基于PLC 的煤矿主排水泵自动控制系统设计

谢岩彬

（霍州煤电集团河津杜家沟煤业有限责任公司，山西 霍州 031400）

为实现矿井主排水泵自动化控制，诸多学者开展了相关研究，刘国香[1]提出以PLC 为控制核心的矿井主排水泵控制系统的设计方案，并给出了水泵选型过程中各种参数的计算方法；李霞、张衍阳[2]提出了一种新型的多功能水泵联动阀门，通过仿真分析，发现多功能水泵联动阀结构简单，结构效果良好，为煤矿井下排水系统的结构优化及矿井排水系统工作的可靠性奠定了基础。本文基于PLC 控制器对矿井主排水泵控制系统进行升级改造，升级改造后的系统可根据水仓水位的变化、涌水速率、供电区间进行优化控制。

1 控制系统的功能设计

本文以PLC 控制器为核心设计一套矿井主排水泵自动控制系统，设计主要控制点及优点：

（1）控制功能。系统设有手动、半自动和自动三种控制模式，通过PLC 控制器实现自动化排水。

（2）远程通讯及监控功能。通过光纤将传感器与设备相连，并与地面调度指挥中心的上位机连接，可远程操控系统。

（3）故障诊断功能。通过温度传感器、电流传感器等对系统的温度、电压、电流等进行动态监管，出现温度、电压、电流超过限定值时，立即发出报警，避免出现事故。

（4）参数监控系统：通过人机界面对温度、排水量及管道压力等参数进行监控。

设计的主排水泵自动控制系统通过监测水仓水位的变化、涌水速率等参数，并通过逻辑分析给出最佳的排水值，通过命令程序对系统排水进行调控，实现矿井主排水的自动化控制。

2 控制系统硬件设计

2.1 PLC 的矿井主排水控制系统

基于PLC 的主排水泵控制系统采用分布式集中控制方式进行设计，控制系统由监控系统、逻辑处理系统、数据采集、信息传输系统、CPU 处理主站五部分构成。控制系统分布式架构自上而下可分为三层：地面监控设备层、通信和逻辑层、地下设备层。

地面监控设备层由工控机、监控组态软件、工业电视系统构成，通过光缆与工作面站点PLC 组件及监控设备连接。同时工控机组态软件对水泵的运行参数进行收集，并传输至地面控制中心。通信和逻辑层是系统控制的核心，此层对数据进行逻辑处理、故障诊断，通过数据的分析判断水位变化，并对设备运行状态进行监控。地下设备层由主排水泵、管道、电机、阀门等组成。在原有排水系统加装传感器及真空泵满足对水泵的自动启停控制，同时闸阀更换为电动两用闸阀和真空射流手动闸阀。为了提高系统的运行安全稳定性，增加一套真空泵。

2.2 检测单元

对矿井主排水泵系统的检测元件进行设计，系统中的检测单位包含有水位传感器、温度传感器、压力传感器、超声波流量计等。水位传感器选用超声波传感器，其工作原理为利用探头发送超声波，从而得到不同超声波数据，根据声波在空气中的传播差，给出水位距离探头的距离。将超声波传感器布置在2 个配水箱内，防止水位过高。温度传感器选用PT100 无源接触式传感器。压力传感器将水管内部的压力信号进行转化，得出压力信号，将压力信号传输至PLC 控制器，从而提供电动阀启动、停止的判断[3]。

2.3 控制系统

中央水泵的控制系统由自动控制、故障报警、自动监测及动态显示组成。系统通过自动监测得出水仓水位、电机温度、排水管压力等数据，将数据传输至PLC 控制器，PLC 对接收到的信号进行判断，发出控制命令，对3 台排水泵进行自动化控制。同时水仓水位、电机温度、排水管压力等参数会在上位机的界面进行显示，如若系统检测出故障后会对故障进行报警，同时弹出故障界面，并留存故障数据，以备故障分析。水泵自动控制系统配置如图1。

如图1 所示，PLC 作为系统的核心部件，主要对监控数据进行处理及存储，通过运算逻辑输出控制命令，达到水泵的启停控制。充分考虑现场设备较为分散的特征，选定I/O 的方式进行控制及数据采集，选用CPU315-2DP 带SINECL2-DP 接口的CPU，选定西门子ET200M 为远程处理核心。数字量输入模块对设备状态进行采集，开关量包含球阀到位信号、断路器状态、闸阀到位信号、控制命令等，在PLC 控制器两侧配置32 路开关输入模块2 块[4]。I/O 部分配置32 路开关量输入模块1 块。在现场实际应用过程中，通过RS-232、R-S485 串联通讯模块实现通讯。

图1 水泵自动控制系统配置图

3 控制系统的软件程序设计

3.1 PLC 软件设计

PLC 程序设计采用STEP 7 软件编制，系统的软件设计需要具备如下功能：（1）自动解除功能和备用选用功能。3 台排水泵可以任意选定备用机组，同时在水泵没有实际运行过程中可以进行切换，当一台泵机发生故障时可以迅速解除备用，保持正常运行。（2）手动启动。提供人工操作界面，可以对某台设备进行人工启动。（3）顺序启动。通过设置启动间隔时间实现电机的顺序启动。（4）水位显示。当水仓水位先低于后高于某一数值时，及时显示水位。（5）自动控制。在无人监管时可以自行运转，当出现水位过高时及时抽排，当水位过低时及时补水[5]。系统自动控制程序流程图如图2。

图2 系统自动控制程序流程图

开始时先进行系统检测，当存在故障时，系统进行手动操作，当无故障或者故障排除后方可进行自动、半自动操作。系统启动后，第一步需要与开关柜进行连通，启动I/O 处理程序，通过判断选定三种运行方式。操作人员可以通过控制板按钮位置判断运行模式，当处于自动操作模式时，自动进行系统运行，完成轮换工作，出现故障时，及时停止报警；当处于半自动操作模式时，需要人工选定哪台排水泵运行，后续进行自动模式；选定手动模式时，PLC 不参与系统的整体运行[6-7]。

3.2 系统传感器

传感器可分为全局传感器和局部传感器。全局传感器采用超声液位仪对全系统的数据进行检查，同时采用双传感器冗余配合，使得可靠性及精度都有一定幅度的提升。局部传感器是通过自我诊断对系统进行检测，将每个阶段的数据与上个阶段数据进行对比，形成数据曲线，通过光纤与地面调度指挥中心上位机连接，进行数据的交换，实现远程的动态监控与控制，并记录相关数据[8-9]。

4 应用效果分析

基于PLC 控制器为核心的矿井主排水泵自动控制系统，能够完全满足矿井开采的正常需求，且设计后的水泵控制系统更加智能化，能够精准识别故障发生位置及发生类型，该水泵自动控制系统实现矿井中央水泵房的无人值守，减少专业人员安置4～6人，只需定期巡检即可，降低了人为操作失误带来的安全隐患，提高了主排水系统的运行稳定性[10]。

5 结论

以PLC 控制器为核心的矿井主排水泵自动控制系统，可根据水仓水位变化、涌水速率和用电“避峰填谷”原则，实现矿井水泵的自动启停，降低工人的劳动强度，提高系统运行的稳定性，达到节能增效的目标。系统通过与地面调度指挥中心上位机相连接，实现远程动态监测与控制的功能，保证矿井排水系统的正常运行。