒng)采用分布式集中控制方式進行設(shè)計，控制系統(tǒng)由監(jiān)控系統(tǒng)、邏輯處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、信息傳輸系統(tǒng)、CPU 處理主站五部分構(gòu)成。控制系統(tǒng)分布式架構(gòu)自上而下可分為三層：地面監(jiān)控設(shè)備層、通信和邏輯層、地下設(shè)備層。

地面監(jiān)控設(shè)備層由工控機、監(jiān)控組態(tài)軟件、工業(yè)電視系統(tǒng)構(gòu)成，通過光纜與工作面站點PLC 組件及監(jiān)控設(shè)備連接。同時工控機組態(tài)軟件對水泵的運行參數(shù)進行收集，并傳輸至地面控制中心。通信和邏輯層是系統(tǒng)控制的核心，此層對數(shù)據(jù)進行邏輯處理、故障診斷，通過數(shù)據(jù)的分析判斷水位變化，并對設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)控。地下設(shè)備層由主排水泵、管道、電機、閥門等組成。在原有排水系統(tǒng)加裝傳感器及真空泵滿足對水泵的自動啟停控制，同時閘閥更換為電動兩用閘閥和真空射流手動閘閥。為了提高系統(tǒng)的運行安全穩(wěn)定性，增加一套真空泵。

2.2 檢測單元

對礦井主排水泵系統(tǒng)的檢測元件進行設(shè)計，系統(tǒng)中的檢測單位包含有水位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、超聲波流量計等。水位傳感器選用超聲波傳感器，其工作原理為利用探頭發(fā)送超聲波，從而得到不同超聲波數(shù)據(jù)，根據(jù)聲波在空氣中的傳播差，給出水位距離探頭的距離。將超聲波傳感器布置在2 個配水箱內(nèi)，防止水位過高。溫度傳感器選用PT100 無源接觸式傳感器。壓力傳感器將水管內(nèi)部的壓力信號進行轉(zhuǎn)化，得出壓力信號，將壓力信號傳輸至PLC 控制器，從而提供電動閥啟動、停止的判斷[3]。

2.3 控制系統(tǒng)

中央水泵的控制系統(tǒng)由自動控制、故障報警、自動監(jiān)測及動態(tài)顯示組成。系統(tǒng)通過自動監(jiān)測得出水倉水位、電機溫度、排水管壓力等數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸至PLC 控制器，PLC 對接收到的信號進行判斷，發(fā)出控制命令，對3 臺排水泵進行自動化控制。同時水倉水位、電機溫度、排水管壓力等參數(shù)會在上位機的界面進行顯示，如若系統(tǒng)檢測出故障后會對故障進行報警，同時彈出故障界面，并留存故障數(shù)據(jù)，以備故障分析。水泵自動控制系統(tǒng)配置如圖1。

如圖1 所示，PLC 作為系統(tǒng)的核心部件，主要對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行處理及存儲，通過運算邏輯輸出控制命令，達到水泵的啟?？刂?。充分考慮現(xiàn)場設(shè)備較為分散的特征，選定I/O 的方式進行控制及數(shù)據(jù)采集，選用CPU315-2DP 帶SINECL2-DP 接口的CPU，選定西門子ET200M 為遠程處理核心。數(shù)字量輸入模塊對設(shè)備狀態(tài)進行采集，開關(guān)量包含球閥到位信號、斷路器狀態(tài)、閘閥到位信號、控制命令等，在PLC 控制器兩側(cè)配置32 路開關(guān)輸入模塊2 塊[4]。I/O 部分配置32 路開關(guān)量輸入模塊1 塊。在現(xiàn)場實際應(yīng)用過程中，通過RS-232、R-S485 串聯(lián)通訊模塊實現(xiàn)通訊。

圖1 水泵自動控制系統(tǒng)配置圖

3 控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計

3.1 PLC 軟件設(shè)計

PLC 程序設(shè)計采用STEP 7 軟件編制，系統(tǒng)的軟件設(shè)計需要具備如下功能：（1）自動解除功能和備用選用功能。3 臺排水泵可以任意選定備用機組，同時在水泵沒有實際運行過程中可以進行切換，當(dāng)一臺泵機發(fā)生故障時可以迅速解除備用，保持正常運行。（2）手動啟動。提供人工操作界面，可以對某臺設(shè)備進行人工啟動。（3）順序啟動。通過設(shè)置啟動間隔時間實現(xiàn)電機的順序啟動。（4）水位顯示。當(dāng)水倉水位先低于后高于某一數(shù)值時，及時顯示水位。（5）自動控制。在無人監(jiān)管時可以自行運轉(zhuǎn)，當(dāng)出現(xiàn)水位過高時及時抽排，當(dāng)水位過低時及時補水[5]。系統(tǒng)自動控制程序流程圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)自動控制程序流程圖

開始時先進行系統(tǒng)檢測，當(dāng)存在故障時，系統(tǒng)進行手動操作，當(dāng)無故障或者故障排除后方可進行自動、半自動操作。系統(tǒng)啟動后，第一步需要與開關(guān)柜進行連通，啟動I/O 處理程序，通過判斷選定三種運行方式。操作人員可以通過控制板按鈕位置判斷運行模式，當(dāng)處于自動操作模式時，自動進行系統(tǒng)運行，完成輪換工作，出現(xiàn)故障時，及時停止報警；當(dāng)處于半自動操作模式時，需要人工選定哪臺排水泵運行，后續(xù)進行自動模式；選定手動模式時，PLC 不參與系統(tǒng)的整體運行[6-7]。

3.2 系統(tǒng)傳感器

傳感器可分為全局傳感器和局部傳感器。全局傳感器采用超聲液位儀對全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行檢查，同時采用雙傳感器冗余配合，使得可靠性及精度都有一定幅度的提升。局部傳感器是通過自我診斷對系統(tǒng)進行檢測，將每個階段的數(shù)據(jù)與上個階段數(shù)據(jù)進行對比，形成數(shù)據(jù)曲線，通過光纖與地面調(diào)度指揮中心上位機連接，進行數(shù)據(jù)的交換，實現(xiàn)遠程的動態(tài)監(jiān)控與控制，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)[8-9]。

4 應(yīng)用效果分析

基于PLC 控制器為核心的礦井主排水泵自動控制系統(tǒng)，能夠完全滿足礦井開采的正常需求，且設(shè)計后的水泵控制系統(tǒng)更加智能化，能夠精準識別故障發(fā)生位置及發(fā)生類型，該水泵自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)礦井中央水泵房的無人值守，減少專業(yè)人員安置4～6人，只需定期巡檢即可，降低了人為操作失誤帶來的安全隱患，提高了主排水系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性[10]。

5 結(jié)論

以PLC 控制器為核心的礦井主排水泵自動控制系統(tǒng)，可根據(jù)水倉水位變化、涌水速率和用電“避峰填谷”原則，實現(xiàn)礦井水泵的自動啟停，降低工人的勞動強度，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，達到節(jié)能增效的目標。系統(tǒng)通過與地面調(diào)度指揮中心上位機相連接，實現(xiàn)遠程動態(tài)監(jiān)測與控制的功能，保證礦井排水系統(tǒng)的正常運行。