浅谈PLC在煤矿主排水系统的应用

张美茹，于秋瑞，温 凡

（中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054）

1 引言

在煤炭市场需求日益旺盛的良好形势下，煤矿企业提高生产效率及自动化程度越来越重要，自动化程度越高，占用的劳动力就越少，从而也就节约了成本。

近些年来，随着计算机技术和自动控制技术的飞速发展，以微处理器为核心的可编程序控制器（PLC）控制已逐步取代传统的继电器控制，普遍应用于各行各业的自动化控制领域，煤炭行业也不例外。煤矿主排水系统作为煤矿安全生产中的一个重要环节，其安全运行直接关系到煤矿的安全生产。在计算机控制技术还没有迅速发展之前，煤矿主排水泵多采用继电器来控制，水泵的启、停和选择切换均需由人工来完成，且水泵电机需根据井下水仓水位的变化频繁地启停，操作步骤比较繁琐，工作人员劳动强度大，且井下水泵房环境条件比较恶劣，噪声较大，气温偏高，工作人员容易疲劳，特别是在发生水灾的情况下，留人值守水泵房也是非常危险的。在此情况下，实现井下主排水系统的自动控制就成为一个必然的发展趋势，主排水系统自动控制的应用，不但减轻工作人员的负担，实现水泵房的无人值守，也为全矿井进行联网监控、统一指挥、监管奠定了基础，对提高整个煤矿综合自动化水平也起到了至关重要的作用。

下面针对某煤矿井下主排水泵自动控制系统设计，阐述PLC在煤矿主排水系统的具体应用。

2 水泵房设备概况及要求

（1）设备概况

某煤矿井下主排水泵放设有3台D280－43×8型多级离心式水泵，带压力表和真空度表显示，每台水泵配套1台YB560S2－4型电动机，额定功率450kW，工作电压10kV，起动方式为串电抗器降压起动；真空泵引水装置为2套YS101－50型真空引水装置，配用2台2BE1101－0BD2－0N 1450型水环式真空泵，电动机为YB132S－4，额定功率5.5kW，工作电压660V。3台水泵工作方式：矿井正常涌水量时，1台工作，1台备用，1台检修；矿井最大涌水量时，2台水泵同时工作，1台检修。两趟排水管路工作方式：矿井正常涌水量时，一趟工作，一趟备用；矿井最大涌水量时，两趟排水管路同时工作。

在每台水泵排水口设一个电动闸阀，以满足自动控制的要求，两趟排水管路共配6个手动闸阀（因动作次数很少，仅在两趟排水管路切换时才动作1次，所以配手动阀），由巡检人员手动控制，每台水泵真空管路里各配一个电磁阀。为满足自动控制要求，在每台水泵排水口装设1个压力传感器，真空管路里装设1个真空度传感器，以检测压力盒真空度；在两趟排水管路里各装1组流量计，同时在水仓里设1组水位监测装置用以控制水泵的启停。排水管路图如图1所示。

（2）要求

要实现井下主排水泵的自动控制，就必须通过采集水仓的水位信号及其他相关信息量，通过采集到的信号由控制系统将其与预先设定好的值进行比较来实现系统的逻辑控制。系统采集的信号主要分为两类：模拟量信号和数字量信号。根据此项目具体情况，采集的模拟量信号主要有：水仓水位、两趟排水管路流量、水泵轴温、电机温度、水泵出水口压力、真空度等；采集的数字量信号主要有：水泵高压启动柜真空断路器和电抗器柜真空接触器状态、电动闸阀工作状态及过载信号、电磁阀状态、真空泵工作状态及故障信号等。

信号的采集主要由PLC来实现，PLC模拟量输入模块通过水位传感器连续检测水仓水位，将水位变化信号进行转换处理，计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，控制排水泵的启停。水泵轴温、电机温度及排水管流量等传感器，主要用于监测水泵、电机的运行状况、超限报警，以避免水泵和电机损坏。PLC数字量输入模块将各种开关量信号采集到PLC中作为逻辑控制的条件和依据，控制排水泵、真空泵及各电动阀的启停和开闭。根据项目实际情况，系统共采集37个DI，17个DO，21路AI信号。

3 控制设备的选型及系统配置

AB公司是一家世界领先的PLC制造厂家，生产 MicroLogix、SLC500、PLC5、ControlLogix、FlexLogix等多种型号、不同档次的PLC产品，在煤矿行业有较高的市场占有率。ControlLogix控制器是其生产的一个大型可编程控制器系列，具有功能强大、高速处理的处理器，较大的储存容量和丰富的指令集，且性能可靠，应用广泛，能实现多种控制任务。同时处理器具有多种类型的通讯接口，如 RS232、DH －485、DH ＋ 、ControlNet、DeviceNet、EtherNet等，其通讯能力强、工业组态灵活、具备自诊断、扩展容易、使用方便、界面友好，深受工业控制领域的青睐。设计采用ControlLogix 1756系列可编程控制器作为水泵自动控制系统的主控装置，该机为模块化结构，由PLC机架、CPU、电源模块、数字量I/O模块、模拟量输入模块、热电阻模块及其他功能模块组成。PLC系统配置如图2所示。

图1 井下主排水泵房管路系统图

图2 PLC系统配置图

4 排水泵PLC自动控制系统

（1）水位实时检测

水位信号的检测是水泵实现自动控制的一个重要的环节，井下主排水泵的启、停是根据水仓水位的高低变化来控制的，设计采用在水仓内设置一个防爆的压力式水位传感器来检测水仓水位的高低，水位传感器输出4～20mA模拟量信号接入1756－IF16模拟量输入模块中，由PLC软件编程将接收到的水位模拟量信号分成若干个水位段，当水位上升到设定水位段时，则启动水泵进行排水，并且计算出单位时间内水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，并根据先巡航情况确定需启动水泵的台数。

（2）抽真空充水

离心式水泵只有在泵壳内充满水的情况下才允许启动，因此水泵启动前必须先进行抽真空，系统采用2台真空泵抽真空充水的方式。正常情况下，为了加快充水过程，2台真空泵同时对1台水泵抽气，当1台真空泵发生故障时，另1台仍能担负抽气的任务。抽气管通过电磁阀与每台水泵进水端的放气孔相接。真空泵启动后，由真空度表监测真空度，电机电流、排水管流量作为监视真空度的后备参数。当真空表的读数达到设定值时，即可启动水泵。

（3）水泵电机的启动与阀门操作

当水仓水位上升时，水位传感器将采集到的信号传至PLC模拟量输入模块，PLC将模拟信号转变为可识别的数字信号后，对水位进行判断。当水位超过设定水位后，PLC发出指令顺序打开真空管路电磁阀和真空泵，同时真空度传感器将真空度信号反馈至PLC系统，系统判断真空度达到水泵启动条件后，顺序关闭真空管路阀门和真空泵，启动水泵主电机，此时压力传感器将水泵出口压力信号传至PLC系统，系统根据预设条件打开排水电动闸阀，以上流程完成一台水泵的启动过程。同时PLC系统连续检测水位信号，如果水位上升较快或水位达到另一设定水位后，启动另一台水泵，直至水位符合预设的要求。当水位下降到设定的最低位置时，水位传感器将信号传至PLC模拟量模块，PLC将模拟量信号转换成可识别的数字信号后，对照设定的最低水位值，数值相同时，顺序发出关闭水泵出水闸阀和关闭水泵主电机的命令，水泵停止运行。

（4）水泵的自动轮换工作

为了防止因备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而使电机和电气设备或备用管路受潮或有其他故障而未能及时发现，当工作泵出现紧急故障需要投入备用泵时，备用泵不能及时投入以至影响整个矿井的安全，因此PLC采用软件编程设置3台水泵自动轮换工作，控制程序将水泵启停次数及运行时间等参数自动记录并累计，系统根据这些运行参数按一定顺序自动启停水泵和投入相应管路，使各水泵及其管路的使用率分配均匀，以达到有故障早发现、早处理，以免影响矿井安全的目的。

在大多数矿井中，井下主排水泵的用电负荷在全矿占有很大的比重，水泵的开、停除了水位高、低这个条件外，还受到电力系统的限制。通过软件的设置，PLC控制系统根据煤矿井下的电网负荷情况和电力部门各个时段的收费标准，以“避峰填谷”大原则确定启、停水泵时间，做到尽量避免在用电高峰期启泵，合理利用电网信息，提高矿井的电网运行质量，达到节能的目的。

5 控制系统的动态显示

系统的动态模拟显示选用2711系列系列触摸屏，系统通过图形动态显示水泵、真空泵、电磁阀、电动闸阀的运行状态，采区改变图形颜色及闪烁功能进行故障报警，直观地显示电磁阀和电动闸阀的开闭位置，实时显示水泵抽真空情况和压力值，采用趋势图、棒状图或数字形式实时显示水仓水位，对两趟排水管路流量、水泵轴温、电机温度等进行动态显示、超限报警，自动记录故障类型、时间等历史数据，并在屏幕下方可循环显示最新的故障信息，以提醒工作人员及时检修，避免水泵、电机或其他设备元器件烧坏。所有参数的显示、调用均可通过触摸屏上的菜单进行选择切换。

6 系统的通讯和信息上传

PLC通过DH＋网络与触摸屏通讯，将各水泵的工作状态及运行参数传至触摸屏，完成各数据的动态显示，操作人员也可以利用触摸屏将操作指令传至PLC，控制水泵运行。设计选用的ControlLogix 1756系列PLC通过高性能的工业控制网络ControlNet及其处理单元、过程I/O、人机接口和过程控制软件Logix5000以及RSView等来完成水泵的自动控制，与现场设置的传感器、变送器等连接完成高速的逻辑控制，将水泵机组的工作状态和运行参数通过标准的ControlNet通讯网络以光纤为传输介质传递给矿井调度中心的控制主机，与全煤矿综合自动化系统联网，管理人员在调度中心即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及各水泵的工作状态，实现井下主排水系统的遥测、遥控，并为矿领导提供生产决策信息。

控制系统的功能和主要特点如下。

（1）PLC自动监测水位信号，根据水位信号自动启、停水泵，自动实现水泵的轮换工作，做出合理调度，延长了水泵的寿命；

（2）系统具有过载、欠压、超温等保护功能，当出现以上状况或电机出现故障，系统自动停止该水泵的工作，同时启动备用水泵；

（3）实现水泵的多种控制方式：就地检修、就地集中控制、遥控、水位自动控制；

（4）通过安装在主排水泵房的摄像头将水泵工况画面传输到矿调度中心，使管理人员在调度中心能够直观地看到水泵现场的具体运行情况；

（5）现场控制中心将采集的数据传至矿调度中心，在矿调度中心可同步显示水泵运行工况，调度中心可以通过ControlNet网络发出指令给现场控制中心，实现远端控制；

（6）系统的实时性好，对各设备的运行工况能够实时监测、实时控制；

（7）在矿调度中心可以随时查阅、打印实时趋势及任意时间段的历史趋势；

（8）人机界面显示的内容丰富、形象、直观，操作简单、易懂；

（9）根据不同时期的具体情况，可以通过软件对系统参数进行调整，以适应复杂的情况，提高了系统的适应性；

（10）系统能够进行远距离监控，并具有可扩展性；

（11）软件中嵌入了大量的控制策略，可以根据实际情况做出不同的决策，大大提高了系统的自动化程度和智能程度；

（12）软件可对操作权限进行划分，不同的值班人员具有不同的操作权限，避免误操作。

7 结论

通过以上分析可看到，将PLC控制技术应用到煤矿井下主排水系统中，不但能减轻工人负担，实现无人值守，也为全矿进行联网监控，提高矿井自动化程度奠定了坚实的基础。

通过PLC对煤矿井下主排水泵的运行状态、运行过程进行自动检测、自动控制，杜绝了水泵人为的频繁启动，可在用电低峰期启动水泵，使水泵合理运行，提高了主排水系统的可靠性、经济效益和管理水平，从而达到了节约资源，降低劳动强度，降低运行成本和延长水泵使用寿命的目的。PLC应用于煤矿井下主排水系统，在煤矿综合自动化建设的进程中，发挥着重大的作用，在实际应用中，也有着广泛的前景。