基于PLC技术的矿井中央排水系统改造

史文超

（山西汾西同达工程设计有限责任公司， 山西 介休 032000）

1 两渡煤矿原排水系统概况

两渡煤矿+315 m水平井底车场附近的中央排水系统与中央变电所联合布置。其中，+315 m水平中央排水泵房设有3台D500-80×8型矿用排水泵，配套电机1 000 kW、6 kV，1套液压站及3台ZDYF型液压闸阀，水仓分为主、副水仓，总容量2 300 m3；沿副斜井布置三趟主排水管路，每趟管设置有2台ZB90-24/300型电动闸阀，水泵真空管路配置3套电动球阀。矿井水从出水点通过小泵或者自流入采区水仓，采区水泵房将收集的矿井水通过管路排入到中央主副水仓，再由中央排水系统经副斜井排至崔家沟工业广场的矿井水处理站。

两渡矿排水控制系统人工操作复杂，操作故障率频发，同时存在系统功能老旧、电耗高等问题，且相关设备、备件都难以购买；一旦出现故障，设备无法及时更换修复，应急抢险能力弱，系统存在安全隐患。

2 排水系统总体改造方案

在+315 m水平中央排水泵房旁边的中央变电所设置的矿用隔爆兼本安型PLC控制中心，在主副水仓吸水井中增设超声波水位计、浮球液位开关等，在水泵机组设置电机轴温度、转速等传感器及电动球阀，组成井下智能排水控制系统，进行井下水仓的水位、水量等实时数据信息收集、分析、保护及报警和控制，同时通过工业以太网与地面控制主机进行通讯，将井下数据传递到地面控制中心显示器；同时将地面控制、反馈指令下达给井下PLC控制中心及相关排水设备。基于PLC控制技术与矿井数据网融合的排水系统结构组成，详见图1[1-2]。

图1 自动化排水控制系统图

3 硬件系统的优化

3.1 保护控制系统的优化

原水泵房采用继电器控制改为采用德国西门子S7-200工业控制可编程控制器（PLC）控制，控制器作为矿井排水系统的核心，它的作用为：检测监控水仓水位、电机电流电压、管道的排水流量及出水口压力等，具有分析、储存、传输相关数据信息和控制下位机、接受上位机命令。

3.2 传感器的增设

在水仓吸水井安装液位传感器，在水泵加设温度传感器，管路上配置流量传感器、压力传感器、负压传感器；传感器接入PLC控制器。

4 软件系统的优化

4.1 软件设计

与原中央水泵房采用继电器控制排水系统相比，在+315 m水平的中央变电所安装矿用隔爆兼本质安全型矿井自动排水控制箱，其内安装西门子系列PLC及过程控制软件。该软件收集、处理中央水泵房各种排水信息，计算最优控制策略控制系统变化；该软件具有上传给上位机井下排水监控系统的报警、显示信息、统计报表，实现水泵房监控子系统的PLC数据与全矿井的监控系统融合、监测、控制及共享。

4.2 界面设计

地面控制中心电脑界面具有显示各设备运行参数、管道及节点走向的主界面；同时设置有水位、压力、温度等参数显示界面和报警记录界面。

5 控制系统的优化

与原来复杂的人工启动水泵相比，该水泵房自动排水系统设置地面和现场自动、现场手动、检修三种工作方式。

1）自动：设置地面和现场自动，根据优先等级确定控制权利；按照排水储水量、水位和自动排水工艺，分析收集相关信号计算开启水泵台数、水泵名称、排水管路，实现从抽真空、开闸阀启泵排水全过程自动化；根据水位高度，分析计算出单台水泵可轮换工作和启动多台水泵工作工作制度。

2）手动：人工观测水位、水量，人工开启电动球阀，开启增压泵实现管道注水；开启排水泵顺序、数量及排水管路，手动开停水泵。

3）检修：当检修班检修时，人工操作优先，自动解除闭锁，任意操作单个水泵、电动球阀等相关设备；依据自动化排水系统的监测准确地找到排水系统设备的问题、障碍。

6 应用效益

6.1 系统组网，智能监测

PLC控制系统作为矿井智能化监控平台的重要子系统，拥有监测水泵各工况参数、水仓水位等信息的收集、处理功能，通过TCP/IP的RJ45接口与矿井智能化监控系统连接，实现基于PLC技术和数据融合技术的智能化排水系统[3]。

6.2 减少人员，增效节能

系统拥有“地面控制”或“自动控制”工作方式；通过PLC处理系统，水泵在现场集控中心、地面调度中心集中控制，达到无人值守和减岗增效目标。

根据水仓储水量变化、矿井工作制度和井下用电负荷信息，在用电峰段时间水仓充分蓄水，停水泵等待；在用电谷段时间调整启动水泵数量、顺序，增加水泵寿命及减少电能的浪费。实现井下泵房的躲峰填谷运行。

6.3 水量监测，早期预警

根据水位传感器和水泵监测数据传感器的监测数据，实时监测水仓水位、电机功率、管道流量、轴承温度、管道真空度等参数，CPU运算、模拟量水位上涨速度，结合平时收集的涌水数据对比，模糊理论定出矿井单位涌水量，实现突水事故的提前预知、提早预警、迅速紧急排水。

6.4 操作简单，易排故障

井下集中控制平台、地面调度中心实现远程控制检查、启停，水泵开停顺序自动设置，降低了现场人员的操作难度，同时降低了误操作率以及水泵不正确启动的概率。

检修人员根据现场控制中心、地面调度控制中心显示器的各故障信息、报警事件，及时准确地找到故障位置和类型，对水泵的轴承超温、电动机不启动、真空压力不够等运行故障及时检修。