基于PLC技術的礦井中央排水系統改造

史文超

（山西汾西同達工程設計有限責任公司， 山西 介休 032000）

1 兩渡煤礦原排水系統概況

兩渡煤礦+315 m水平井底車場附近的中央排水系統與中央變電所聯合布置。其中，+315 m水平中央排水泵房設有3臺D500-80×8型礦用排水泵，配套電機1 000 kW、6 kV，1套液壓站及3臺ZDYF型液壓閘閥，水倉分為主、副水倉，總容量2 300 m3；沿副斜井布置三趟主排水管路，每趟管設置有2臺ZB90-24/300型電動閘閥，水泵真空管路配置3套電動球閥。礦井水從出水點通過小泵或者自流入采區水倉，采區水泵房將收集的礦井水通過管路排入到中央主副水倉，再由中央排水系統經副斜井排至崔家溝工業廣場的礦井水處理站。

兩渡礦排水控制系統人工操作復雜，操作故障率頻發，同時存在系統功能老舊、電耗高等問題，且相關設備、備件都難以購買；一旦出現故障，設備無法及時更換修復，應急搶險能力弱，系統存在安全隱患。

2 排水系統總體改造方案

在+315 m水平中央排水泵房旁邊的中央變電所設置的礦用隔爆兼本安型PLC控制中心，在主副水倉吸水井中增設超聲波水位計、浮球液位開關等，在水泵機組設置電機軸溫度、轉速等傳感器及電動球閥，組成井下智能排水控制系統，進行井下水倉的水位、水量等實時數據信息收集、分析、保護及報警和控制，同時通過工業以太網與地面控制主機進行通訊，將井下數據傳遞到地面控制中心顯示器；同時將地面控制、反饋指令下達給井下PLC控制中心及相關排水設備。基于PLC控制技術與礦井數據網融合的排水系統結構組成，詳見圖1[1-2]。

圖1 自動化排水控制系統圖

3 硬件系統的優化

3.1 保護控制系統的優化

原水泵房采用繼電器控制改為采用德國西門子S7-200工業控制可編程控制器（PLC）控制，控制器作為礦井排水系統的核心，它的作用為：檢測監控水倉水位、電機電流電壓、管道的排水流量及出水口壓力等，具有分析、儲存、傳輸相關數據信息和控制下位機、接受上位機命令。

3.2 傳感器的增設

在水倉吸水井安裝液位傳感器，在水泵加設溫度傳感器，管路上配置流量傳感器、壓力傳感器、負壓傳感器；傳感器接入PLC控制器。

4 軟件系統的優化

4.1 軟件設計

與原中央水泵房采用繼電器控制排水系統相比，在+315 m水平的中央變電所安裝礦用隔爆兼本質安全型礦井自動排水控制箱，其內安裝西門子系列PLC及過程控制軟件。該軟件收集、處理中央水泵房各種排水信息，計算最優控制策略控制系統變化；該軟件具有上傳給上位機井下排水監控系統的報警、顯示信息、統計報表，實現水泵房監控子系統的PLC數據與全礦井的監控系統融合、監測、控制及共享。

4.2 界面設計

地面控制中心電腦界面具有顯示各設備運行參數、管道及節點走向的主界面；同時設置有水位、壓力、溫度等參數顯示界面和報警記錄界面。

5 控制系統的優化

與原來復雜的人工啟動水泵相比，該水泵房自動排水系統設置地面和現場自動、現場手動、檢修三種工作方式。

1）自動：設置地面和現場自動，根據優先等級確定控制權利；按照排水儲水量、水位和自動排水工藝，分析收集相關信號計算開啟水泵臺數、水泵名稱、排水管路，實現從抽真空、開閘閥啟泵排水全過程自動化；根據水位高度，分析計算出單臺水泵可輪換工作和啟動多臺水泵工作工作制度。

2）手動：人工觀測水位、水量，人工開啟電動球閥，開啟增壓泵實現管道注水；開啟排水泵順序、數量及排水管路，手動開停水泵。

3）檢修：當檢修班檢修時，人工操作優先，自動解除閉鎖，任意操作單個水泵、電動球閥等相關設備；依據自動化排水系統的監測準確地找到排水系統設備的問題、障礙。

6 應用效益

6.1 系統組網，智能監測

PLC控制系統作為礦井智能化監控平臺的重要子系統，擁有監測水泵各工況參數、水倉水位等信息的收集、處理功能，通過TCP/IP的RJ45接口與礦井智能化監控系統連接，實現基于PLC技術和數據融合技術的智能化排水系統[3]。

6.2 減少人員，增效節能

系統擁有“地面控制”或“自動控制”工作方式；通過PLC處理系統，水泵在現場集控中心、地面調度中心集中控制，達到無人值守和減崗增效目標。

根據水倉儲水量變化、礦井工作制度和井下用電負荷信息，在用電峰段時間水倉充分蓄水，停水泵等待；在用電谷段時間調整啟動水泵數量、順序，增加水泵壽命及減少電能的浪費。實現井下泵房的躲峰填谷運行。

6.3 水量監測，早期預警

根據水位傳感器和水泵監測數據傳感器的監測數據，實時監測水倉水位、電機功率、管道流量、軸承溫度、管道真空度等參數，CPU運算、模擬量水位上漲速度，結合平時收集的涌水數據對比，模糊理論定出礦井單位涌水量，實現突水事故的提前預知、提早預警、迅速緊急排水。

6.4 操作簡單，易排故障

井下集中控制平臺、地面調度中心實現遠程控制檢查、啟停，水泵開停順序自動設置，降低了現場人員的操作難度，同時降低了誤操作率以及水泵不正確啟動的概率。

檢修人員根據現場控制中心、地面調度控制中心顯示器的各故障信息、報警事件，及時準確地找到故障位置和類型，對水泵的軸承超溫、電動機不啟動、真空壓力不夠等運行故障及時檢修。