矿井主排水泵自动化控制系统改造设计

袁儒杰

（山西晋煤集团坪上煤业，山西晋城 048000）

0 引言

目前，我国关于综采工作面排水工作的研究较为落后。根据相关调查可知，我国依旧存在人工判断工作面水位增长速度的情况，难以及时依据水位变化的实际状况来控制主排水泵。因此，采用传统的方法来控制主排水泵，将会对综采面工作的安全性造成严重的影响。本文以某矿井中安装的主排水系统为对象进行研究，研发出了一套科学有效、自动控制的主排水系统，同时对其应用效果进行分析[1]。

1 水位监测系统的研发

1.1 主排水系统的阐述

本煤矿的中央泵房主要安装有5台主排水泵，其中包括1台在用泵、3台备用泵及1台检修泵。主排水系统及各个泵支路的具体构造如图1所示。

图1 主排水系统结构简图

1.2 水位监测的原理分析

系统主要是利用压力传感器来对水位进行监测，其原理如图2所示。这种传感器主要有4个电桥。当其所承受的压力等于0时，这些电桥将维持较好的平衡状态，其所有输出电压都为0。将它们置于水中，由于受到电压的影响，电桥平衡将会受到破坏，并且其所输出的电压与水位高呈现正比关系，即压力与电压的数值将随着水位高度的增加而增加[2]。

1.3 水位监测系统的硬件构成

该系统所发挥的主要作用就是对主水仓的水位进行有效地监测，当其大于限定值的时候，在作出报警动作的同时，可以对主排水泵的运行状态加以控制。因此，本系统中所安装的硬件主要有转换器、接口、传感器等等。该系统可以将水压信号进行有效转换，使其以电信号的形式传输到PLC中，同时与其所设定的预期值进行比较，一旦超过了预设数值，系统将会做出报警动作[3]。

图2 压力传感器工作原理图

2 主排水泵自动控制系统的研发

2.1 功能需求

（1）完成自动控制。本系统主要是运用水位状况来完成主排水泵的启停。

（2）完成手动控制。当系统需要进行维修或者PLC失去效用的同时，作业人员应当基于检修要求来控制主排水泵的运行状态，同时在进行手动控制的时候必须使各个泵保持独立运行的状态。

（3）完成自动轮换及调用。当某个水泵的启动次数超出检修要求之时，该系统将会从轮换中清除该水泵；在水泵的启动及停止时必须保证水闸保持关闭状态。

（4）报警功能。当PLC无法正常运作时，系统将会及时作出报警动作，以确保相关人员可以及时开展维修作业[4]。

2.2 控制系统的硬件设计

（1）硬件的组成。与其他的控制系统相一致，本研究对主排水系统进行了改良与完善，改良后该系统所运用的硬件主要为：显示屏、信号收集体系、执行单元等等。其硬件的组成如图3所示。

图3 主排水控制系统硬件组成图

（2）信号的采集设计。本系统所开展的信号收集工作主要针对开关量与模拟量两种信号。其中，模拟量信号主要包括压力、液压及温度这3种传感器的信息，开关量信号主要为水泵启停的相关控制信息。此外，事先在PLC中设定4个水位限度值，分别为H4（超高水位）、H3（高水位）、H2（低水位）和H1（超低水位）；温度传感器所发挥的作用主要是监测电机的温度；电机所进行的过载检测主要是运用所收集到信号数值来明确电机的状态是否为过载[5]。

（3）PLC控制的完成。PLC为该系统中最关键的控制部件，PLC主要是通过对温度、压力等相关参数加以判断来控制执行单元的动作。执行单元主要有水泵启动及停止的控制板块、报警功能等[6]。

2.3 控制原理分析及软件设计

系统所运用的控制思路主要为：系统可以将各个传感器的信息传输到PLC中，如果其水位超出低水位值时，系统可以依据电网的检测值来判断单台水泵的运行状态。当用电达到最高值时，主排水泵将不会被启动；当用电降至最低值时，系统可以对各个参数进行有效地监测，同时将会启动射流泵，促使注水泵维持真空状态，若各个参数均处于合理范围之内时，1号水泵将会被开启，其作用在于发挥排水效果[7]。若此时的水位超出高水位值时，系统将会做出报警讯号，同时开启单台水泵，并将1号和2号水泵进行启动；若水位超出超高水位值时，系统将会对单台水泵的启动程序加以运用，同时将3号水泵进行开启。经过一定的时间段之后，若水位依旧超出超高水位值时，4号水泵将会启动。但水位小于超低水位值时，系统首先会关掉出水闸阀，然后将水泵关掉[8]。

3 主要功能的实现

3.1 水仓水位检测和“避峰填谷”的实现

通过将水仓水位划分为6个区段，即7个水位点，其中水位点1位置为水仓底部，设置标准为水电位点数根据水位上升依次上升，设置水位点6为极限水位，水位点5为警戒水位，若系统开始报警，则表示水位已达到极限水位。

水仓水位指标是进行判断泵是否启动的最重要的因素，为了实现节能和安全排水的双重功效，要先实现子系统“避峰填谷”，采用灰色理论预测节能和水位。

3.2 排水管路和水泵的轮换子系统实现

对每个水泵配置2个数据寄存器，分别用于存放水泵的运行次数和运行时间，从而实现排水管路和水泵的轮换。当启动水泵时，系统综合判断运行次数和是否存在故障后，首先启动该水泵。

当某水泵发生故障时，其自动启动，退出轮换工作，同时依据某算法启动其他水泵。排水系统运行时，排水管路和水泵各使用3趟和3台，其不同的管路的选择主要依据闸阀开断情况进行，首选运行次数和故障最少的管路，若管路运行次数相同，则管路启动的选择标准为时间。

在程序设计阶段，在设定好的寄存器内合理分配各个信号，以便程序运行时，各相应寄存器可以被迅速找到，从而实现排水管路和水泵的轮换。

4 水泵控制方式的选择

全自动、半自动和手动是系统设计的3种控制方式。

（1）全自动方式。该方式下，系统的启动和自动停泵依据预先存储的程序进行，其余操作按钮均不起效果，水泵的运行主要由液位值、水泵启停的顺序和时间、达到标准的水泵启动的电压力值、压力值和时阀值4个因素决定。

（2）半自动方式。该方式下，操作者和用户分别在地面调度室的计算机监控终端和操作终端对水泵的启停进行操作，操作者进行检测，用户点击实现水泵启停，系统命令到PLC控制柜的实现通过太网。

（3）手动方式。该方式下，用户对系统的维护更方便直接，通过就地箱和指示灯实现了操作的一对一。

务必严格遵循相关操作流程进行泵的启停，因为每台水泵都是独立进行启动的，其具有不同的控制方式和输出方式，否则，极易导致水泵损坏以及水锤效应的出现。

5 结束语

针对主排水系统传统控制方法中的不足问题，本文对该系统进行有效地改良，在对主排水泵进行自动化控制的同时，还完善了控制的项目。另外，经过大量的实践可知，该控制系统可以使主排水泵的应用效率得到极大提升，保障综采工作面的安全。