基于PLC的井下排水系統(tǒng)自動(dòng)控制過程設(shè)計(jì)

魯葉云

(晉城煤業(yè)集團(tuán) 成莊礦， 山西 晉城 048014)

礦井涌水是威脅煤礦井下安全的重要因素之一，一旦發(fā)生礦井透水事故，不僅影響煤礦安全生產(chǎn)，甚至危及礦工生命安全。目前，部分礦井排水系統(tǒng)還在使用傳統(tǒng)的人工操作模式，依靠人工定期、定時(shí)對(duì)儲(chǔ)水倉水位進(jìn)行觀察，由經(jīng)驗(yàn)判斷是否開啟水泵進(jìn)行排水作業(yè)。這種排水系統(tǒng)控制模式應(yīng)急性差、操作時(shí)間長(zhǎng)，無法滿足礦井排水的要求，存在極大的安全隱患。針對(duì)礦井排水系統(tǒng)存在的問題，俄羅斯學(xué)者在分析排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立排水系統(tǒng)控制模型，并提出水泵流量測(cè)量方法以及自動(dòng)控制系統(tǒng)；國內(nèi)學(xué)者對(duì)儲(chǔ)水倉水位監(jiān)測(cè)、排水控制策略、排水效率以及節(jié)能降耗等進(jìn)行研究[1-4]. 本文以PLC控制技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)排水系統(tǒng)的水位監(jiān)測(cè)、工作模式、水泵自動(dòng)調(diào)度等進(jìn)行研究，構(gòu)建排水自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制

水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)是利用水位傳感器對(duì)儲(chǔ)水倉水位的高低進(jìn)行判斷，當(dāng)水位達(dá)到約定高度時(shí)觸發(fā)水泵啟動(dòng)、水泵停止命令。儲(chǔ)水倉水位模型見圖1，將水位一共分為H1—H55個(gè)高度，其中H2為排水水位，即儲(chǔ)水倉水位達(dá)到該高度時(shí)，需要啟動(dòng)水泵進(jìn)行排水作業(yè)；H4為警戒水位，需要啟動(dòng)至少兩臺(tái)水泵進(jìn)行排水作業(yè)；H5為極限水位，需要啟動(dòng)所有水泵進(jìn)行排水，同時(shí)發(fā)出“儲(chǔ)水倉水位達(dá)到極限”的報(bào)警信號(hào)。5個(gè)水位信號(hào)由水位傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)并將信號(hào)傳送給PLC控制器，參與排水自動(dòng)控制系統(tǒng)的邏輯控制過程。水位傳感器采用西門子超聲波液位計(jì)+本安數(shù)字式水位開關(guān)實(shí)現(xiàn)。超聲波液位傳感器利用超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的監(jiān)測(cè)，安裝于儲(chǔ)水倉倉內(nèi)，兩線制，輸出信號(hào)為4～20 mA的模擬電流信號(hào)，傳送給PLC控制器參與邏輯控制。本安數(shù)字式水位開關(guān)安裝于吸水井中，作為防止水位過高的保護(hù)設(shè)備。

圖1 儲(chǔ)水倉水位模型圖

1.2 工作模式設(shè)計(jì)

為適應(yīng)排水系統(tǒng)自動(dòng)控制需求，將工作模式分為遠(yuǎn)程、就地兩種，通過旋轉(zhuǎn)按鈕進(jìn)行模式選擇。排水系統(tǒng)的工作方式分為自動(dòng)、半自動(dòng)以及手動(dòng)3種，根據(jù)排水需求以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行選擇。手動(dòng)控制方式與原人工控制流程一致，但只需要通過按鈕即可實(shí)現(xiàn)，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。半自動(dòng)控制方式主要用于系統(tǒng)后期調(diào)試以及有特殊要求的場(chǎng)合。自動(dòng)控制方式為排水系統(tǒng)投入使用后的常用模式，排水系統(tǒng)根據(jù)儲(chǔ)水倉水位實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化。

1.3 水泵自動(dòng)控制策略

全自動(dòng)控制方式下排水系統(tǒng)水泵啟動(dòng)/停止控制策略見圖2. 所設(shè)計(jì)的排水系統(tǒng)有工作、備用、檢修3個(gè)水泵，以儲(chǔ)水倉實(shí)時(shí)水位為基本控制條件，以系統(tǒng)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)為參考，實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)水泵的全自動(dòng)運(yùn)行、停止控制，實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的少人、無人值守。啟動(dòng)水泵時(shí)，綜合考慮儲(chǔ)水倉水位、涌水量、水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)、儲(chǔ)水倉水位上漲趨勢(shì)以及“避峰就谷”等因素，保證將儲(chǔ)水倉水位控制在安全水位線以下的同時(shí)，減少水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)、降低水泵用電量。

圖2 水泵啟動(dòng)/停止調(diào)度策略圖

在對(duì)水泵進(jìn)行自動(dòng)控制時(shí)，根據(jù)實(shí)際使用情況，可以采用“高低水位”控制、“水泵輪換工作”控制、“避峰就谷”控制以及改進(jìn)型的“避峰就谷”控制方式[5-6].

當(dāng)儲(chǔ)水倉水位達(dá)到低限，或者水泵輪換時(shí)間定時(shí)停止時(shí)間到時(shí)，可以將水泵停止運(yùn)行。另外，在采用“避峰就谷”或者改進(jìn)型“避峰就谷”控制方式時(shí)，如果儲(chǔ)水倉水位沒有達(dá)到警戒水位H4，則停止水泵運(yùn)行，待等到用電谷段時(shí)，開啟水泵并控制水位至H1.

1.4 PLC軟件控制流程

所設(shè)計(jì)的排水系統(tǒng)自動(dòng)控制過程的PLC軟件控制流程見圖3，根據(jù)水倉水位、涌水量對(duì)工作、備用、檢修3臺(tái)水泵的啟動(dòng)/停止進(jìn)行自動(dòng)控制。PLC程序開始運(yùn)行后，首先完成系統(tǒng)的初始化，重點(diǎn)包括儲(chǔ)水倉水位參數(shù)設(shè)置、控制模式/控制方式設(shè)置、水泵參數(shù)設(shè)置以及PLC程序中用到的變量、內(nèi)存的初始化。利用超聲波液位傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)水倉的水位，當(dāng)水位高于下限值H1時(shí)，開啟工作水泵，否則，如果有水泵開啟，則停止運(yùn)行所有水泵。開啟工作水泵后，如果流入儲(chǔ)水倉的水量大于排出儲(chǔ)水倉的水量，即超聲波液位計(jì)實(shí)時(shí)檢測(cè)出的水位還在不斷上升，則開啟備用水泵進(jìn)行排水。如果儲(chǔ)水倉的水位超過警戒水位H4時(shí)，則開啟檢修水泵進(jìn)行排水，同時(shí)發(fā)出水位過高報(bào)警信息。

2 應(yīng)用情況

將所設(shè)計(jì)的排水自動(dòng)控制系統(tǒng)在某礦進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，該礦井正常涌水期涌水量為657.9 m3/h，日排水時(shí)間為12.90 h，只開啟工作水泵即可完成排水任務(wù)。最大涌水期的涌水量為1 040.2 m3/h，日排水時(shí)間為10.01 h，同時(shí)開啟工作、備用、檢修3臺(tái)水泵可完成排水任務(wù)。每日16:30到次日7:30為用電谷段，設(shè)置為自動(dòng)模式進(jìn)行排水，可滿足該礦井的排水需求。該礦井排水系統(tǒng)在正常涌水期和最大涌水期水泵工作情況見表1.

圖3 排水系統(tǒng)PLC自動(dòng)控制流程圖

表1 正常涌水期與最大涌水期水泵工作情況表

該礦井排水系統(tǒng)采用自動(dòng)控制系統(tǒng)后，與傳統(tǒng)手動(dòng)控制模式相比，經(jīng)濟(jì)效益效果明顯。手動(dòng)模式與自動(dòng)模式排水費(fèi)用比較見表2. 由表2可以看出，采用自動(dòng)控制系統(tǒng)排水后，每天工作時(shí)長(zhǎng)由24 h減少至8 h，排水系統(tǒng)一年的費(fèi)用支出由3 355.7萬元下降至2 078.4萬元，平均每年節(jié)省1 277.3萬元。

表2 手動(dòng)模式與自動(dòng)模式排水費(fèi)用比較表

3 結(jié) 語

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的煤礦井下排水系統(tǒng)自動(dòng)控制過程以PLC控制技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合傳感器技術(shù)，對(duì)礦井排水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制過程設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了排水系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，提高了排水系統(tǒng)的工作效率。該排水系統(tǒng)已經(jīng)在礦井中得到應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定，可對(duì)儲(chǔ)水倉水位精確控制，滿足礦井排水系統(tǒng)需求。