基于PLC的矿井自动化排水系统控制研究

李松恩

【摘 要】 文章针对矿井排水系统的自动化水平不高、能耗高、控制策略不合理的问题，提出了采用PLC对排水系统进行自动化控制，同时利用“避峰就谷”控制策略，根据时间和涌水量的大小对系统排水进行自动调整，排水系统的电费成本大大降低，排水平均价格由1.66元/m3降至1.25元/m2，在满足排水需求的同时有效降低排水系统的用电量，实现矿井排水系统自动化及节能的目的。

【关键词】 排水系统;自动化;水泵;PLC;优化控制

【中图分类号】 TP272 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）01-0020-02 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

煤炭开采过程中，地层岩层极易遭到破坏，使井下涌水量增加，若不及时排出，将影响矿井的正常生产，严重时造成人员的伤亡。因此，井下排水系统就变得尤为重要。本文则利用PLC对矿井排水系统进行了控制设计，同时利用“避峰就谷”控制策略，实现了矿井的自动化及节能的目的。

1 井下排水系统工作原理

井下排水系统由信号采集部分、综合控制器、操作台和执行设备四部分组成。中央水泵房是排水系统的核心部件，采用的核心控制器为西门子S7-300系列PLC，用于实时数据的收集，通过操作台完成对系统的集中控制。有三种设置方式：工作、备用、检修。系统根据水仓水位的变化及水泵启动停止的设定时间，来确定正常工作的水泵数，其工作原理如图1所示。

2井下自动化排水系统的优化

系统根据水仓水位的变化，在正常工作的水泵数量满足要求的条件下，在不同时间段控制不同的水泵运行数量，达到节能的目的。传统的“避峰就谷”是在水位较高且处于用电低谷时间段或者水位进入警戒线后，水泵开启，当水位较低时或者用电高峰期，水泵停止，这种方式仅依据水仓内的水位来作为水泵是否开启的依据，风险较大且排水效率较低。利用PLC后将采集到的涌水量的预测加入水泵开启的条件之一，通过涌水量计算，使系统始终保持在最适宜的水位，即用电低谷期开启较多的水泵，使水仓水位降到最低，增大水仓的容量用以储存更多的用电高峰期的矿井水，以减少用电高峰期水泵开启的数量，同时开泵台数可依据水位监测进行确定，使系统达到节能的目的，水泵开启数量计算流程图见图2。此外，利用最优化原理，建立水位控制的数学模型，通过递推算法可实现排水过程的优化。

3井下排水系统软件设计

可编程控制PLC已广泛应用于矿山设备中，在井下排水系统中应用实现了排水系统的可靠性和灵活性，通过设计不同的控制程序，实现了不同的控制方式。在水泵正常运行前，可选择不同的控制方式。选择本地手动控制时，操作人员可通过触摸屏实现对水泵的控制。当点击启动按钮后，水泵开始工作，当达到预定的压力值时，点击水闸阀，水泵正常工作。当采用自动控制时，系统会在水泵开启前自动检测是否具备开泵条件，条件满足后，信号输送给PLC，PLC控制系统开启水泵，并不断监测水泵内的压力值，当压力在规定的时间内未达到设定压力值时，系统自动关闭水泵并进行语音报警。如果出水处的压力在一定时间内未达到预定值，系统也会自动启动停泵流程，并发出声光报警。当遇到意外或其他符合停泵的特殊情况时，同样停泵流程开启。自动控制流程见图3所示。

系统通过PLC程序控制实现了优化调度，采用“避峰就谷”控制策略，在用电低谷期多排水，在用电高峰期蓄水，较少启动水泵，其流程见图4。通过现场不断采集数据，将其预先写入PLC。通过水位监测信号的延时，实现了系统的抗干扰处理。同时用电高峰期泵时明显降低，排出1m3的废水所需平均成本由1.66元降至1.25元，能达到节约电费的目的。

4结论

本文分析了矿井排水系统的结构及其电气控制工作原理，同时提出了排水系统的优化控制策略，利用PLC进行软件设计对排水系统进行控制，提高了排水系统的自动化水平，通过“避峰就谷”控制策略，在满足排水需求的同时可有效降低排水系统的用电量，实现矿井排水系统节能的目的。

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