基于PLC的井下采區(qū)泵房自動排水監(jiān)控系統(tǒng)研究與應用

于 剛

（山西潞安礦業(yè)集團有限責任公司五陽煤礦，山西 長治 046200）

0 引言

該自動排水控制系統(tǒng)基于PLC自動化控制，通過環(huán)網(wǎng)將泵房現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行上傳，并通過攝像頭、電腦組態(tài)軟件實現(xiàn)現(xiàn)場水泵、開關、環(huán)境狀況的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、遠程操作、故障診斷查詢、報表記錄等功能，實時掌握水泵運轉情況，達到無人值守、實時監(jiān)控、定期巡查、減人提效的目的，且成本低廉，操作更加簡單、人性化。

1 自動排水系統(tǒng)的實現(xiàn)前提

采區(qū)泵房使用的是多級離心式排水泵，排水管安裝有底閥，啟動電機前，需提前打開排氣閥，用水灌滿泵體從排氣閥溢出后，方可關閉排氣閥運行水泵；停泵時，需先將排氣閥打開，待泵體吸空后，再停止電機運行，防止泵體突然停止工作后而產(chǎn)生的水錘沖擊現(xiàn)象，造成底閥的損壞，確保排水系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

如果實現(xiàn)自動排水，需解決4個問題：①水位監(jiān)測問題；②灌泵問題；③泵體是否灌滿水判斷問題；④停泵瞬間水錘沖擊底閥問題。

圖1 自動排氣泄壓閥剖視圖

為解決以上問題，首先增加水位傳感器，監(jiān)測水位狀態(tài)；其次，將截止閥并聯(lián)1個24 V DC電磁閥，實現(xiàn)PLC控制灌泵；第三、也是最重要的環(huán)節(jié)，如圖2，在抽水管上增加泄壓排氣閥裝置，在該裝置上安裝2個水位傳感器，傳感器的位置在泵體表面以上。該裝置類似于單向閥，當灌泵時水充滿泵體后會沿著該裝置溢出，傳感器檢測到水后，判斷可以啟動水泵電機；當停泵瞬間如果存在水錘效應，水流也會沿著該裝置溢出，保護底閥。至此，實現(xiàn)自動排水的所有難題均已解決。

圖2 自動控制水泵安裝配置圖

2 排水監(jiān)控系統(tǒng)構成和工作原理

新的排水監(jiān)控系統(tǒng)以PLC為控制核心，利用CPU處理器實現(xiàn)對煤礦井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的邏輯判斷和處理，從而取代現(xiàn)有的人工判斷、人工干預的排水控制方案，同時為了實現(xiàn)排水監(jiān)控系統(tǒng)的遠程監(jiān)控和無人化值守，還需要將PLC接入井下環(huán)網(wǎng)，通過網(wǎng)絡連接到地面監(jiān)控中心內，同時，為了更好的與泵房系統(tǒng)融合，需將水泵開關與PLC實現(xiàn)信息傳輸，在信息傳輸時選擇R S485串行通訊協(xié)議。基于PLC的煤礦井下排水監(jiān)控系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 基于PLC的井下排水監(jiān)控系統(tǒng)框圖

首先，通過水位傳感器對水倉狀態(tài)進行判斷，高水位得到信號后，判定為需要排水，此時，PLC控制灌泵電磁閥進行灌泵，當泵體灌滿水后，通過泄壓排氣閥溢出，在泄壓排氣閥上安裝的水位傳感器動作，此時，滿足開泵條件，PLC給開關發(fā)出合閘信號，水泵電機啟動，開始正常排水。在泵體上設置電接點壓力表保護來檢測水泵排水壓力，同時電機電流也檢測水泵是否上水，振動傳感器可以檢測電機運行時的震動情況，溫度傳感器檢測軸溫。當水泵發(fā)生吸空或堵管故障、壓力降低或超過至設定上下限值、當控制開關的工作電流降至空載電流以下或超過工作電流以上、振動過大、溫度過高，以上故障情況都被PLC采集，超過設定故障延時時間，自動停止水泵運行。在無故障的時候，當水倉低水位傳感器動作，PLC給開關發(fā)出分閘信號，水泵停止運行。停泵時，如果產(chǎn)生水錘效應，泄壓排氣閥能自動泄壓，減小對水泵以及底閥的沖擊，保護系統(tǒng)。

3 井下排水系統(tǒng)水泵啟動方案

為了滿足井下排水系統(tǒng)安全、經(jīng)濟的工作要求，根據(jù)井下排水系統(tǒng)實際布置情況及積水區(qū)域的水位理論分析數(shù)據(jù)，針對性的制定了以下水泵啟動方案：

1）將水倉區(qū)域的水位高度劃分為低水位、高水位、危險水位3個等級，低水位到高水位之間為正常水位，高水位到危險水位之間為警戒水位。

2）井下采區(qū)泵房全部采用雙回路模式，排水管路2趟、水泵2套、電源供電2回路，自動排水時，雙回路全部投入使用，2個泵之間交替工作，這樣可以最大限度的減少故障率，增加運行效率。

3）由于水溝運行能力有限，所有泵房同時只能開啟1臺水泵，否則可能造成淹巷，井下共有3個采區(qū)泵房，各個泵房之間通過井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)建立聯(lián)系，1個泵房有泵在運行時，其他泵房獲取信息，此時其他泵房水倉高水位接收到信號后不啟動水泵。當水倉區(qū)域的水位高度達到危險水位時，開啟水泵同時通過環(huán)網(wǎng)停止其他泵房的水泵運行，確保同一時刻只有1臺泵運行。

若水倉區(qū)域的水位繼續(xù)上升，并且水泵無法運行，則表明水泵出現(xiàn)故障，則開啟警報系統(tǒng)，通知井下檢修人員去往現(xiàn)場檢修水泵，排除故障。

4 基于PLC的井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的應用

目前該井下排水監(jiān)控系統(tǒng)已投入應用了1年半，運行效率極高，故障率低，平時只需要簡單的巡查，對泵體軸承注油及壓盤根等工作即可，而且，3個采區(qū)泵房的同時實行，減少了12名泵房崗位工人員。改造后在地面監(jiān)控中心即可實現(xiàn)對井下排水系統(tǒng)工作狀態(tài)的實時監(jiān)控，圓滿的實現(xiàn)了最初對排水系統(tǒng)進行升級改造時的目標，其井下監(jiān)控畫面如圖4所示。

圖4 井下排水監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控畫面

5 結論

本文針對井下排水系統(tǒng)采用人工控制，自動化程度低、應急性不足的缺陷，從改造可行性和經(jīng)濟性出發(fā)，提出了一種基于PLC的煤礦井下排水監(jiān)控系統(tǒng)，對該系統(tǒng)工作原理及在礦的應用情況進行了分析，結果表明：

1）本文將PLC技術應用于井下自動排水監(jiān)控系統(tǒng)，其具有成本低、穩(wěn)定性好的特點，能夠最大限度的利用現(xiàn)有排水控制系統(tǒng)基礎結構，改造成本低，經(jīng)濟性好。

2）針對井下排水系統(tǒng)的實際情況，設定了專門的排水控制邏輯，能夠在確保排水安全的情況下大幅降低排水系統(tǒng)的工作成本。

3）通過在礦井的實際運行表明了該控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、經(jīng)濟性好的優(yōu)點，具有較大的應用推廣價值。