基于三菱PLC的煤礦礦井自動排水系統的設計與實現

鄭德生++蒲創++代雪峰++朱承杰

摘 要：目前，如何提高礦井中排水系統的使用效率以及提高排水設備的穩定性方面做出了大量的研究。隨著對于礦山井下安全生產要求的提高，對于井下排水系統的安全性與可靠的重視程度也得到了提高。本文針對井下排水系統人工管理的不當之處，提出了基于三菱PLC的煤礦礦井井下排水系統。本文描述了系統的組網結構、硬件組成和基本功能，從硬件軟件兩方面詳細論述了排水系統引水方式、水位監測、控制功能、報警與故障保護功能等關鍵要素的設計思路和實現方法。

關鍵詞：PLC；煤礦礦井；自動排水

中圖分類號：TH139 文獻標識碼：A

0.引言

新疆地形特殊，干旱少雨，礦井開采深度較淺井型較小且涌水量少，新疆礦井排水時間及排水量遠遠低于內地，使內地智能排水控制系統很難符合新疆礦井排水系統要求，故設計出符合新疆礦井特點的智能排水控制系統具有重大意義。

目前隨著計算機技術和自動控制技術的發展，PLC技術與變頻技術被廣泛應用于各個領域，煤礦自動排水系統也多以PLC作為控制核心，通過PLC采集外圍傳感器和水泵的運行狀態和參數，對水泵中的設備進行合理地調度和控制，并且通過現場總線技術，實現對于水泵房的“遙測、遙信、遙控、遙調”的目的。

本文采用三菱PLC作為主控制器，采用變頻器作為控制水泵的核心設備，采用數字式的流量計與數字式液位傳感器，數字式流量傳感器作為傳感采集單元，通過對水位的觀察與觀測，獲取相關的信息，達到多級響應控制的方法。

1.系統硬件結構及設計

礦井下主排水系統的主設計圖采用了雙排水管系統，系統中設計了排水和排空兩套管路，其中排水管路分為1#主排水管路和2#副排水管路。由于一般情況下，礦井下的環境相對比較復雜，為了確保系統的穩定性，采用了3臺水泵作為排水設備。正常情況下一臺工作，一臺備用，一臺檢修。此外，為保證水泵中形成足夠的負壓，采用了止回閥阻止水泵腔體中流回到水倉中，也能夠有效防止水錘現象。

如圖1所示為系統的功能模塊圖，其中采用的主控制器為FX3U-48MR作為主控制器，采用FX3U-485_BD作為PLC與多個傳感器之間的聯系的方法。而傳感器均選用具有RS485收發功能的傳感器。壓力傳感器主要是作為測量水位的傳感器，其中選用為星儀公司的CYYZ11壓力傳感器，可以根據當前水位的變化，選擇合適的量程，其精度范圍一般為0.5%。功率傳感器選用的是浙江立新公司的多功能電度表。該功能模塊具備良好的特性，器功耗僅僅為1W，測量范圍為32A，7000W，能滿足小型系統的基本需求。流量模塊采用的是威爾太生產的LWGY（脈沖信號輸出）智能渦輪流量傳感器和上海威爾太儀表WL-LK801智能五位流量積算儀。流量積算儀可以作為現場設備，能在現場顯示出流量的大小，而智能渦輪流量傳感器能比較快地反應出現場流量的變化。變頻器采用的是模擬量輸入的方法，該方法建檔方便，只需要進行基本的設定，就能開始工作。

2.系統功能設計

系統不僅需要完成相應的功能，而且需要保證系統工作在合理的范圍內，確保整個系統耗費的功耗最低，這是滿足當前節能的國情的。本系統以研究泵效最優問題為目標，構建相應的方案，即系統在運行后，根據水位的情況，從而進行相應的響應流程，如圖2所示。

對于水泵功率的控制的方法一般采用的有兩種，一種是變閥門的，一種是變水泵速度的方法，本項目選定了變速度的方法，作為控制的手段。根據泵效的公式：

η=Pe/P

其中P為泵的功率通常指輸入功率，即原動機傳到泵軸上的功率，故又稱軸功率，Pe為有效功率，即泵的揚程和質量流量及重力加速度的乘積。

Pe=ρgQH（W）或Pe=γQH/1000（kW）

但是考慮到現實的情況，本系統中，考慮泵效的最優，考慮的時候泵的控制系統所占的功耗。系統中在變頻器前安裝了功率測量儀，作為變頻器和水泵的總功效。于是對于本系統有η=Pe/P=ρgQH/PC

此時：PC為測量的功率。由于抽的是水，為1.0× 103kg/m2，重力加速度g也為定值。其H在固定水位的時候，高度不變，只有在水位發送變化的時候，水位有所改變，為此，本系統主要測量流量Q與H乘積與功率之間的比值，就可以獲得其效率的最大值。

結語

煤礦自動排水系統以PLC控制器為核心、RS485總線作為數據傳輸的平臺，配置帶有RS485協議格式的流量傳感器、水位傳感器以及功率傳感器和電動閥門為探測執行器，采用自動控制技術和HMI人機界面技術對煤礦井下排水系統進行實時監測與控制，可實現井下排水的無人值守和自動運行，有效降低排水系統運行成本，減輕工作人員勞動強度，提高煤礦自動化水平和運營管理水平。

參考文獻

[1]張喜萍，譚一川，程玉龍.煤礦排水自動控制系統的設計與研究[J].自動化儀表，2013（6）：45-47.

[2]植海深，盧德明，張應紅，等.礦井自動排水系統綜述[J].大眾科技，2012（6）：120-122.