煤礦井下自動排水系統的設計

李好麗,楊雙義

(鄭州華信學院,河南新鄭,451150）

0 引言

本課題根據我國煤炭行業發展需要，針對現有某些井下排水自動化控制系統在安全性、可靠性、經濟性等方面的不足，以某礦低瓦斯礦井中央水泵房自動化建設項目為研究背景，設計一種礦井主排水自動控制系統。礦井排水系統由排水系統硐室和排水設備設施兩大部分組成。礦井主排水系統硐室主要由主排水泵房硐室、水倉和管子道組成；礦井排水設備設施主要由水泵、電動機、供電電纜、排水管、閘閥、逆止閥、底閥或引水裝置、壓力表、真空表、啟動控制開關等組成。本設計工作包括：(1)了解井下主排水系統的結構及工作原理，對系統總體結構進行設計，包括水泵房管網結構設計，控制系統網絡結構設計，PLC系統結構設計，以及系統功能設計；(2)對控制系統硬件進行設計，包括PLC硬件模塊選型與地址分配；(3)利用STEP 7軟件，對控制系統PLC軟件部分進行設計，包括PLC硬件組態，PLC網絡組態，以及控制程序設計；

1 排水控制系統的總體設計

1.1 排水控制系統總體設計

如圖1所示水泵房排水管路具體排水線路情況，圖中有水泵機組5套，出水管線2條。每一個排水泵與兩條管路相連，當其中一條管路故障時，可啟動另一條管路繼續工作。

1.2 PLC控制系統

排水自動控制系統PLC結系統由PLC（可編程邏輯控制器）、觸摸屏、檢測部分（模擬量和開關量采集）、執行部分等組成。PLC控制器作為控制系統的核心部分，用于完成對檢測量的運算、存儲和上傳，并根據檢測結果進行邏輯處理，控制水泵及其附屬設備的啟停，并能快速響應上級計算機的控制命令。

該部分包括：CPU模塊、數字量輸入模塊、模擬量輸入模塊、數字量輸出模塊、通信模塊、以及觸摸屏等。采用上位機動態監控水泵及其附屬設備的運行狀況。能實時顯示水位、流量、壓力、真空度、溫度、電機電流等參數，顯示電動閘閥、電動球閥、水泵、電機等的工作狀態，能超限報警顯示，故障點報警閃爍顯示等。同時具有故障信息記錄、歷史數據查詢、數據報表生成等功能。

表1 主站I/O地址分配

2 排水控制系統硬件設計

2.1 西門子S7-300系列PLC

S7-300由多種模塊部件所組成，各模塊能以不同方式組合在一起，從而使控制系統設計更加靈活，滿足不同的應用需求。它主要由中央處理單元（CPU）、負載電源模塊（PS）、信號模塊（SM）、通信處理模塊（CP）、功能模塊（FM）、接口模塊（IM）等幾個模塊構成。

2.2 主站I/O地址分配

本設計根據對主站I/O點數的統計，以及對主站設備的選型，來分配主站I/O設備的地址。如表1所示。

圖2 自動控制策略流程圖

圖1 水泵房排水管路結構圖

3 排水控制系統PLC軟件設計

3.1 S7-300PLC站的硬件組態

硬件組態是STEP 7軟件的一項重要功能。STEP 7軟件中的“硬件組態”，就是模擬真實的PLC硬件系統，將CPU、電源和信號模塊等設備安裝到相應的機架上，并對PLC硬件模塊參數進行設置和修改的過程。當用戶需要修改模塊的參數或地址，需要設置網絡通訊，或者需要將分布外設連接到主站的時候，都要做硬件組態。

3.2 全自動控制的實現

控制流程如圖2所示。即當PLC讀取的水倉水位值為H4時，表示水倉水位低于低限水位，水泵機組將不投入運行；水位值超過H3，并且時間為電價谷段或者平段，一臺水泵機組投入運行，如果為峰段時間，則等待水位上漲到H2時，投入一臺水泵機組運行；當一臺機組處于運行狀態時水位仍然上漲到H1，則繼續投入一臺機組運行，如果水位仍然上漲，則陸續投入更多水泵。水位下降到H4時，水泵機組退出運行。

[1]白銘聲.礦井排水裝置運行與選擇設計.北京:煤炭工業出版社,1990.

[2]史麗萍,張廣龍.礦井中央水泵房綜合自動化系統的設計模式.煤炭機電,2005,4:8-10.

[3]馬德譯.礦井高揚程水泵的雙電機拖動.國外金屬礦山,1994,2:51-53.

[4]楊福新譯.礦井排水泵最佳使用期與管道清理周期的確定.國外金屬礦山,1994,2:41-45.

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