PLC技術下煤礦井下排水自動控制系統的設計與實現

摘 要：針對煤礦井下PLC自動排水控制系統，研究其PLC控制設計和系統結構設計，并探討其實現方式，提高PLC技術下煤礦井下排水自動控制系統水平，為煤礦井下安全提供保障。

關鍵詞：PLC技術：煤礦；井下排水；自動控制系統；設計與實現

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.199

煤礦井下排水狀況是關系采礦安全的一個重要因素，技術性要求較高，如果只依靠人工操作排水，不僅會增大工作人員負擔，而且會造成排水系統運行效率低等問題，影響排水效果。因此，設計以PLC技術為核心的煤礦井下排水自動控制系統，對工作效率提升、工作量減輕等有著重要作用，可以有效提高煤礦井下作業安全性。

1 PLC技術下煤礦井下排水自動控制系統的設計

（1）系統結構設計。本系統的設計目標是實現井下排水的無人值守自動化，需要系統具有自動控制、檢查設備，完成自動排水的功能，對此，采取的系統結構設計應包括三層，分別是管理層、控制層以及現場層，其中，管理層是通過上位機來進行人機對話、遠程控制，控制層是通過PLC完成相應的控制任務，現場層負責對井下情況的數據采集與上傳。

具體來說，該系統的結構主要包括：1）PLC遠程擴展單元，是系統的核心組成部分，具有數據存儲、運算、處理功能，根據運算結果，完成水泵的啟停；2）高壓柜綜保模塊，負責的是收集、傳遞電機運行參數，并維修電機故障；3）執行部分，包括就地控制箱、PLC外圍電控機，具有控制放水門、配水電機、水泵等設備動作的功能；4）檢測部分，包括PLC檢測體系、開關量信號等，開關量信號是由放水門、真空泵、配水閥以及電動閘閥等提供的；5）人機界面：屬于PLC的外延設備，是排水系統水泵設備運行、煤礦井下排水等情況的顯示界面，也是工作人員管理排水系統的平臺[1]。

（2）網絡組成設計。在本系統的網絡組成設計中，主要包括兩大部分，分別是遠程監控網絡與現場級控制網絡，其中，遠程監控網絡使用的是工業以太網，功能是實現上位機與現場控制層間的數據交換，由于PLC采用的是西門子S7-300系列，為保證遠程監控網絡結構的可靠，避免異構網絡安裝復雜的問題，在以太網通信模塊上，也需選擇西門S7-300系列對應的CP343-1，保證PLC、監控之間以太網通信的順暢、可靠；此外，為避免電氣、磁場等因素對通信信號準確性的干擾，系統還采取了以太網、光纖傳輸技術。

在現場級控制網絡中，由于受控設備、監測參數相對較多，傳統的接線方式不僅可靠性低，且難以維護，所以，應當設計采用現場總線技術，完成設備層、控制層間的數據傳輸。在現場總線網絡中，其模式為Profibus-DP網絡，使用的是西門子ET200分布式I/O，能夠實現小數量級、快速的循環通信，通信數據格式主要為數字量、模擬量。

（3）排水警報監控系統。排水警報監控系統對PLC排水自動控制系統起著重要補充作用，主要包括鏡下電視監視設備和通信系統，且能夠單獨使用，對各種條件的礦井都可以適應。在排水警報監控系統中，通信系統、監測系統間是彼此獨立的，通信主線為光纖，可以盡量減少通信系統信號傳遞過程所受到的干擾，保證地面接收信號的真實、可靠；同時，為便于光纖信號傳遞，通過會先把電信號經光端機處理后轉換為光信號，井下光端機進行還原，完成數據、語音的傳遞與分開，再通過井下設備把數據信號傳輸到相應的傳輸接口中，經由傳輸接口傳遞到各個分線盒中，語音信號被傳遞到對應話機[2]。

2 PLC技術下煤礦井下排水自動控制系統的功能實現

（1）半自動控制方式。半自動控制是人工與自動控制結合一種控制方式，在此種方式下，操作人員可以通過PLC控制柜、終端監控觸摸板等，監控水泵的工作、啟停情況；并根據需要，通過觸摸板下達相應的啟停指令，操作命令會通過網絡傳遞到CPU中，PLC會根據控制邏輯，完成相應的水泵啟停控制。

（2）全自動控制方式。全自動控制方式就是完全以PLC進行控制的方式，操作人員只需要對系統工程進行監測，自動控制系統會根據煤礦井下的水位情況，自動采取相應的控制措施，完成啟停。同時，井下排水全自動控制多遵循節能省電的運行原則，采取比例微分控制的方式，提高排水的經濟性，在平時段、谷時段與峰時段的具體控制策略包括：盡量減少在峰段的抽水、降低谷段水位上限值來最大程度的降低谷段結束后煤礦井下水位。在全自動控制方式中，水位值的微分處理是一個重點內容，了解水位的變化情況，在水位出現突然加快等情況時，能夠采取提前啟動水泵等措施來加以控制，預防井下水過多造成的安全事故[3]。

（3）突發情況的控制。在煤礦井下，由于其地質狀況的復雜性、特殊性，其涌水是不可控制、難以預測的，可能會出現涌水事故，為預防涌水造成煤礦安全事故，應急排水也是井下排水自動控制系統的一項重要要求。所以，在PLC煤礦井下排水自動控制系統中，設計涌水檢測是被，實現對涌水等突發情況的及時檢測，并將監測信號傳遞到控制中心中，快速開啟連鎖防護裝置；同時，在井下排水管路等條件允許情況下，通過多臺水泵的同時啟動，來將涌水迅速排出，減輕其對煤礦造成的損失。

3 結語

綜上所述，煤礦井下排水系統是煤礦產生安全的重要保障，主要包括水泵、排水管、吸水管等，其傳統的運行方式大多是連續運行，存在工作效率低、能耗大、故障率高等弊端，難以達到當前煤礦生產的需求。PLC具有先進的控制功能，設計以PLC為核心的煤礦井下排水自動控制系統，構建合適的系統結構，通過相應的網絡設計、模塊設計等，實現對排水系統各設施的實時監控，優化排水系統運行水平，提高排水系統的排水能力，對煤礦井下開采安全有著重要意義。

參考文獻：

[1]季振華.基于PLC的煤礦井下排水自動控制系統設計研究[J].煤炭技術，2013（09）：86-88.

[2]蔡曉東.基于PLC的煤礦井下排水自動控制系統設計[J].煤炭技術，2013（11）：93-94.

[3]陳維仁.煤礦井下排水自動控制系統的研究與實現[J].中小企業管理與科技（上旬刊），2010（02）：163-164.

作者簡介：付勇（1983-），男，河北灤南人，工學學士，助理工程師，研究方向：煤礦井下供電、供排水。