基于PLC井下主排水泵综合自动化控制的研究

摘 要：智能高效的地排放矿井涌水，对保障煤矿安全生产意义重大。本系统采用PLC和组态软件对井下排水系统进行智能控制，中心控制器采用S7-300系列PLC，利用传感器对各参数进行采集，通过软件编程等完成了避峰就谷、自动轮换等节能优化排水过程，本系统还具有故障监测和保护功能，主要包括过压、过流、漏电保护、水泵漏水保护、流量、压力保护。上位机使用组态王进行操作，可实现远程监控，实时显示信息，井下排水调试运行证明该系统提高了生产效率，节省能耗，降低了生产成本。

关键词：PLC；组态；智能高效；远程控制

引言

现在许多煤矿采用传统的继电器控制方法代替煤矿工作人员的监测的方法是非常复杂的[1-3]，并且需要一个相对繁重的人力消耗。为了满足矿井排水系统的需求，采用PLC和组态软件结合设计自动化排水系统，通过工业以太网进行远程控制，不仅提高了水泵的运行和使用效率，更重要的是节省能耗，降低生产成本。同时，本系统具有故障监测和保护功能[4]。

1 排水系统的控制

1.1 排水系统的总体控制要求

（1）水泵自动运行原则；（2）“避峰填谷”原则；（3）系统保护原则：a.漏水保护；b.超温保护；c.过电流保护；d.两种工作方式切换；e.系统远程监控原则。

1.2 排水系统的控制策略

水泵房中水泵的运行主要是根据液位传感器提供的液位，结合自动控制程序，在保证安全条件下的水仓水位和水仓所能容纳的最大涌水量做出相应的判断，决定投入运行的水泵数量和运行时间。由于煤矿井下的水位条件非常复杂，无法建立精确的数学模型对涌水量进行准确的定量描述，所以，选择九点控制策略，通过对水位信号的实时采集，根据相邻两次采集的水位变化量和采集的时间间隔得到水位的变化率，并以此作为系统的控制依据水位的变化量和变化率，进而提高了排水系统应对不规则的涌水能力。

九点控制策略的基本原理如图1所示，该控制策略的核心即为九点控制器。控制系统预先设定被控制量的基准值，此基准设定值与传感器检测的数值比较得到误差 ，此误差作为九点控制器的输入量。

图1 九点控制器原理框图

在图1中，r即为系统预先设定的基准值；c为传感器检测的数值即为系统的输出量；e为控制参量的变化量，由系统设定的基准值 r与系统的被控量c之间的差值，即e=r-c。uc为九点控制器的输出量，是根据控制参量的变化量e和控制参量的变化率■的实际状态所决定的。

2 系统的硬件设计

2.1 排水系统的硬件结构

为满足上述基本要求，系统的控制部分硬件是以S7-300可编程控制器为核心控制芯片。在此PLC基础上，又扩展了模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块、通信模块和上位机监控中心。图2为系统硬件整体框图。

图2 控制系统硬件整体框图

2.2 传感器的选择

2.2.1 井下水仓液位检测传感器。本系统采用投入式液位传感器，该传感器是一种测量液位的压力传感器，基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号。

2.2.2 温度传感器。系统选择工业用的红外测温仪实时监测点击的轴温。原理是将物体发射的红外线具有的辐射能转变成电信号，红外线辐射能的大小与物体本身的温度相对应，根据转变成电信号大小，可以确定物体的温度。

2.3 排水管路系统的阀门选型

本系统所选用的电动闸阀是ZB180-24/400型矿用隔爆型电动闸阀，并配有KXBC系列隔爆型控制箱，该控制箱是ZB系列电动阀门的专用控制装置，具有短路保护、过载保护、欠压保护等功能，并设置了行程控制、远方/就地控制的切换功能，反馈到PLC的到位等信号皆为无源点输出，有较强的抗干扰能力。电动球阀选用了QMB5型隔爆电动球阀，密封性好、动作速度快、动作可靠、故障率低。控制电压为DC24V，可由PLC输出继电器直接驱动，采用霍尔传感器检测到位信号，比传统的机械触电更为准确，提高了控制精度。

2.4 水管流量监测

本系统选用LCZ-803型超声波时差流量计，该流量计采用了先进的多脉冲技术、信号数字化处理技术及纠错技术，能够有效地抵抗来自变频设备的干扰、电磁场的干扰和系统流态的干扰。

2.5 真空度检测

本系统选用KGY4型负压（压力）传感器，属于矿用本质安全型设备，可对管道中的气体的差力压进行连续监测，并实时的显示被测点的差压值。

2.6 水泵出口压力检测

本系统选用KGY7型压力传感器，属于矿用本质安全型设备，可对管道中的气体、液体的压力进行连续监测，并实时的显示被测点的表压值。

3 控制系统软件设计

该井下排水系统中的软件设计中要包括：主程序设计、水泵自动运行子程序设计、“避峰填谷”子程序设计、系统保护子程序设计、两种工作方式切换子程序设计和系统初始化子程序设计。系统软件设计框图如图3所示：

在系统开始运行后，首先需要是检查PLC是否有故障，设备是否有故障，如果有故障，系统马上停止，等待工作人员检测排除故障。在主程序中，选择系统的运行方式，是手动运行还是自动运行，以及选择那个水泵那个管道记性具体的选择。如图4所示：

图4 操作方式选择流程图

4 通信及上位机监控系统的实现

现在使用的是西门子的315-2PN/DP CPU，CPU本身集成了工业以太网接口，可以直接使用网线将现场的PLC和工控机连接在一起。在工控机中安装SIMATIC NET作为OPC服务器，组态软件中OPC LINK作为标准的OPC接口，这样上位机组态软件就可以和下位机PLC进行数据交换了。

图5 远程监控总体示意图

本系统采用组态软件为“组态王”，该软件开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点明显。根据实际的运行流程，本系统需要按照排水系统的具体要求画出如下操作画面：水泵房需监测的量主要有水位，水泵吸水管真空度，水泵出水口压力，水泵电机轴温度，电机定子温度，出水管流量等。其中总监视画面、手动画面、历史曲线画面如图6-图8所示：

图6 水泵房流程画面

图7 手动画面

图8 历史曲线画面

5 结束语

文中针对煤矿井下排水设备自动化程度不高的现状，研究设计了PLC 控制与上位机相结合的煤矿井下自动排水系统。系统选用S7-300 系列PLC和“组态王”软件编制的自动监测程序，用其监视设备的运行情况及各个运行参数，实现了泵房无人值守、设备安全可靠运行，减少了人力投入，提高了工作效率。

参考文献

[1]李泽松.井下水泵房自动排水系统研究[M].太原：太原理工大学，2005.

[2]李美霞.煤矿排水泵自动控制系统设计[J].中小企业管理与科技，2009（36）：253.

[3]李井民.矿井主排水系统设计方法探讨[J].科技信息，2010（6）：58-60.

[4]栾振辉，廖玲利.煤矿机械PLC控制技术[M].北京：化学工业出版社，2008.

作者简介：王军，本科生，电气工程及其自动化。

摘 要：智能高效的地排放矿井涌水，对保障煤矿安全生产意义重大。本系统采用PLC和组态软件对井下排水系统进行智能控制，中心控制器采用S7-300系列PLC，利用传感器对各参数进行采集，通过软件编程等完成了避峰就谷、自动轮换等节能优化排水过程，本系统还具有故障监测和保护功能，主要包括过压、过流、漏电保护、水泵漏水保护、流量、压力保护。上位机使用组态王进行操作，可实现远程监控，实时显示信息，井下排水调试运行证明该系统提高了生产效率，节省能耗，降低了生产成本。

关键词：PLC；组态；智能高效；远程控制

引言

现在许多煤矿采用传统的继电器控制方法代替煤矿工作人员的监测的方法是非常复杂的[1-3]，并且需要一个相对繁重的人力消耗。为了满足矿井排水系统的需求，采用PLC和组态软件结合设计自动化排水系统，通过工业以太网进行远程控制，不仅提高了水泵的运行和使用效率，更重要的是节省能耗，降低生产成本。同时，本系统具有故障监测和保护功能[4]。

1 排水系统的控制

1.1 排水系统的总体控制要求

（1）水泵自动运行原则；（2）“避峰填谷”原则；（3）系统保护原则：a.漏水保护；b.超温保护；c.过电流保护；d.两种工作方式切换；e.系统远程监控原则。

1.2 排水系统的控制策略

水泵房中水泵的运行主要是根据液位传感器提供的液位，结合自动控制程序，在保证安全条件下的水仓水位和水仓所能容纳的最大涌水量做出相应的判断，决定投入运行的水泵数量和运行时间。由于煤矿井下的水位条件非常复杂，无法建立精确的数学模型对涌水量进行准确的定量描述，所以，选择九点控制策略，通过对水位信号的实时采集，根据相邻两次采集的水位变化量和采集的时间间隔得到水位的变化率，并以此作为系统的控制依据水位的变化量和变化率，进而提高了排水系统应对不规则的涌水能力。

九点控制策略的基本原理如图1所示，该控制策略的核心即为九点控制器。控制系统预先设定被控制量的基准值，此基准设定值与传感器检测的数值比较得到误差 ，此误差作为九点控制器的输入量。

图1 九点控制器原理框图

在图1中，r即为系统预先设定的基准值；c为传感器检测的数值即为系统的输出量；e为控制参量的变化量，由系统设定的基准值 r与系统的被控量c之间的差值，即e=r-c。uc为九点控制器的输出量，是根据控制参量的变化量e和控制参量的变化率■的实际状态所决定的。

2 系统的硬件设计

2.1 排水系统的硬件结构

为满足上述基本要求，系统的控制部分硬件是以S7-300可编程控制器为核心控制芯片。在此PLC基础上，又扩展了模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块、通信模块和上位机监控中心。图2为系统硬件整体框图。

图2 控制系统硬件整体框图

2.2 传感器的选择

2.2.1 井下水仓液位检测传感器。本系统采用投入式液位传感器，该传感器是一种测量液位的压力传感器，基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号。

2.2.2 温度传感器。系统选择工业用的红外测温仪实时监测点击的轴温。原理是将物体发射的红外线具有的辐射能转变成电信号，红外线辐射能的大小与物体本身的温度相对应，根据转变成电信号大小，可以确定物体的温度。

2.3 排水管路系统的阀门选型

本系统所选用的电动闸阀是ZB180-24/400型矿用隔爆型电动闸阀，并配有KXBC系列隔爆型控制箱，该控制箱是ZB系列电动阀门的专用控制装置，具有短路保护、过载保护、欠压保护等功能，并设置了行程控制、远方/就地控制的切换功能，反馈到PLC的到位等信号皆为无源点输出，有较强的抗干扰能力。电动球阀选用了QMB5型隔爆电动球阀，密封性好、动作速度快、动作可靠、故障率低。控制电压为DC24V，可由PLC输出继电器直接驱动，采用霍尔传感器检测到位信号，比传统的机械触电更为准确，提高了控制精度。

2.4 水管流量监测

本系统选用LCZ-803型超声波时差流量计，该流量计采用了先进的多脉冲技术、信号数字化处理技术及纠错技术，能够有效地抵抗来自变频设备的干扰、电磁场的干扰和系统流态的干扰。

2.5 真空度检测

本系统选用KGY4型负压（压力）传感器，属于矿用本质安全型设备，可对管道中的气体的差力压进行连续监测，并实时的显示被测点的差压值。

2.6 水泵出口压力检测

本系统选用KGY7型压力传感器，属于矿用本质安全型设备，可对管道中的气体、液体的压力进行连续监测，并实时的显示被测点的表压值。

3 控制系统软件设计

该井下排水系统中的软件设计中要包括：主程序设计、水泵自动运行子程序设计、“避峰填谷”子程序设计、系统保护子程序设计、两种工作方式切换子程序设计和系统初始化子程序设计。系统软件设计框图如图3所示：

在系统开始运行后，首先需要是检查PLC是否有故障，设备是否有故障，如果有故障，系统马上停止，等待工作人员检测排除故障。在主程序中，选择系统的运行方式，是手动运行还是自动运行，以及选择那个水泵那个管道记性具体的选择。如图4所示：

图4 操作方式选择流程图

4 通信及上位机监控系统的实现

现在使用的是西门子的315-2PN/DP CPU，CPU本身集成了工业以太网接口，可以直接使用网线将现场的PLC和工控机连接在一起。在工控机中安装SIMATIC NET作为OPC服务器，组态软件中OPC LINK作为标准的OPC接口，这样上位机组态软件就可以和下位机PLC进行数据交换了。

图5 远程监控总体示意图

本系统采用组态软件为“组态王”，该软件开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点明显。根据实际的运行流程，本系统需要按照排水系统的具体要求画出如下操作画面：水泵房需监测的量主要有水位，水泵吸水管真空度，水泵出水口压力，水泵电机轴温度，电机定子温度，出水管流量等。其中总监视画面、手动画面、历史曲线画面如图6-图8所示：

图6 水泵房流程画面

图7 手动画面

图8 历史曲线画面

5 结束语

文中针对煤矿井下排水设备自动化程度不高的现状，研究设计了PLC 控制与上位机相结合的煤矿井下自动排水系统。系统选用S7-300 系列PLC和“组态王”软件编制的自动监测程序，用其监视设备的运行情况及各个运行参数，实现了泵房无人值守、设备安全可靠运行，减少了人力投入，提高了工作效率。

参考文献

[1]李泽松.井下水泵房自动排水系统研究[M].太原：太原理工大学，2005.

[2]李美霞.煤矿排水泵自动控制系统设计[J].中小企业管理与科技，2009（36）：253.

[3]李井民.矿井主排水系统设计方法探讨[J].科技信息，2010（6）：58-60.

[4]栾振辉，廖玲利.煤矿机械PLC控制技术[M].北京：化学工业出版社，2008.

作者简介：王军，本科生，电气工程及其自动化。

摘 要：智能高效的地排放矿井涌水，对保障煤矿安全生产意义重大。本系统采用PLC和组态软件对井下排水系统进行智能控制，中心控制器采用S7-300系列PLC，利用传感器对各参数进行采集，通过软件编程等完成了避峰就谷、自动轮换等节能优化排水过程，本系统还具有故障监测和保护功能，主要包括过压、过流、漏电保护、水泵漏水保护、流量、压力保护。上位机使用组态王进行操作，可实现远程监控，实时显示信息，井下排水调试运行证明该系统提高了生产效率，节省能耗，降低了生产成本。

关键词：PLC；组态；智能高效；远程控制

引言

现在许多煤矿采用传统的继电器控制方法代替煤矿工作人员的监测的方法是非常复杂的[1-3]，并且需要一个相对繁重的人力消耗。为了满足矿井排水系统的需求，采用PLC和组态软件结合设计自动化排水系统，通过工业以太网进行远程控制，不仅提高了水泵的运行和使用效率，更重要的是节省能耗，降低生产成本。同时，本系统具有故障监测和保护功能[4]。

1 排水系统的控制

1.1 排水系统的总体控制要求

（1）水泵自动运行原则；（2）“避峰填谷”原则；（3）系统保护原则：a.漏水保护；b.超温保护；c.过电流保护；d.两种工作方式切换；e.系统远程监控原则。

1.2 排水系统的控制策略

水泵房中水泵的运行主要是根据液位传感器提供的液位，结合自动控制程序，在保证安全条件下的水仓水位和水仓所能容纳的最大涌水量做出相应的判断，决定投入运行的水泵数量和运行时间。由于煤矿井下的水位条件非常复杂，无法建立精确的数学模型对涌水量进行准确的定量描述，所以，选择九点控制策略，通过对水位信号的实时采集，根据相邻两次采集的水位变化量和采集的时间间隔得到水位的变化率，并以此作为系统的控制依据水位的变化量和变化率，进而提高了排水系统应对不规则的涌水能力。

九点控制策略的基本原理如图1所示，该控制策略的核心即为九点控制器。控制系统预先设定被控制量的基准值，此基准设定值与传感器检测的数值比较得到误差 ，此误差作为九点控制器的输入量。

图1 九点控制器原理框图

在图1中，r即为系统预先设定的基准值；c为传感器检测的数值即为系统的输出量；e为控制参量的变化量，由系统设定的基准值 r与系统的被控量c之间的差值，即e=r-c。uc为九点控制器的输出量，是根据控制参量的变化量e和控制参量的变化率■的实际状态所决定的。

2 系统的硬件设计

2.1 排水系统的硬件结构

为满足上述基本要求，系统的控制部分硬件是以S7-300可编程控制器为核心控制芯片。在此PLC基础上，又扩展了模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块、通信模块和上位机监控中心。图2为系统硬件整体框图。

图2 控制系统硬件整体框图

2.2 传感器的选择

2.2.1 井下水仓液位检测传感器。本系统采用投入式液位传感器，该传感器是一种测量液位的压力传感器，基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号。

2.2.2 温度传感器。系统选择工业用的红外测温仪实时监测点击的轴温。原理是将物体发射的红外线具有的辐射能转变成电信号，红外线辐射能的大小与物体本身的温度相对应，根据转变成电信号大小，可以确定物体的温度。

2.3 排水管路系统的阀门选型

本系统所选用的电动闸阀是ZB180-24/400型矿用隔爆型电动闸阀，并配有KXBC系列隔爆型控制箱，该控制箱是ZB系列电动阀门的专用控制装置，具有短路保护、过载保护、欠压保护等功能，并设置了行程控制、远方/就地控制的切换功能，反馈到PLC的到位等信号皆为无源点输出，有较强的抗干扰能力。电动球阀选用了QMB5型隔爆电动球阀，密封性好、动作速度快、动作可靠、故障率低。控制电压为DC24V，可由PLC输出继电器直接驱动，采用霍尔传感器检测到位信号，比传统的机械触电更为准确，提高了控制精度。

2.4 水管流量监测

本系统选用LCZ-803型超声波时差流量计，该流量计采用了先进的多脉冲技术、信号数字化处理技术及纠错技术，能够有效地抵抗来自变频设备的干扰、电磁场的干扰和系统流态的干扰。

2.5 真空度检测

本系统选用KGY4型负压（压力）传感器，属于矿用本质安全型设备，可对管道中的气体的差力压进行连续监测，并实时的显示被测点的差压值。

2.6 水泵出口压力检测

本系统选用KGY7型压力传感器，属于矿用本质安全型设备，可对管道中的气体、液体的压力进行连续监测，并实时的显示被测点的表压值。

3 控制系统软件设计

该井下排水系统中的软件设计中要包括：主程序设计、水泵自动运行子程序设计、“避峰填谷”子程序设计、系统保护子程序设计、两种工作方式切换子程序设计和系统初始化子程序设计。系统软件设计框图如图3所示：

在系统开始运行后，首先需要是检查PLC是否有故障，设备是否有故障，如果有故障，系统马上停止，等待工作人员检测排除故障。在主程序中，选择系统的运行方式，是手动运行还是自动运行，以及选择那个水泵那个管道记性具体的选择。如图4所示：

图4 操作方式选择流程图

4 通信及上位机监控系统的实现

现在使用的是西门子的315-2PN/DP CPU，CPU本身集成了工业以太网接口，可以直接使用网线将现场的PLC和工控机连接在一起。在工控机中安装SIMATIC NET作为OPC服务器，组态软件中OPC LINK作为标准的OPC接口，这样上位机组态软件就可以和下位机PLC进行数据交换了。

图5 远程监控总体示意图

本系统采用组态软件为“组态王”，该软件开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点明显。根据实际的运行流程，本系统需要按照排水系统的具体要求画出如下操作画面：水泵房需监测的量主要有水位，水泵吸水管真空度，水泵出水口压力，水泵电机轴温度，电机定子温度，出水管流量等。其中总监视画面、手动画面、历史曲线画面如图6-图8所示：

图6 水泵房流程画面

图7 手动画面

图8 历史曲线画面

5 结束语

文中针对煤矿井下排水设备自动化程度不高的现状，研究设计了PLC 控制与上位机相结合的煤矿井下自动排水系统。系统选用S7-300 系列PLC和“组态王”软件编制的自动监测程序，用其监视设备的运行情况及各个运行参数，实现了泵房无人值守、设备安全可靠运行，减少了人力投入，提高了工作效率。

参考文献

[1]李泽松.井下水泵房自动排水系统研究[M].太原：太原理工大学，2005.

[2]李美霞.煤矿排水泵自动控制系统设计[J].中小企业管理与科技，2009（36）：253.

[3]李井民.矿井主排水系统设计方法探讨[J].科技信息，2010（6）：58-60.

[4]栾振辉，廖玲利.煤矿机械PLC控制技术[M].北京：化学工业出版社，2008.

作者简介：王军，本科生，电气工程及其自动化。