礦井主排水泵自動化控制系統改造設計

袁儒杰

（山西晉煤集團坪上煤業，山西晉城 048000）

0 引言

目前，我國關于綜采工作面排水工作的研究較為落后。根據相關調查可知，我國依舊存在人工判斷工作面水位增長速度的情況，難以及時依據水位變化的實際狀況來控制主排水泵。因此，采用傳統的方法來控制主排水泵，將會對綜采面工作的安全性造成嚴重的影響。本文以某礦井中安裝的主排水系統為對象進行研究，研發出了一套科學有效、自動控制的主排水系統，同時對其應用效果進行分析[1]。

1 水位監測系統的研發

1.1 主排水系統的闡述

本煤礦的中央泵房主要安裝有5臺主排水泵，其中包括1臺在用泵、3臺備用泵及1臺檢修泵。主排水系統及各個泵支路的具體構造如圖1所示。

圖1 主排水系統結構簡圖

1.2 水位監測的原理分析

系統主要是利用壓力傳感器來對水位進行監測，其原理如圖2所示。這種傳感器主要有4個電橋。當其所承受的壓力等于0時，這些電橋將維持較好的平衡狀態，其所有輸出電壓都為0。將它們置于水中，由于受到電壓的影響，電橋平衡將會受到破壞，并且其所輸出的電壓與水位高呈現正比關系，即壓力與電壓的數值將隨著水位高度的增加而增加[2]。

1.3 水位監測系統的硬件構成

該系統所發揮的主要作用就是對主水倉的水位進行有效地監測，當其大于限定值的時候，在作出報警動作的同時，可以對主排水泵的運行狀態加以控制。因此，本系統中所安裝的硬件主要有轉換器、接口、傳感器等等。該系統可以將水壓信號進行有效轉換，使其以電信號的形式傳輸到PLC中，同時與其所設定的預期值進行比較，一旦超過了預設數值，系統將會做出報警動作[3]。

圖2 壓力傳感器工作原理圖

2 主排水泵自動控制系統的研發

2.1 功能需求

（1）完成自動控制。本系統主要是運用水位狀況來完成主排水泵的啟停。

（2）完成手動控制。當系統需要進行維修或者PLC失去效用的同時，作業人員應當基于檢修要求來控制主排水泵的運行狀態，同時在進行手動控制的時候必須使各個泵保持獨立運行的狀態。

（3）完成自動輪換及調用。當某個水泵的啟動次數超出檢修要求之時，該系統將會從輪換中清除該水泵；在水泵的啟動及停止時必須保證水閘保持關閉狀態。

（4）報警功能。當PLC無法正常運作時，系統將會及時作出報警動作，以確保相關人員可以及時開展維修作業[4]。

2.2 控制系統的硬件設計

（1）硬件的組成。與其他的控制系統相一致，本研究對主排水系統進行了改良與完善，改良后該系統所運用的硬件主要為：顯示屏、信號收集體系、執行單元等等。其硬件的組成如圖3所示。

圖3 主排水控制系統硬件組成圖

（2）信號的采集設計。本系統所開展的信號收集工作主要針對開關量與模擬量兩種信號。其中，模擬量信號主要包括壓力、液壓及溫度這3種傳感器的信息，開關量信號主要為水泵啟停的相關控制信息。此外，事先在PLC中設定4個水位限度值，分別為H4（超高水位）、H3（高水位）、H2（低水位）和H1（超低水位）；溫度傳感器所發揮的作用主要是監測電機的溫度；電機所進行的過載檢測主要是運用所收集到信號數值來明確電機的狀態是否為過載[5]。

（3）PLC控制的完成。PLC為該系統中最關鍵的控制部件，PLC主要是通過對溫度、壓力等相關參數加以判斷來控制執行單元的動作。執行單元主要有水泵啟動及停止的控制板塊、報警功能等[6]。

2.3 控制原理分析及軟件設計

系統所運用的控制思路主要為：系統可以將各個傳感器的信息傳輸到PLC中，如果其水位超出低水位值時，系統可以依據電網的檢測值來判斷單臺水泵的運行狀態。當用電達到最高值時，主排水泵將不會被啟動；當用電降至最低值時，系統可以對各個參數進行有效地監測，同時將會啟動射流泵，促使注水泵維持真空狀態，若各個參數均處于合理范圍之內時，1號水泵將會被開啟，其作用在于發揮排水效果[7]。若此時的水位超出高水位值時，系統將會做出報警訊號，同時開啟單臺水泵，并將1號和2號水泵進行啟動；若水位超出超高水位值時，系統將會對單臺水泵的啟動程序加以運用，同時將3號水泵進行開啟。經過一定的時間段之后，若水位依舊超出超高水位值時，4號水泵將會啟動。但水位小于超低水位值時，系統首先會關掉出水閘閥，然后將水泵關掉[8]。

3 主要功能的實現

3.1 水倉水位檢測和“避峰填谷”的實現

通過將水倉水位劃分為6個區段，即7個水位點，其中水位點1位置為水倉底部，設置標準為水電位點數根據水位上升依次上升，設置水位點6為極限水位，水位點5為警戒水位，若系統開始報警，則表示水位已達到極限水位。

水倉水位指標是進行判斷泵是否啟動的最重要的因素，為了實現節能和安全排水的雙重功效，要先實現子系統“避峰填谷”，采用灰色理論預測節能和水位。

3.2 排水管路和水泵的輪換子系統實現

對每個水泵配置2個數據寄存器，分別用于存放水泵的運行次數和運行時間，從而實現排水管路和水泵的輪換。當啟動水泵時，系統綜合判斷運行次數和是否存在故障后，首先啟動該水泵。

當某水泵發生故障時，其自動啟動，退出輪換工作，同時依據某算法啟動其他水泵。排水系統運行時，排水管路和水泵各使用3趟和3臺，其不同的管路的選擇主要依據閘閥開斷情況進行，首選運行次數和故障最少的管路，若管路運行次數相同，則管路啟動的選擇標準為時間。

在程序設計階段，在設定好的寄存器內合理分配各個信號，以便程序運行時，各相應寄存器可以被迅速找到，從而實現排水管路和水泵的輪換。

4 水泵控制方式的選擇

全自動、半自動和手動是系統設計的3種控制方式。

（1）全自動方式。該方式下，系統的啟動和自動停泵依據預先存儲的程序進行，其余操作按鈕均不起效果，水泵的運行主要由液位值、水泵啟停的順序和時間、達到標準的水泵啟動的電壓力值、壓力值和時閥值4個因素決定。

（2）半自動方式。該方式下，操作者和用戶分別在地面調度室的計算機監控終端和操作終端對水泵的啟停進行操作，操作者進行檢測，用戶點擊實現水泵啟停，系統命令到PLC控制柜的實現通過太網。

（3）手動方式。該方式下，用戶對系統的維護更方便直接，通過就地箱和指示燈實現了操作的一對一。

務必嚴格遵循相關操作流程進行泵的啟停，因為每臺水泵都是獨立進行啟動的，其具有不同的控制方式和輸出方式，否則，極易導致水泵損壞以及水錘效應的出現。

5 結束語

針對主排水系統傳統控制方法中的不足問題，本文對該系統進行有效地改良，在對主排水泵進行自動化控制的同時，還完善了控制的項目。另外，經過大量的實踐可知，該控制系統可以使主排水泵的應用效率得到極大提升，保障綜采工作面的安全。