煤礦井下水泵自動控制系統設計與應用

孫 杰

（汾西礦業集團高陽煤礦，山西 孝義 032300）

引言

隨著經濟社會的不斷發展，煤礦井下生產集約化水平不斷提高，對礦井生產設備的可靠性要求越來越高。同時，設備運行參數的實時監測與遠程控制需求更加強烈[1-2]。傳統的煤礦井下水泵控制系統大部分依賴于操作人員，不再適應集約化發展的趨勢，并且表現出了明顯的能源浪費、控制效率低下、管理維護設備不利等問題，極大地限制了煤炭企業的產煤效率和質量，現已引起了煤炭行業的廣泛關注[3-4]。隨著現場總線、數據庫和計算機網絡技術的發展，遠程監控系統在各行各業得到了較為廣泛的應用，并取得了很好的成效[5-6]。因此針對某煤炭企業煤礦井下水泵控制系統技術落后的現狀，開展基于PLC 的煤礦井下水泵自動控制系統設計與應用工作具有重要意義。

1 控制系統總體結構

根據煤礦井下水泵實際分布情況，基于其原有控制系統，完成了基于PLC 的煤礦井下水泵自動控制系統方案的設計，如圖1 所示。由圖1 可以看出，控制系統主要涉及地面監控上位機和井下PLC 控制系統組成。

圖1 煤礦井下水泵自動控制系統方案

1.1 地面監控上位機

地面監控系統包括工控機、光端機、顯示器等，其中工控機的作用是借助以太網完成上位機與井下PLC 控制系統之間的數據傳輸；顯示器能夠實時顯示井下各個水泵的實時工作狀態，并且能夠對井下水泵進行遠程控制；上位機可以實時存儲井下水泵實時運行數據，具備歷史數據調取功能。

1.2 PLC 控制系統

PLC 控制系統涉及隔爆型PLC 控制柜、本安型操作箱、傳感器、電動閥、高壓開關柜等，其中的PLC選擇德國西門子S7-300 系列產品，包括電源模塊、CPU、數字量輸入輸出模塊與模擬量輸入輸出模塊等，是井下水泵運行狀態的實時監測和遠程控制功能實現的保障。

2 硬件設計

2.1 PLC 選型與設計

PLC 控制器選型需要遵循滿足控制要求、性能穩定、環境適應性強、性價比高等原則，基于此確定選擇的S7-300 系列的PLC。其中配置的主站模塊型號及參數如下：1 個型號為PS307-5A 的電源模塊，輸出電壓為230 V；1 個型號為PS307-10A 的電源模塊，輸出電壓為230 V；2 個型號為CPU315-2PN/DP是CPU；1 個型號為SM321 的數字量輸入模塊，配置32 點，使用24 V 直流電壓；1 個型號為SM322 的數字量輸出模塊，配置16 點，使用24 V 直流電壓；3 個型號為SM331 的模擬量輸入模塊，配置8 通道，輸出4～20 mA 電流信號。上述配置能夠滿足井下水泵的遠程監測與控制功能的需求。

2.2 傳感器設計及選型

煤礦井下水泵自動控制系統中的傳感器主要實現水泵運行狀態參數實時數據的采集，是保證整個系統安裝正確邏輯關系工作的關鍵。根據井下水泵工作的實際情況，確定需要檢測的參數包括：水庫的水線、水泵抽水能力、抽水口水壓、各進水口水量、裝備重要地方的溫度、電機電力壓力等。完成了對應傳感器的選型：水位傳感器型號為KGU9，真空傳感器型號為GYD10，壓力傳感器型號為GYD10，流量傳感器型號為LCZ-803，溫度傳感器型號為Pt-100，電流傳感器型號為LMZ-6。

2.3 電磁閥設計及選型

原煤礦井下水泵系統中的各種閘門均需要現場操作人員完成啟閉，不僅效率低下，造成了較大的人力資源浪費，并且閘門不能夠實時顯示閘門開度，出現故障不易檢測。基于上述問題，將水泵系統中的真空閥門和射流閥門全部更換為MGQ 的電磁飄動球閥。真空閥門的型號為MGQI DN20-PN1.6MPa，射流閥門的型號為MGQI MGQI DN25-PN10MPa，兩個電磁閥均使用單相AC127V 的電壓供電，線路簡單、數據可靠。

2.4 觸摸屏及變頻器選型

PLC 控制系統的觸摸屏能夠實現控制器參數設置和水泵系統現場操作等功能，每個水泵配置一個觸摸屏，選擇型號為PT150-1/2/4/6 的觸摸屏，其運存為64 kB，彩色顯示。同時，該觸摸屏具有以太網RSC422/485 兩個接口，能夠與PLC 直接串接在一起工作。為了提高煤礦井下水泵泵水工作的自動化、智能化，避免其一直工作在相同的電壓供電中，需要在PLC 和水泵電機之間配置變頻器，以提高水泵工作的效率和安全性。依據水泵工作時的實際電流，負荷量和過載特點，選擇了型號為HIVERT-YO6/060，運用變頻工頻并聯方法運作，減小消耗的同時作出全方位保護，實現智能化頻速度工作。

3 軟件設計

3.1 系統工作流程

煤礦井下水泵自動控制系統硬件選型完成之后規劃設計其工作流程，如圖2 所示，其中，系統設定了4 組水位界限數值。圖2 中的H1為水庫水位規定的最小水位線，H2為水庫水位規定的較小中間水位線，H3為水庫水位規定的較大中間水位線，H4為水庫水位規定的最大水位線。井下水泵系統工作時，若將實時水位高度標記為h，則在h 大于H2時，通過監視計算電網的負荷程度，當處于用電谷段時，開啟水泵，相反，不啟動水泵；隨著水位線的不斷升高，達到H3位置時，不論電網負荷處于何種狀態，必須立刻打開水泵；當水庫水位超過了H4時，同時打開兩臺水泵運行，避免出現水位超限情況；當水位降低至H1水位線之下后，水泵全部停止運行。

圖2 系統工作流程

3.2 水泵自動開啟、運行、停止故障保護工作流程

水泵自動開啟、運行、停止故障保護工作流程如圖3 所示，水泵開啟之前需要將電動球閥和射流泵同時打開，進行注水和放氣工作。當真空閥檢測得到的真空度達到標準規定要求時，關閉射流泵球閥，之后啟動水泵電機。當水壓檢測數值滿足標準要求時，開啟電動閘閥。控制系統開啟射流泵時需要記錄工作時長，若工作時間過長，聲光報警器發出警報，將水泵關閉，停止運行。水泵運轉時，需要實時監測其壓力、電流、溫度以及流量等的狀態量，一旦出現狀態參數超標，立即關閉水泵并報警，指出問題出現的具體情況。

圖3 水泵自動開啟、運行、停止故障保護工作流程

3.3 人機交互界面

人機交互界面的作用是實時顯示井下水泵運行參數數值，供監控人員實現井下水泵的遠程監測。同時，監控人員也可以根據實時監測數值及變化趨勢，修改井下水泵運行參數，實現井下水泵遠程控制的目的。如圖4 給出了井下水泵自動控制系統的界面顯示，其中涉及水泵運行的溫度、正負壓、流量和液位等參數。系統能夠實時存儲各個參數數據，形成對應的曲線，由參數變化曲線可以了解變化趨勢，指導監控人員及時調整水泵參數，同時也能為水泵系統運維人員的檢修工作提供數據參考。

圖4 煤礦井下水泵自動控制系統界面顯示

4 應用效果評價

為了驗證煤礦井下水泵自動控制系統設計的合理性和可行性，將其應用于某煤炭井下水泵系統，對其進行半年的跟蹤記錄，結果顯示，系統運行穩定可靠，實現了井下水泵系統運行參數的實時監測與遠程控制功能。相關統計結果顯示，相較于原水泵自動控制系統，新系統的應用達到了井下水泵自動化控制的目的，節省了運維人員3～4 名，降低了水泵系統近10%的故障排查時間，提高了水泵系統近6%的有效利用率，降低了煤炭生產成本，預計為煤炭企業新增經濟效益近50 萬元/年，取得了很好的應用效果。