自動化排水控制系統在煤礦中的應用

袁傳增 楊洪科

摘 ?要：文章從自動化排水控制系統的結構分析入手，結合先進的PLC和計算機技術等改善自行設計了一款適用于煤礦行業的自動化排水控制系統。在實際應用中，該系統的安全性和效率比傳統方式較高，故障率也較低，操作更加便捷，對于進一步改善煤礦行業的排水系統具有一定的指導意義。

關鍵詞：自動化;排水控制系統;煤礦生產;應用

中圖分類號：TD744 文獻標志碼：A ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）13-0155-02

Abstract： Based on the structure analysis of automatic drainage control system and the improvement of advanced PLC and computer technology， an automatic drainage control system suitable for coal mine industry is designed in this paper. In practical application， the safety and efficiency of the system is higher than the traditional way， the failure rate is also lower， and the operation is more convenient， which has a certain guiding significance for further improving the drainage system in the coal mine industry.

Keywords： automation; drainage control system; coal mine production; application

1 自動化排水控制系統的結構分析

在對自動化排水系統進行實際應用時，必須在排水前處理耐磨離心泵，通常采用的方法是管道余水射流、水環真空泵射流、管道余水抽空等方式。如果選擇射流方式，就必須選擇配套的射流管道控制閥門、射流總成、真空管道閥門等部件，將水泵體內的空氣抽空，以便后續應用。如果選擇水環與之相結就必須選擇配套的真空管道控制閥門、水環真空泵和管道控制閥門等。此外在實際運用時，還必須估算真空體積，明確真空泵的型號，以免出現真空泵不匹配的情況發生。

2 自動化排水控制系統設計

排水控制系統總體框架如圖1所示，由圖可知該系統可分為監控硬件設備和軟件。下面從監控設計和軟件設計兩個方面來開展自動排水系統的設計。

2.1 監控設計

2.1.1 地面控制中心

地面控制中心是以工控機作為平臺的自動化排水監控軟件，其一般建在礦井機電生產指揮中心，主要功能是轉達控制器參數，同時也是人機交互的核心，將數據以圖表的形式進行存儲和顯示，并承擔檢測、維護和報警的任務。管理員需要獲得相應權限才能對設備進行操作和訪問，監控整個系統的運行狀況，從屏幕上隨時掌握井下水倉的運行情況，實施遠程監視，同時分析實時數據，不斷地進行修正和更新。

2.1.2 水倉監控系統

本文的排水系統井下水倉有小水倉、中轉水倉和主水倉三種規格的水倉，通過22kW排沙泵將小水倉的水抽到中轉水倉，再由中轉水倉進入主水倉。在整個抽水工程，監控需要覆蓋各個水倉，以免出現監控盲區和隱患，因此在小水倉和中轉水倉以及主水倉都設置有監控系統。

2.1.3 中轉水倉監控系統

中轉水倉使用的泵是250kW或者500kW的離心泵，該泵設置有雙回路排水開關。為了檢測水位，設置有液位傳感器;為了監測泵的流量，設置有流量傳感器;為了監測泵的抽水壓力，在管路上設置有壓力傳感器;為了實現流量可調，在管路上還設置有電動球閥等閥門。雙回路排水開關將采集到的數據通過光纖傳遞到地面控制中心，以便操作人員進行記錄或執行相關操作，其具體的控制原理如圖2所示。

2.1.4 中轉水倉監控設備

（1）雙回路開關：該監控設備的核心部件，主要是將各個傳感器采到的數據傳遞到該部件的PLC中，由PLC將信號通過光纖傳到地面控制中心。在該部件內部配有UPS電源，目的是給PLC和各類傳感器供電。在斷電時可最長供電6h。（2）液位傳感器：監控水倉液位的核心部件，本文采用的是滿量程為5m的GUY5型液位傳感器，其精度為0.02m。（3）壓力傳感器：監控水倉中液體壓力的核心部件，采用壓阻式原理來進行對壓力的監控，輸出的是電流信號（4-20mA）或者是電壓信號（1-5v直流電）。本設計選用的壓力傳感器是型號為GUY60的兩線制輸出信號為4-20mA電流信號的傳感器，通過檢測排氣處的壓力來判斷離心泵是否注滿水，出水口最大壓力為15MPa，排氣口最大為0.5MPa。（4）流量傳感器：本系統采用的是型號為LCZ803系列的數字超聲波流量計，利用超聲波在液體中順流和逆流的速度差與流速成正比的關系來檢測流量的變化。該流量計額定電壓為24V，輸出信號為4到20mA的電流信號，可測量范圍為0到500m3/h。（5）電動球閥：本系統采用的是型號為DFB20/10Q系列的礦用電動球閥，其額定電壓為24V，有手動和自動兩種方式來實現注水和排水功能。（6）電動閘閥：本系統采用的是型號為Z941H40C系列的礦用電動閘閥，其額定電壓為660V，有手動和自動兩種方式來實現的啟停控制。（7）遠程控制：當雙回路開關切換到遠程控制時，上位機對排水系統進行相應的控制，包括實現注水、排氣、閥門開關、泵啟停以及故障復位等操作。一旦出現故障，上位機都可以通過上位機的復位鍵來一鍵復位。（8）小水倉監控系統：直接由QJZ2/30開關來控制，安裝有防止倒流的逆止閥。QJZ2/30開關能檢測高低水位和報警水位，高于高水位則泵進行排水;低于低水位則停泵;高于報警水位則報警。

2.1.5 主水倉監控系統

主水倉監控系統與中轉水倉監控系統類似，但是比其更智能、便捷和全面，是整個自動化排水監控系統的核心部分，操作人員可通過遠程、自動和手動方式對其進行操作。主要包括各種監控水位、流量和流速的傳感器以及攝像頭等設備。該系統在進行控制時，其優先級依次是：檢修控制——手動遠程控制——自動檢測控制，檢修控制時能自動切斷遠程控制和自動控制;遠程控制時能自動切斷自動控制;在遠程控制失靈時，控制系統能自動轉入自動控制。

2.2 軟件設計

2.2.1 PLC程序

本系統選擇的PLC監控系統是利用STEP7軟件進行程序設計的，運用模塊化編程技術不僅運行可靠還方便修改和擴展。程序主模塊主要包括：通信模塊、數據模塊、監控模塊、控制模塊以及顯示模塊。

2.2.2 上位機程序

基于WINCC平臺對上位機應用軟件進行編寫，可實現可視化、數據獲取和監視控制功能。通過采用面向對象的開發方法，可快速顯示生產過程數據。編程使用的客戶/服務器結構體系，能實現數據的共享和集成，為系統提供數據和提高監控系統的性能。此外，使用WINCC還可以對煤礦的工業流程及系統的改進進行監控，同時還可改變界面上的外觀顯示，如顏色、形狀和尺寸等。

3 自動化排水控制系統在煤礦中的應用

雙回路開關由兩臺CKJ11系列真空接觸器控制水泵的通斷，控制電壓為220V交流電。在開關右側設置有3光口5電口的交換機與周圍進行通訊，為了保護開關不損壞，安裝了2個PSW/400智能型保護器來避免開關過載、斷相、短路、漏電閉鎖。該保護器作為信號檢測元件串聯在開關回路中，其常開觸點與串聯接觸器線圈回路串聯，實現保護。利用Micrologix1400PLC對水泵進行邏輯控制，并在顯示屏上實時顯示運行狀態，具有記憶功能。該設備有隔離式RS232/485通訊口、非隔離式RS232通訊口和RJ45以太網通訊口。SMN6模塊將傳感器的模擬量轉換為PLC的數字量，監測外部的流量、液位和壓力等狀態參數。備用電池可以在系統斷電的情況下臨時給PLC、各個傳感器和路由器等提供電源，保證上位機在一定時間內正常運轉，起到24小時監控水倉的作用。此外，雙回路開關具有“工作界面”、“設定界面”、“數據界面”、“小水倉界面”、“中轉水倉界面”、“故障界面”、“事件記錄界面”等7個主要的工作顯示界面，工作人員可根據工作需要切換到相應界面進行操作。

4 結束語

提高煤礦行業排水控制系統的自動化程度和效率既是該行業研究的重點，也是關乎民生的重大事件。本文基于以太網技術和PLC技術和計算機技術等對自動化排水控制系統的硬件和軟件進行了自主設計。在實際運用過程中，排水系統可靠性有所改善，故障診斷和解決周期縮短，效率有所提高，實現了排水自動化，值得在行業內推廣。

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