煤礦自動排水監控系統研究

【摘 要】本文采用 PLC 與上位機相結合的井下主排水自控系統代替原有的手動操作系統，實現了煤礦井下主排水系統的就地和遠程監控，彌補了傳統繼電器控制的不足，增強了系統穩定性和可靠性，具有操作方式簡單，設備使用壽命長和安裝、維護方便等特點。

【關鍵詞】煤礦；排水；監控

0 引言

我國是一個產煤大國，但同時煤炭也是我國的主要能源，隨著人們生活水平的日益提升，對煤炭的需求量也在日益增加，如何保障煤礦安全有效的生產則成了一個十分重要的問題。現階段，我國煤礦安全事故時常發生，其中以瓦斯爆炸和水災害最為頻繁和嚴重。井下排水系統作為煤礦生產的六大系統之一，其最重要的任務就是排除井下積水，即是把流入井下巷道和工作面的礦井水排送至地表，及時有效地排出井下積水對保障煤礦安全、正常生產具有十分重要的意義。

1 煤礦自動排水監控系數設計

系統以礦用可編程控制防爆箱為核心，采集包括水倉水位、真空度、壓力、溫度、電流、電壓等機械和電氣參數，對水泵的運行狀態進行實時監控，當接收到來自顯示操作臺的控制命令時，可對水泵等相應設備進行啟動、停止等控制操作，還可以將運行數據通過工業以太網傳送至上位機，并通過上位機對井下排水設備進行監測和控制，實現遠程監控。礦井下主排水自控系統主要由遠程監控上位機、PLC 控制箱、顯示操作臺、交換機、閥門、傳輸光纜、傳感器和礦用攝像儀等設備組成，根據硬件結構可分為現場層、控制層和管理層三級網絡體系。

控制層包括 PLC 防爆控制箱和顯示操作臺。PLC 防爆控制箱作為主排水自控系統的控制核心和數據采集中心，用于采集水泵及其關聯設備的運行狀態信息，并與管理層的上位機通過工業以太網交換實時數據，對各設備集中監控；顯示控制臺由文本顯示器、指示燈、按鈕和開關組成，可以顯示各設備狀態，并對水泵和關聯設備進行就地控制。

現場層包括水泵和與其相關聯的設備，還有防爆攝像儀。其中防爆攝像儀安裝在水泵房中，用于監控水泵房的情況；水泵關聯設備則包括各類傳感器和電動閥門等等，例如設備開停傳感器用于檢測水泵、真空泵的啟停狀態；水泵出水口的壓力用壓力傳感器來檢測；水泵真空度用真空度檢測傳感器檢測；液位傳感器用來實時檢測水倉水位；流量傳感器用來檢測排水管道流量；溫度傳感器檢測電機軸溫和水泵軸溫；用水泵開停傳感器來檢測水泵的開停狀態；用真空閥控制水泵啟動的真空度；用電動閘閥和電磁閥替換原手動操作系統的手動閥門和排空閘閥，實現出水閘閥和真空閥的自動控制。

井下主排水管路主要硬件選型。

每臺水泵均與 1#主排水管路和 2#副排水管路連接，并分別在支路上安裝有排水閘閥，在排空管路上安裝有主、副真空閥。另外，主副排水管路均安裝有流量傳感器，每臺水泵出水口安裝有正壓力傳感器，水泵吸水口安裝有負壓力傳感器來檢測水泵的真空度，在水泵電機安裝 PT100溫度傳感器，檢測電機軸溫和水泵軸溫，所有傳感器的信號電流均為 4mA～20mA。在水倉中安裝有兩套液位傳感器，一套為超聲波傳感器，用來檢測水倉水位的細微變化，可在文本顯示器和上位機組態監控系統顯示具體的數值，主要用來判斷水位的上升、下降趨勢，另一套為本安式數字液位開關，即是3 套浮球液位開關，根據浮球的浮沉情況設置了 4個液位高度，使系統能根據水位變化情況自動開停水泵等。礦井下主排水系統采用了3臺礦用隔爆型三相異步電機分別作為三臺水泵的驅動，電機的主要參數：功率450kW，電壓6kV。3臺水泵均為礦用耐磨型離心泵，其揚程為210m，流量為 85m3/h，正常情況下一臺工作，一臺備用，一臺檢修。

根據系統需求，井下主排水自控系統的 PLC 信號主要包括三種：數字量輸入信號、數字量輸出信號和模擬量輸入信號。其中數字量輸入信號主要包括各水泵工作方式的選擇、水泵的啟動和停止信號、水泵控制方式的選擇、主副真空泵的選擇、真空泵的啟動停止、急停、復位、浮球液位開關和排水閘閥、電磁閥的開關到位信號等；數字量輸出信號則包括水泵的啟動停止控制信號、故障指示、急停指示、水泵運行指示、水位超限指示、排水閘閥和電磁閥開關控制信號等；而模擬量輸入信號則有水泵出水口正壓力、水泵吸水口負壓力（即真空度）、水泵軸溫、電機軸溫、主副排水管路流量、水泵電機的開停檢測和水倉水位等。因此，PLC 各模塊具體的信號連接方式如上圖B所示：

根據系統的 I/O 點數我們選擇西門子公司的S7-200系列 PLC作為控制核心，包括1個 CPU226CN模塊，1個EM223CN數字量I/O擴展模塊，5個EM231模擬量輸入擴展模塊，1 個CP243-1 通訊模塊，所有模塊總共有56個數字量輸入點，48個數字量輸出點，20個模擬量輸入點，系統點數仍有余量，可作為以后擴展功能用。

（2 結論

井下自動排水自控系統以西門子的S7-200系列PLC為控制核心，采用PLC上位機相結合的方式，成功實現了煤礦井下主排水系統的自動監測和控制。該系統通過對水倉水位和系統其它參數的監測，實現了對水泵啟停的自動控制和合理調度等，并從程序上實現了水泵的輪換工作、避峰就谷等功能。實現了煤礦井下主排水系統的就地和遠程監控，彌補了傳統繼電器控制的不足，增強了系統穩定性和可靠性，具有操作方式簡單，設備使用壽命長和安裝、維護方便等特點。

[責任編輯：楊玉潔]