基于PLC控制的煤礦井下自動排水系統的研究

姚武江

（陽煤一礦機電工區井下機電隊， 山西 陽泉 045000）

引言

目前，多數井下排水系統仍然依賴于人工進行啟停操作及數據記錄，不僅需要在井下泵房內安排專門的人員進行不間斷值守而且在排水時需要工人按順序完成對水泵的操作，工作量大、控制效率低下，同時在排水控制時并沒有考慮到“避峰填谷”要求，造成了電能的極大浪費，因此迫切需要建立起一個高度集中化的井下排水自動控制系統，實現對煤礦井下排水裝置的集中控制，實現井下泵房的無人化，提高排水系統的控制效率和控制靈活性[1]。

1 井下自動排水控制系統整體結構

該新型煤礦井下自動排水控制系統主要由用于對井下排水系統進行自動控制的井下泵房和完成數據集中控制、分析、監控的井上調度監控中心構成。

該自動排水控制系統的控制模式主要包括遠程自動控制和手動控制模式。在遠程自動控制模式下，根據積水區域內液位傳感器返回的水位實時情況，自動判斷是否需要開啟水泵及需要開啟的水泵數量，在整個過程中PLC控制中心對排水系統進行信息監測和控制；在手動模式下，根據積水區域水位的變化情況，通過井下泵房控制臺上的開關對水泵進行啟、停控制。值班人員根據排水的流程，按照順序手動控制相應的設備進行啟、停止[2]。

2 井下泵房自動控制系統

井下泵房的自動控制原理如圖1所示，為了確保井下泵房排水控制系統在煤礦井下惡劣環境中工作的可靠性，其控制裝置采用可編程控制器PLC，并將PLC設置于泵房內的綜合防爆箱內，減少外界粉塵和潮濕空氣的影響。

圖1 井下泵房自動控制系統

在煤礦井下泵房自動控制系統中，由處于控制核心的中央控制單元PLC完成對該泵房控制范圍內各排水裝置實時工作數據的采集和狀態監控，位于積水區域的液位傳感器將對積水區域的積水水位的變化進行不間斷監測，并將監測數據轉換為電信號后以開關量和模擬量的形式傳遞到PLC控制中心，位于各排水裝置上的電流、電壓傳感器、電機溫度傳感器等主要用于對排水裝置在工作時的電流、電壓和工作溫度進行監測，并將監測數據以模擬量信號的形式傳遞到PLC控制中心，系統中的流量計用于實時監測排水系統的水流量，并將流量數據匯集到PLC控制中心進行統一的匯總處理，實現對整個排水控制單元內各排水裝置運行狀態的實時監測和控制[3]。

為了實現排水系統“避峰填谷”的工作方式，我們通過對排水裝置電機的工作方式進行編程控制，當PLC控制系統判定液位傳感器返回的積水變化情況后根據數據的實時更新情況，自動控制各排水裝置的啟動或者停止，并且會根據水位變化的快慢判定需要同時開啟的排水裝置的數量。在該控制系統中為了確保各排水裝置的工作壽命，其采用了“輪休”的控制模式，根據預設的控制程序合理控制各排水裝置的工作時間，優化系統排水的方式，顯著地提高了排水裝置的使用壽命，同時，系統也會根據煤礦井下用電的情況采用“避峰填谷”的工作原則，合理控制排水裝置的工作時間，提高電能利用效率減少電能的消耗。

3 井下泵房自動排水控制過程

在煤礦井下自動排水系統中，利用PLC中央控制功能，并結合電氣控制設備及各類傳感器設備共同組成了自動排水控制系統，在該控制系統中最主要的是對水泵啟動、停止過程的邏輯控制，其控制結構如圖2所示。

圖2 井下泵房自動排水控制過程

在控制啟動時，由PLC控制系統通過液位傳感器反饋的信號實時對積水區域的水位情況進行監測，在控制系統中設置有水位上限值，當積水區域的水位達到設定值后，控制系統控制射流泵對水泵抽真空，此時積水區域內的水會在外界大氣壓強的作用下壓入到離心泵內，當壓力傳感器檢測到真空度達到系統設定值后，壓力傳感器向PLC控制系統發送一個反饋信號，然后PLC控制系統控制排水裝置的電機啟動，使出水口處的壓力增加，當出水口處的壓力達到系統的設定值，壓力傳感器向PLC控制中心發出一個反饋信號。

當積水區域的水位下降到系統設定值時，系統發出停止的指令，關閉出水口處的電動閘閥，防止停止后的水錘效應損壞水泵，當電動閘閥徹底關閉后再控制水泵電機[4]。

4 排水裝置輪換制的實現方式

為了確保各排水裝置能夠實現輪換，延長其使用壽命，在對該控制系統設置程序時，為每個排水區域內的n個水泵分配2個數據信息寄存器，其中一個寄存器用來記錄各水泵工作的次數，另一個寄存器用來儲存各水泵的運行時間，在PLC控制系統每次控制水泵開始工作時會首先對2個寄存器內的數據進行邏輯換算，將各水泵的啟動次數和運行時間進行排序，使自動啟動運行時間最少的水泵進行工作，在完成每次排水后，各寄存器對數據進行一次更新，并對原始數據進行覆蓋處理，從而避免長時間工作后寄存器內數據溢出，當某個排水裝置出現故障時，系統自動報警，并自動切換到其他水泵繼續完成排水工作。

5 結論

基于PLC控制的煤礦井下自動排水系統實現了對煤礦井下各排水單元的集成控制，建立了“避峰填谷”的排水控制模式，克服了排水設備可調節性差、自動化程度低、異常涌水等缺點，極大地優化了井下排水系統的運行可靠性，提高了其使用壽命。

[1]王云花，李大峰.基于PLC的礦井中央泵房自動控制排水系統[J].煤礦機電，2011（1）：83-85.

[2]李訓杰.MCGS組態軟件在供水自動化監控系統中的應用[J].工業控制計算機，2005，18（2）：51.

[3]于治福，李旭鳴，商德勇，等.基于PLC的煤礦主排水泵自動控制系統設計[J].煤礦機械，2010（1）：24-26.

[4]溫國棟.基于ARM的煤礦自動排水監控系統的研究[D].西安：西安科技大學，2009.