基于PLC的矿井水泵自动化控制系统研究

范红斌

[摘    要]结合传统矿井排水系统存在的应急性差、安全隐患大等问题，结合PLC技术，针对排水系统进行自动化设计，借助传感器等设备，实现实时水位自动监测，促进矿井排水系统向现代化、自动化方向发展，从而为煤矿等实现安全、稳定发展提供了更多助力。

[关键词]PLC;排水系统;水泵;自动化控制

[中图分类号]TP273 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）10–00–02

Research on Automatic Control System of Mine Water Pump Based on PLC

Fan Hong-bin

[Abstract]Combined with the problems of poor emergency and large potential safety hazards existing in the traditional mine drainage system， combined with PLC technology， automatic design is carried out for the drainage system， real-time automatic water level monitoring is realized with the help of sensors and other equipment， so as to promote the development of mine drainage system in the direction of modernization and automation， so as to provide more help for the safe and stable development of coal mines.

[Keywords]PLC; drainage system; water pump; automatic control

1 现阶段矿井水泵控制系统现状

传统的煤矿井下主排水泵房控制系统都是采用继电器操控技术实现管控，依靠人力来进行调节，通过切换水泵的启停开关操纵排水系统运作。此种方式无法精确、实时地监控排水系统设备工作运行状况，也不能自动依据水仓水位等参数自动进行运作，需要耗费更多的人力物力且管理维护困难，如果出现人为失误，很容易发生安全事故。基于此，结合科技发展水平，依据当前煤矿的实际需求，实现排水系统自动化运行是当前的重点任务。现阶段，在技术理论的支持下，提出了基于PLC、传感器等电气元件对主排水泵的控制系统优化升级的策略，且已经取得了一定的成就。

2 井下自动化排水系统具体内容阐述

2.1 井下排水系统工作原理

井下排水系统主要由以下4个部分组成：信号采集部分、综合控制器、操作台及执行设备。在排水系统中，水泵是核心部件，在整个系统运行中发挥了不可替代的作用。

2.2 井下排水系统组成

矿井井下的中央水泵房中布置了5台离心泵，其中2台水泵承担日常工作任务，2台为备用水泵，最后一台在检修维护时发挥作用，有3条与井下中央水泵房水泵相连的排水管路，其中每一台水泵都连接2条管路，此种方式可有效避免排水系统出现完全失灵的情况。井下水泵的具体工作流程包括以下步骤：①判断水位，如果水位超过标准高度，与射流泵相连的电磁阀便会自动开启并发挥效用;②射流泵会向水泵中注水，随着水流不断注入，离心泵入口处的真空度压力值逐渐增加，当压力值达到设备预设的设备启动阈值时，会驱动水泵电机开始工作;③当水泵出口的真空度压力值达到预设标准压力值时，水泵出口处的电动阀门启动，水泵中的水流开始向排水管路中涌入，当水流排出之后，排水水泵工作完成，在停机之前，需要保证在出口处的电动阀关闭之后，才能关闭水泵电机。

2.3 井下自动化排水系统运行特点

当系统中的组成部件出现故障时，自动控制体系会及时发出预警，同时自行根据故障部位进行切换，应用正常运行的管路执行排水工作。同时，基于PLC设计的系统设置可自动错开用电高峰，从而避免由于电压过低而导致工作效率受到影响，尽可能保证排水系统在用电低谷时期及平稳期进行运作。当工作时，会利用排水管路将水仓中的水位下降到水位低位，保证水仓有足够的空间承载不适宜排水时段的水量，通过这种方式实现科学规避用电高峰。另外，基于PLC设计的自动化系统还具有手动控制功能、半自动控制及全自动控制3种控制方法，可灵活地结合实际情况进行调控。例如，在对水泵等进行检修时，可采用手动控制模式，便于调试及检测各项功能。最后，此系统可借助布置在上机位的动态软件，实现对水泵及附属部件的实时监控，更为全面地对井下水仓水位、排水系统中的流量、压力等进行检测，并在显示屏上展现数字，同时动态软件还具备数据存储及故障报警等功能，通过相关软件的支持，可有效实现科学、全面管控，最大限度地降低事故发生频率。

3 基于PLC的矿井水泵自动化控制系统设计

3.1 水位自动监测与控制

水位自动监测是借助水位传感器来实现自动监测功能的排水系统组成部分，其借助自动传感器对水位进行判断，并与系统设置的标准水位进行比较，当水位达到标准高度时，可以触发水泵启动、水泵停止命令。为了更好地进行阐述，将水位分為5个高度，分别为H1～H5。其中H2为排水水位，当水仓中的水到达此高度时，排水系统开始工作，启动水泵进行排水作业。H4为警戒水位，此时水仓积水过多，需要至少启动两台水泵进行排水作业才能满足排水需求。H5为极限水位，此时水仓已经达到极限，需要启动所有水泵进行排水作业，同时会给予“储水仓水位达到极限”的警告。对于水位高度的信号是由传感器获取，然后将信号传输给PLC，为了保证传输过程安全，选择采用超声波液位计+本安数字式水位开关实现水位信息收集。其中超声波液位传感器主要是借助超声波技术进行水位高度检测，其获取的信息数据更具真实性且不易于出现错误。而本安数字式水位开关安装于吸水井中，作为防止水位过高的保护设备。

3.2 工作模式设计

为了更好地满足排水系统自动控制需求，结合矿井下作业情况，将工作模式设置为两种：远程操作模式和就地操作模式。远程模式可满足远距离操作系统的要求，便于在发生意外情况时及时作出处理，两种模式之间可通过旋转按钮便捷地进行切换，通过上述设计，最大限度地满足排水系统的实际需求。同时，将排水系统的工作方式设置为自动、半自动及手动3种，可结合实际情况灵活进行切换，这3种工作方式可以满足大部分的工作场景。

3.3 水泵自动控制策略

为了保证自动化系统可以正常运行，设计了工作、备用、检修3类水泵，以储水仓的水位为基准，在系统中预设相关参数，从而借助传感器和开关的支持，实现排水系统水泵全自动运行和自动开启关闭，从而有效节约人力。自动化控制系统可自动结合储水仓水位、涌水量等信息，自行开启水泵并选择水泵工作台数，确保水泵可满足排水需求，尽快地促使水位回到安全线以下，并酌情减少水泵运行台数，达到节能的目的。在水泵实现自动控制时，可结合实际情况，选择“高低水位”控制、“水泵輪换工作”控制、“避峰就谷”控制策略，尽可能地保证排水工作稳定运行。当水仓水位达到低限时，或者水泵轮换时间定时停止时间达到时，可自行关闭水泵，此举措可有效降低能耗。另外，采用“避峰就谷”控制方式时，水泵可结合设计要求，在未达到储水仓警戒水位H4之前不会运行，等到用电低谷时期再进行排水工作。

3.4 PLC软件控制流程

基于PLC设计的排水系统，PLC软件结合水仓、水位等数据，可以科学调控工作水仓、备用水仓及检修水仓。当PLC程序运行时，第一步需要进行系统初始化，灵活地结合实际情况，设置各种参数。例如：储水仓水位参数设置、控制模式/控制方式设置等。利用超声波液位传感器实时进行水位监测，通过线路连接，传感器可及时将水位信息传输到PLC程序中，然后对数据信息分析。当水位高于下限值H1时，系统做出反应，开启水泵进行排水工作。开启工作水泵后，如果流入储水仓的水量大于排出储水仓的水量，即超声波液位计实时检测出的水位还在不断上升，PLC程序会及时做出反应，认为排水量无法满足需求，此时会开启备用水泵协助工作泵进行排水作业。如果储水仓的水位超过警戒水位H4，则会将检修水泵也投入工作并发出警报，提醒相关人员注意。

4 系统设计院应用实际情况

为了验证上述设计的实际作用，将此设计的排水自动化系统在某煤矿中进行应用，结合实际情况，探究其发挥的实用性。结合相关数据，某矿井在涌水期中正常涌水量为657.9 m3/h，且日排水时间为12.90 h，在正常涌水量中，只开启工作水泵便能满足实际需求。该矿的最大涌水量为1 040.2 m3/h，日排水时间为10.01 h，此时需要同时开启工作、备用、检修水泵才能满足需求。矿井所在区域在每天的16：30—次日7：30为用电低谷时段，基于这些信息，将其设置为自动模式便能完成排水任务。该矿井采用自动化控制系统后，较传统的控制模式相比，大幅度提高了经济收益。结合下表内容，经过对比可知，自动控制排水系统应用后，每天工作时长降低至8 h，排水系统一年的成本费用显著降低（表1）。

5 结语

在矿井排水系统中，基于PLC技术，结合传感器技术对矿井排水系统中的水泵部分进行自动化设计，可有效提高排水系统工作效率。当前基于PLC技术的排水系统已经得到应用，通过对水仓水位实现精确管控，有效满足当前矿井的排水需求。

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