基于PLC的礦井水泵自動化控制系統(tǒng)研究

范紅斌

[摘? ? 要]結(jié)合傳統(tǒng)礦井排水系統(tǒng)存在的應(yīng)急性差、安全隱患大等問題，結(jié)合PLC技術(shù)，針對排水系統(tǒng)進行自動化設(shè)計，借助傳感器等設(shè)備，實現(xiàn)實時水位自動監(jiān)測，促進礦井排水系統(tǒng)向現(xiàn)代化、自動化方向發(fā)展，從而為煤礦等實現(xiàn)安全、穩(wěn)定發(fā)展提供了更多助力。

[關(guān)鍵詞]PLC;排水系統(tǒng);水泵;自動化控制

[中圖分類號]TP273 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）10–00–02

Research on Automatic Control System of Mine Water Pump Based on PLC

Fan Hong-bin

[Abstract]Combined with the problems of poor emergency and large potential safety hazards existing in the traditional mine drainage system， combined with PLC technology， automatic design is carried out for the drainage system， real-time automatic water level monitoring is realized with the help of sensors and other equipment， so as to promote the development of mine drainage system in the direction of modernization and automation， so as to provide more help for the safe and stable development of coal mines.

[Keywords]PLC; drainage system; water pump; automatic control

1 現(xiàn)階段礦井水泵控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的煤礦井下主排水泵房控制系統(tǒng)都是采用繼電器操控技術(shù)實現(xiàn)管控，依靠人力來進行調(diào)節(jié)，通過切換水泵的啟停開關(guān)操縱排水系統(tǒng)運作。此種方式無法精確、實時地監(jiān)控排水系統(tǒng)設(shè)備工作運行狀況，也不能自動依據(jù)水倉水位等參數(shù)自動進行運作，需要耗費更多的人力物力且管理維護困難，如果出現(xiàn)人為失誤，很容易發(fā)生安全事故。基于此，結(jié)合科技發(fā)展水平，依據(jù)當(dāng)前煤礦的實際需求，實現(xiàn)排水系統(tǒng)自動化運行是當(dāng)前的重點任務(wù)。現(xiàn)階段，在技術(shù)理論的支持下，提出了基于PLC、傳感器等電氣元件對主排水泵的控制系統(tǒng)優(yōu)化升級的策略，且已經(jīng)取得了一定的成就。

2 井下自動化排水系統(tǒng)具體內(nèi)容闡述

2.1 井下排水系統(tǒng)工作原理

井下排水系統(tǒng)主要由以下4個部分組成：信號采集部分、綜合控制器、操作臺及執(zhí)行設(shè)備。在排水系統(tǒng)中，水泵是核心部件，在整個系統(tǒng)運行中發(fā)揮了不可替代的作用。

2.2 井下排水系統(tǒng)組成

礦井井下的中央水泵房中布置了5臺離心泵，其中2臺水泵承擔(dān)日常工作任務(wù)，2臺為備用水泵，最后一臺在檢修維護時發(fā)揮作用，有3條與井下中央水泵房水泵相連的排水管路，其中每一臺水泵都連接2條管路，此種方式可有效避免排水系統(tǒng)出現(xiàn)完全失靈的情況。井下水泵的具體工作流程包括以下步驟：①判斷水位，如果水位超過標(biāo)準(zhǔn)高度，與射流泵相連的電磁閥便會自動開啟并發(fā)揮效用;②射流泵會向水泵中注水，隨著水流不斷注入，離心泵入口處的真空度壓力值逐漸增加，當(dāng)壓力值達到設(shè)備預(yù)設(shè)的設(shè)備啟動閾值時，會驅(qū)動水泵電機開始工作;③當(dāng)水泵出口的真空度壓力值達到預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)壓力值時，水泵出口處的電動閥門啟動，水泵中的水流開始向排水管路中涌入，當(dāng)水流排出之后，排水水泵工作完成，在停機之前，需要保證在出口處的電動閥關(guān)閉之后，才能關(guān)閉水泵電機。

2.3 井下自動化排水系統(tǒng)運行特點

當(dāng)系統(tǒng)中的組成部件出現(xiàn)故障時，自動控制體系會及時發(fā)出預(yù)警，同時自行根據(jù)故障部位進行切換，應(yīng)用正常運行的管路執(zhí)行排水工作。同時，基于PLC設(shè)計的系統(tǒng)設(shè)置可自動錯開用電高峰，從而避免由于電壓過低而導(dǎo)致工作效率受到影響，盡可能保證排水系統(tǒng)在用電低谷時期及平穩(wěn)期進行運作。當(dāng)工作時，會利用排水管路將水倉中的水位下降到水位低位，保證水倉有足夠的空間承載不適宜排水時段的水量，通過這種方式實現(xiàn)科學(xué)規(guī)避用電高峰。另外，基于PLC設(shè)計的自動化系統(tǒng)還具有手動控制功能、半自動控制及全自動控制3種控制方法，可靈活地結(jié)合實際情況進行調(diào)控。例如，在對水泵等進行檢修時，可采用手動控制模式，便于調(diào)試及檢測各項功能。最后，此系統(tǒng)可借助布置在上機位的動態(tài)軟件，實現(xiàn)對水泵及附屬部件的實時監(jiān)控，更為全面地對井下水倉水位、排水系統(tǒng)中的流量、壓力等進行檢測，并在顯示屏上展現(xiàn)數(shù)字，同時動態(tài)軟件還具備數(shù)據(jù)存儲及故障報警等功能，通過相關(guān)軟件的支持，可有效實現(xiàn)科學(xué)、全面管控，最大限度地降低事故發(fā)生頻率。

3 基于PLC的礦井水泵自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 水位自動監(jiān)測與控制

水位自動監(jiān)測是借助水位傳感器來實現(xiàn)自動監(jiān)測功能的排水系統(tǒng)組成部分，其借助自動傳感器對水位進行判斷，并與系統(tǒng)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)水位進行比較，當(dāng)水位達到標(biāo)準(zhǔn)高度時，可以觸發(fā)水泵啟動、水泵停止命令。為了更好地進行闡述，將水位分為5個高度，分別為H1～H5。其中H2為排水水位，當(dāng)水倉中的水到達此高度時，排水系統(tǒng)開始工作，啟動水泵進行排水作業(yè)。H4為警戒水位，此時水倉積水過多，需要至少啟動兩臺水泵進行排水作業(yè)才能滿足排水需求。H5為極限水位，此時水倉已經(jīng)達到極限，需要啟動所有水泵進行排水作業(yè)，同時會給予“儲水倉水位達到極限”的警告。對于水位高度的信號是由傳感器獲取，然后將信號傳輸給PLC，為了保證傳輸過程安全，選擇采用超聲波液位計+本安數(shù)字式水位開關(guān)實現(xiàn)水位信息收集。其中超聲波液位傳感器主要是借助超聲波技術(shù)進行水位高度檢測，其獲取的信息數(shù)據(jù)更具真實性且不易于出現(xiàn)錯誤。而本安數(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設(shè)備。

3.2 工作模式設(shè)計

為了更好地滿足排水系統(tǒng)自動控制需求，結(jié)合礦井下作業(yè)情況，將工作模式設(shè)置為兩種：遠程操作模式和就地操作模式。遠程模式可滿足遠距離操作系統(tǒng)的要求，便于在發(fā)生意外情況時及時作出處理，兩種模式之間可通過旋轉(zhuǎn)按鈕便捷地進行切換，通過上述設(shè)計，最大限度地滿足排水系統(tǒng)的實際需求。同時，將排水系統(tǒng)的工作方式設(shè)置為自動、半自動及手動3種，可結(jié)合實際情況靈活進行切換，這3種工作方式可以滿足大部分的工作場景。

3.3 水泵自動控制策略

為了保證自動化系統(tǒng)可以正常運行，設(shè)計了工作、備用、檢修3類水泵，以儲水倉的水位為基準(zhǔn)，在系統(tǒng)中預(yù)設(shè)相關(guān)參數(shù)，從而借助傳感器和開關(guān)的支持，實現(xiàn)排水系統(tǒng)水泵全自動運行和自動開啟關(guān)閉，從而有效節(jié)約人力。自動化控制系統(tǒng)可自動結(jié)合儲水倉水位、涌水量等信息，自行開啟水泵并選擇水泵工作臺數(shù)，確保水泵可滿足排水需求，盡快地促使水位回到安全線以下，并酌情減少水泵運行臺數(shù)，達到節(jié)能的目的。在水泵實現(xiàn)自動控制時，可結(jié)合實際情況，選擇“高低水位”控制、“水泵輪換工作”控制、“避峰就谷”控制策略，盡可能地保證排水工作穩(wěn)定運行。當(dāng)水倉水位達到低限時，或者水泵輪換時間定時停止時間達到時，可自行關(guān)閉水泵，此舉措可有效降低能耗。另外，采用“避峰就谷”控制方式時，水泵可結(jié)合設(shè)計要求，在未達到儲水倉警戒水位H4之前不會運行，等到用電低谷時期再進行排水工作。

3.4 PLC軟件控制流程

基于PLC設(shè)計的排水系統(tǒng)，PLC軟件結(jié)合水倉、水位等數(shù)據(jù)，可以科學(xué)調(diào)控工作水倉、備用水倉及檢修水倉。當(dāng)PLC程序運行時，第一步需要進行系統(tǒng)初始化，靈活地結(jié)合實際情況，設(shè)置各種參數(shù)。例如：儲水倉水位參數(shù)設(shè)置、控制模式/控制方式設(shè)置等。利用超聲波液位傳感器實時進行水位監(jiān)測，通過線路連接，傳感器可及時將水位信息傳輸?shù)絇LC程序中，然后對數(shù)據(jù)信息分析。當(dāng)水位高于下限值H1時，系統(tǒng)做出反應(yīng)，開啟水泵進行排水工作。開啟工作水泵后，如果流入儲水倉的水量大于排出儲水倉的水量，即超聲波液位計實時檢測出的水位還在不斷上升，PLC程序會及時做出反應(yīng)，認為排水量無法滿足需求，此時會開啟備用水泵協(xié)助工作泵進行排水作業(yè)。如果儲水倉的水位超過警戒水位H4，則會將檢修水泵也投入工作并發(fā)出警報，提醒相關(guān)人員注意。

4 系統(tǒng)設(shè)計院應(yīng)用實際情況

為了驗證上述設(shè)計的實際作用，將此設(shè)計的排水自動化系統(tǒng)在某煤礦中進行應(yīng)用，結(jié)合實際情況，探究其發(fā)揮的實用性。結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，某礦井在涌水期中正常涌水量為657.9 m3/h，且日排水時間為12.90 h，在正常涌水量中，只開啟工作水泵便能滿足實際需求。該礦的最大涌水量為1 040.2 m3/h，日排水時間為10.01 h，此時需要同時開啟工作、備用、檢修水泵才能滿足需求。礦井所在區(qū)域在每天的16：30—次日7：30為用電低谷時段，基于這些信息，將其設(shè)置為自動模式便能完成排水任務(wù)。該礦井采用自動化控制系統(tǒng)后，較傳統(tǒng)的控制模式相比，大幅度提高了經(jīng)濟收益。結(jié)合下表內(nèi)容，經(jīng)過對比可知，自動控制排水系統(tǒng)應(yīng)用后，每天工作時長降低至8 h，排水系統(tǒng)一年的成本費用顯著降低（表1）。

5 結(jié)語

在礦井排水系統(tǒng)中，基于PLC技術(shù)，結(jié)合傳感器技術(shù)對礦井排水系統(tǒng)中的水泵部分進行自動化設(shè)計，可有效提高排水系統(tǒng)工作效率。當(dāng)前基于PLC技術(shù)的排水系統(tǒng)已經(jīng)得到應(yīng)用，通過對水倉水位實現(xiàn)精確管控，有效滿足當(dāng)前礦井的排水需求。

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