基于PLC控制的煤矿井下自动排水系统的研究

2018-07-06姚武江

机械管理开发 2018年6期

姚武江

（阳煤一矿机电工区井下机电队，山西阳泉 045000）

引言

目前，多数井下排水系统仍然依赖于人工进行启停操作及数据记录，不仅需要在井下泵房内安排专门的人员进行不间断值守而且在排水时需要工人按顺序完成对水泵的操作，工作量大、控制效率低下，同时在排水控制时并没有考虑到“避峰填谷”要求，造成了电能的极大浪费，因此迫切需要建立起一个高度集中化的井下排水自动控制系统，实现对煤矿井下排水装置的集中控制，实现井下泵房的无人化，提高排水系统的控制效率和控制灵活性[1]。

1 井下自动排水控制系统整体结构

该新型煤矿井下自动排水控制系统主要由用于对井下排水系统进行自动控制的井下泵房和完成数据集中控制、分析、监控的井上调度监控中心构成。

该自动排水控制系统的控制模式主要包括远程自动控制和手动控制模式。在远程自动控制模式下，根据积水区域内液位传感器返回的水位实时情况，自动判断是否需要开启水泵及需要开启的水泵数量，在整个过程中PLC控制中心对排水系统进行信息监测和控制；在手动模式下，根据积水区域水位的变化情况，通过井下泵房控制台上的开关对水泵进行启、停控制。值班人员根据排水的流程，按照顺序手动控制相应的设备进行启、停止[2]。

2 井下泵房自动控制系统

井下泵房的自动控制原理如图1所示，为了确保井下泵房排水控制系统在煤矿井下恶劣环境中工作的可靠性，其控制装置采用可编程控制器PLC，并将PLC设置于泵房内的综合防爆箱内，减少外界粉尘和潮湿空气的影响。

图1 井下泵房自动控制系统

在煤矿井下泵房自动控制系统中，由处于控制核心的中央控制单元PLC完成对该泵房控制范围内各排水装置实时工作数据的采集和状态监控，位于积水区域的液位传感器将对积水区域的积水水位的变化进行不间断监测，并将监测数据转换为电信号后以开关量和模拟量的形式传递到PLC控制中心，位于各排水装置上的电流、电压传感器、电机温度传感器等主要用于对排水装置在工作时的电流、电压和工作温度进行监测，并将监测数据以模拟量信号的形式传递到PLC控制中心，系统中的流量计用于实时监测排水系统的水流量，并将流量数据汇集到PLC控制中心进行统一的汇总处理，实现对整个排水控制单元内各排水装置运行状态的实时监测和控制[3]。

为了实现排水系统“避峰填谷”的工作方式，我们通过对排水装置电机的工作方式进行编程控制，当PLC控制系统判定液位传感器返回的积水变化情况后根据数据的实时更新情况，自动控制各排水装置的启动或者停止，并且会根据水位变化的快慢判定需要同时开启的排水装置的数量。在该控制系统中为了确保各排水装置的工作寿命，其采用了“轮休”的控制模式，根据预设的控制程序合理控制各排水装置的工作时间，优化系统排水的方式，显著地提高了排水装置的使用寿命，同时，系统也会根据煤矿井下用电的情况采用“避峰填谷”的工作原则，合理控制排水装置的工作时间，提高电能利用效率减少电能的消耗。

3 井下泵房自动排水控制过程

在煤矿井下自动排水系统中，利用PLC中央控制功能，并结合电气控制设备及各类传感器设备共同组成了自动排水控制系统，在该控制系统中最主要的是对水泵启动、停止过程的逻辑控制，其控制结构如图2所示。

图2 井下泵房自动排水控制过程

在控制启动时，由PLC控制系统通过液位传感器反馈的信号实时对积水区域的水位情况进行监测，在控制系统中设置有水位上限值，当积水区域的水位达到设定值后，控制系统控制射流泵对水泵抽真空，此时积水区域内的水会在外界大气压强的作用下压入到离心泵内，当压力传感器检测到真空度达到系统设定值后，压力传感器向PLC控制系统发送一个反馈信号，然后PLC控制系统控制排水装置的电机启动，使出水口处的压力增加，当出水口处的压力达到系统的设定值，压力传感器向PLC控制中心发出一个反馈信号。

当积水区域的水位下降到系统设定值时，系统发出停止的指令，关闭出水口处的电动闸阀，防止停止后的水锤效应损坏水泵，当电动闸阀彻底关闭后再控制水泵电机[4]。

4 排水装置轮换制的实现方式

为了确保各排水装置能够实现轮换，延长其使用寿命，在对该控制系统设置程序时，为每个排水区域内的n个水泵分配2个数据信息寄存器，其中一个寄存器用来记录各水泵工作的次数，另一个寄存器用来储存各水泵的运行时间，在PLC控制系统每次控制水泵开始工作时会首先对2个寄存器内的数据进行逻辑换算，将各水泵的启动次数和运行时间进行排序，使自动启动运行时间最少的水泵进行工作，在完成每次排水后，各寄存器对数据进行一次更新，并对原始数据进行覆盖处理，从而避免长时间工作后寄存器内数据溢出，当某个排水装置出现故障时，系统自动报警，并自动切换到其他水泵继续完成排水工作。