基于PLC 的礦井水泵自動化控制系統探究

趙 輝

（西山煤電集團有限責任公司鎮城底礦， 山西 太原 030000）

引言

隨著煤礦開采深度的不斷加大，巷道頂板承壓水治理成為礦井開采重要的難題，承壓水不能及時得到釋放極易造成大面積涌水事故。同時礦井地下水與地面水通過斷層、裂縫等涌入礦井，造成礦井透水，一旦發生礦井透水事故，極易造成人員傷亡，影響礦井正常生產[1]。煤礦主排水泵是礦井重要的排水設施。傳統的主排水泵系統依靠人工操作，無法實現排量與涌水量的自動匹配，所以實現礦井主排水泵自動化控制成為了重要的研究課題。此前劉國香對礦井主排水泵的選型進行研究，考慮到涌水量較大，所以選用流量相對較大的水泵，并給出了水泵選型過程中各種參數的計算方法。郝玉輝[2]提出了一種新型的多功能水泵聯動閥門，通過仿真分析，發現多功能水泵聯動閥結構簡單，結構效果良好，為煤礦井下排水系統的結構優化及礦井排水系統工作的可靠性奠定了基礎。本文基于PLC 控制器對礦井主排水泵控制系統進行設計研究，實現了礦井主排水泵系統自動化控制的目的，為礦井防水做出一定的借鑒。

1 控制系統的硬件設計

在礦井排水泵系統中，一臺排水泵往往不能滿足礦井排水需求，多臺排水泵雖能滿足礦井的開采需求，但會造成管路資源浪費，所以一般情況下，礦井會采用一臺排水泵正常工作，當出現礦井涌水量較大時，會啟用另外一臺排水泵，實行雙泵工作模式。在此之外還需在礦區備用一臺水泵，所以在整個排水系統中共需三臺水泵，其中每臺排水泵都擁有自身的電控系統和離心排水設備。

基于PLC 的礦井主排水控制系統一般有如下功能組成：控制功能，通過PLC 控制實現自動化排水的功能；通訊監控系統，通過傳感器及傳輸光纜進行數據的交互，實現井上對井下的指揮調度；故障診斷功能，通過溫度傳感器、電流傳感器等對系統的溫度、電壓、電流等進行動態監管，出現溫度、電壓、電流超過限定值時，立即發出報警，避免出現事故；參數監控系統，通過人機界面對溫度、排水量及管道壓力等參數進行監控[3]。由于設備在礦井內使用，所以在選定水泵的配套設備時需要考慮防爆，本文選定3 臺三相異步電機，電動機的型號為YB25604-8900kW，電動機的功率為900 kW，轉速為1 480 r/min，電動機的額定電壓為10 kV。

對礦井主排水泵系統的檢測元件進行設計，系統中的檢測單位包含有水位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、超聲波流量計等。水位傳感器選用超聲波傳感器，其工作原理為利用探頭發送超聲波，從而得到不同超聲波數據，根據聲波在空氣中的傳播差，給出水位距離探頭的距離，將超聲波傳感器布置在2個配水箱內，防止水位過高。溫度傳感器選用PT100無源接觸式傳感器。壓力傳感器將水管內部的壓力信號進行轉化，得出壓力信號，將壓力信號傳輸至PLC 控制器，從而提供電動閥啟動、停止的判斷。

中央水泵的控制系統由自動控制、故障報警、自動監測及動態顯示組成。系統通過自動監測得出水倉水位、電機溫度、排水管壓力等數據，將數據傳輸至PLC 控制器，PLC 將接收到的信號進行判斷，發出控制命令，對3 臺排水泵進行自動化控制。同時水倉水位、電機溫度、排水管壓力等參數會在上位機的界面進行顯示，如若系統檢測出故障后會對故障進行報警，同時彈出故障界面，并留存故障數據，以備故障分析。中央水泵自動化控制系統硬件結構如下頁圖1 所示。

圖1 水泵自動控制系統硬件結構圖

如圖1 所示，PLC 作為系統的核心部件，主要對監控數據進行處理及存儲，通過運算邏輯輸出控制命令，達到水泵的啟停控制。充分考慮現場設備較為分散的特征，選定I/O 的方式進行控制及數據采集，選用CPU315-2DP 帶SINECL2-DP 接口的CPU，本文選定西門子ET200M 為遠程處理核心。數字量輸入模塊對設備狀態進行采集，開關量包含球閥到位信號、斷路器狀態、閘閥到位信號、控制命令等，在PLC 控制器兩側配置32 路開關輸入模塊2 塊。I/O部分配置32 路開關量輸入模塊1 塊。在現場實際應用過程中，通過RS-232、RS-485 串聯通訊模塊實現通訊。

2 軟件設計

對PLC 軟件進行設計，系統的設計需要具備如下的功能：自動解除功能和備用選用功能，3 臺排水泵可以任意選定備用機組，同時在水泵沒有實際運行過程中可以進行切換，當一臺泵機發生故障時可以迅速解除備用，保持正常運行；手動啟動，提供人工操作界面，可以對某臺設備進行人工啟動；順序啟動，通過設動啟動間隔時間實現電機的順序啟動；水位顯示，當水倉水位低于后高于某一數值時，及時顯示水位；自動控制，在無人監管時可以自行運轉，當出現水位過高時及時抽排，當水位過低時及時補水。系統自動控制軟件流程如圖2 所示。

圖2 系統自動控制軟件流程圖

開始時先進行系統檢測，當存在故障時，系統進行手動操作，當無故障或者故障排除后方可進行自動、半自動操作。系統啟動后，第一步需要與開關柜進行聯通，啟動I/O 處理程序，通過判斷選定三種運行方式，操作人員可以通過控制板按鈕位置判斷運行模式，當處于自動操作模式時，自動進行系統運行，完成輪換工作，出現故障時，及時停止報警，當處于半自動操作模式時，需要人工選定排水泵運行，后續進行自動模式，選定手動模式時，PLC 不參與系統的整體運行。

傳感器是礦井主排水泵系統的重要部件，其精度不足會大大降低系統的可靠性，傳感器按照范圍可分為全局傳感器和局部傳感器，全局傳感器采用超聲液位儀對全系統的數據進行檢查，同時采用雙傳感器冗余配合，使得可靠性及精度都有一定幅度的提升。局部傳感器是通過自我診斷對系統進行檢測，將每個階段的數據與上個階段數據進行對比，形成數據曲線。

3 結語

本文以PLC 控制為核心對礦井主排水系統進行設計研究，通過合理設計實現礦井排水泵控制系統的自動控制，給出了中央水泵自動化控制系統硬件配置結構及自動控制軟件流程，以保障傳感器運行的可靠性及精度性，為礦井防治水害事故的出現提供一定的解決途徑。