PLC技术和模糊控制在煤矿自动排水系统中的应用

杨 静

(霍州煤电集团团柏矿，山西 霍州 031400)

1 前言

我国煤矿在控制排水系统上所使用的还是继电器，通常由人工检测继电器，工人劳动强度大、工作环境差、耗时耗力，检测故障发生率比较高，对排水系统的控制效率造成严重影响。随着我国煤炭业的迅猛发展，使得以往采用继电器对矿井排水系统进行控制的局限性逐渐突出，而对煤矿自动排水系统进行深入研究与分析极具现实意义。近年来，提出在煤矿自动排水系统中应用模糊控制系统与PLC技术，既避免了水泵能耗的浪费，又使水泵使用效率得到很大程度的提升，有效节约了煤矿开发与生产成本。此外，模糊控制系统与PLC技术还可以自动检测排水系统故障。

煤矿自动化排水所需解决的重要问题是尽可能地减少启、停泵次数，确保设备节能降耗、延长使用寿命、降低煤矿生产成本与维修、降低劳动强度、提升系统工作安全性与可靠性，保证煤矿实现安全生产。

2 模糊控制技术在煤矿自动排水系统中的应用优势

1965年，L.A.Zadeh首次提出模糊理论，在对人类判断与思维建模中，将作为定量化方式的模糊集提出，从模糊控制理论诞生至今数十年的发展与完善，已在医学、经济、军事、工业等各个领域实现迅猛的发展，而且获得越来越多科技工程人员的青睐，大量新应用和新产品不断崛起。

相比于精确逻辑，在工程应用领域模糊逻辑的主要优势在于：①在设计控制系统时，不需要明确被控对象数学模型精确，只需现场工作人员有足够的操作数据与丰富的经验知识；②自动排水操制系统具有较强鲁棒性，比较适合解决普通控制不好解决的时变、非线性及系统滞后等问题；③将常规数学变量变为语言变量，比较容易形成专家所掌握的“知识”。与神经网络相比，模糊控制系统基于已知系统专家，可以对现有专家知识加以充分利用；④应用不精确推理进行控制推理。推理过程对人的思维过程进行模仿，因为有人类经验介入其中，所以可以对复杂系统进行有效处理[1]；⑤模糊逻辑本身具有柔性特征。在给定系统面前能够有效处理与增加最新功能，比较容易结合传统控制技术。此外，模糊系统不必代替以往控制法，多数状况下，仅仅是对以往控制方法的简单修改，模糊控制系统示意图见图1。

图1 模糊控制系统示意图

3 煤矿排水系统中PLC(可编程逻辑控制器)技术的应用优势

3.1 PLC技术的主要特点

①PLC的结构为模块化，可根据程序模块对系统进行分段调试及运行。这一程序结构的主要特点在于易懂、清晰、便捷，运行速度快，方便模拟调试；②依照水位系统能够满足水泵轮换工作，延长自动排水系统中水泵使用寿命；③通过电极式水位监测装置自动检测水位信号，正确判断矿井涌水量，使水泵运行量自动投入和推出，同时有效、合理调度水泵运行。

根据相关控制需求，具体包括数据采集系统、PLC系统、报警系统、变频控制系统、监控系统等组成煤矿自动排水系统，系统组成结构见图2。

图2 自动排水系统组成结构图

3.2 PLC技术在煤矿自动排水系统中的应用优势

通常有各种传感器与PLC共同组成数据采集系统，实现电动阀启闭位置与工作状态、水仓水位、闸阀开度、水泵轴温、电机电流、真空工作状态、排水管流量及变频器输入线电压等参数的实时采集。通过传感器PLC对量输入模块进行模拟以对水仓水位进行连续检测，以转换处理水位变化信号，将不同时间段的水位上升率计算出来，以此计算矿井涌水量，有效控制变频系统中变频控制器的输出频率，有效调节水泵实际转速，最终达到有效调节煤矿中排水量的目的。电抗器柜接触器与水泵高压启动柜断路器状态、变频器母线电压、电动阀启闭位置及工作状态、水泵吸水管真空度、闸阀开度、电磁阀状态、电机温度、水泵出水口压力、水泵轴温等传感器和变送器，一般用于监测供电电源、水泵、电机等运行状况，进而实现停电、设备故障、水位及电机温度超限等的提示作用，有效预防电机、水泵损坏等对自动排水系统安全运行产生影响[2]。

一般由变频器与控制器共同组成变频系统。控制变频控制系统的措施主要包括：通过PLC与高压大功率变频器共同组成控制系统，依照数据采集系统中的供电电源参数、矿井用水量与排水系统参数等实施自动控制泵的停止与开放，对控制泵实际调速运行实施进一步优化，对泵组实际运行台数予以自动调整，在改变矿井涌水量的过程中能够实现节约电能与稳定排水。系统以泵站实际排水量为其控制目标，CPU运行处理系统输入涌水量值后，对变频泵电动机实际转速与泵电动机实际投运台数进行有效控制，以此确保涌水量和排水量平衡。确保水仓水位处于特定位置，对通讯接口发送设备故障、停电及用水量超限等报警信号，并将其传送至主控室[3]。现阶段，一般会将PLC控制器应用于系统控制装置中，由于PLC一方面能够实现阀门与泵组的逻辑控制，另一方面还能够有效地发挥系统本身所具有的PID调节功能。

在煤矿自动排水系统中应用PLC技术，能够依照水位实际变化对水泵运行情况进行有效控制。由于水井实际涌水量具有随机性，检测系统在一般情况下需要不停地对水位情况进行监视，将实际水位信号输送至PLC实施有效处理，并输出到相关报警装置中，方便系统管理者对水位实际情况进行及时了解。如果存在危险，就会发出报警信号。此外，自动排水程序还具有水泵自动控制和优化配置的作用。通过PLC本身所具有的内存记忆功能编号控制水泵，对自动排水系统历史运行情况进行记录，并与水泵状态与涌水量大小进行有效结合，将水泵实际运行命令输出，以达到良好排水效果，充分发挥水泵的作用，以此提升水泵使用寿命。还能依照水位变化情况，对水泵实际运行台数自动投入，确保能够合理运行水泵房。

4 模糊控制系统与PLC技术在煤矿自动排水系统中的应用

应用方案的组成部分主要包括自动报警系统模块、报警系统模块、采集模块、变频控制系统模块、排水自动模块，主要作用是通过对水泵开关次数进行控制，以节约煤矿企业实际生产能耗，延长水泵使用寿命，有效控制企业生产成本，进一步提高煤矿自动化生产水平。

采集系统是传感器系统与可编程逻辑控制，以采集有效数据。其数据主要包括：电抗器形态、变频器输入侧母线电压、水仓水位、真空接触器形态、真空泵工作状态、电动阀工作状态、真空泵状态、水泵电机温度与电流变化、水泵吸水管真空度以及排水管流量等。PLC模块利用传感器监测水仓水位，实施监测信号的数模转换，将水位在各水位段升速变化计算出来，并利用所得数据对矿井实际涌水量进行计算[4]。变频控制器在变频控制系统中主要对其输出频率进行调节与控制，以此对水泵实际转速进行调节，由此能够对排水量进行有效控制。传感器与变送器主要对电机、电源及水泵等实际运行状态进行检测，设备一旦发生故障就会自动报警，对设备进行保护，提升煤矿安全生产率。

一般由PLC与具有较高功率与电压的变频器构成变频器控制系统，对水泵运行速率与闭合速率进行有效调整，依照实际需求对水泵启动量进行选择，以对排水量进行有效控制。依照运算确保出水量和进水量之间的平衡。在紧急情况下就能够向地面控制中心发出报警信号，有助于工作人员及时掌握井下信息。如果矿井中涌水遭遇停电、设备故障及超出安全值范围等问题，报警信号就会自动发出，通过设备将声光报警信息及时发送出去。人机信息交互依靠人际界面系统，操作人员在该系统中能够对煤矿排水设备状态予以准确掌握，及时获取相关设备检测信息，根据自动化控制信息，将相关指令发送给矿井排水系统[5]。

5 结语

借助模糊控制系统以PLC技术代替传统继电器控制系统，能够智能管理水泵停启时间与井下排水系统启用。依照煤矿自动排水系统中的模糊控制系统和PLC技术应用方案，能够保证系统自动操作，使煤矿井下自动排水问题得到有效解决，有利于智能化管理矿井排水泵，延长水泵实际使用寿命，同时提高煤矿企业生产与开发的经济效益。

[参考文献]

[1] 孔令坡，郭广生，王志华.低温氧化对新疆烟煤结构及热力学性能的影响[J].煤炭学报，2014(增刊1):189-190.

[2] 杨恒林，汪伟英，田中兰.煤层气储层损害激励及应对措施[J].煤炭学报，2014(增刊1):158-159.

[3] 张红亚，等.井下排水自动控制系统的设计与应用[J].中州煤炭，2010,(1):154-155．

[4] Tao Zhang，et al. Based on S7-. 300 PLC automatic control of coal mine drainage system [J].Mining Technology，2007,(2): 169-170.

[5] 赵冬梅．基于PLC和模糊控制技术在煤矿自动排水的系统设计[J].才智,2011,(5):61-62．