煤矿排水自动控制系统的设计与研究

张喜萍 谭一川 程玉龙

(中煤科工集团重庆研究院，重庆 400039)

0 引言

目前，煤矿井下主排水系统的运行和管理多为人工就地操作方式，水泵的开停和选择切换均由人工完成，且排水点分散、操作过程复杂、劳动强度大、水泵运行效率低，无法满足“提高生产效率，降低劳动成本”的要求。

随着计算机技术、自动控制技术的发展，特别是PLC［1－3］技术越来越多地运用到各种自动化控制领域。系统在确保可靠性、安全性的基础上，采用国际、国内著名品牌PLC、传感器、工业控制计算机、信息传输设备等，对煤矿井下主排水设备的运行状态、运行过程进行自动检测、自动控制，使设备在无人值守的情况下，根据预先设定的启动、停止条件自动运行，使设备达到最佳工作状态，从而有效地节约能源、提高煤矿的运行管理水平、降低运行成本、延长设备使用寿命、减轻工作人员劳动强度、提高信息的传输及分析能力，从而促进矿井的生产自动化水平，实现煤矿井下主排水系统自动化控制［4－7］。

1 系统组成及技术原理

1.1 系统组成

煤矿井下主排水系统主要由地面上位机、远程视频监控系统、信息传输平台、隔爆兼本质安全型PLC控制箱、本安显示操作台以及传感器、电动阀门、水泵、真空泵和磁力启动器等组成。系统结构如图1所示。

图1 煤矿主排水系统结构图Fig.1 Structure of the main drainage system of coalmine

1.2 技术原理

水泵自动控制系统通过监测水仓水位、水泵累计运行时间和煤矿用电负荷等参数，控制水泵轮流工作和适时启动备用泵，合理调度各水泵的运行。在地面调度中心配置一台上位机，在上位机上开发和运行组态软件，从而对井下水泵进行远程控制与监测。上位机可实时显示水仓水位、管内压力、流量、真空度、轴温等实时参数，还可以监测水泵、电动阀门的开停状态，在地面上对水泵电机、泵、闸阀等进行启停控制。当系统故障或者水仓水位超高时，可以通过上位机组态画面实时显示出来，系统具有语音报警功能。水泵自动控制系统设置了地面监控上位机、可编程控制器(PLC)、综合操作台、传感器等设备组成、井下本安网络摄像仪、地面视频监控服务器等。

系统以隔爆兼本质安全型可编程控制器(PLC)为控制核心，负责采集各传感器信号，包括水位、压力、真空度、温度、电压、电流等，对水泵的运行进行实时监测;同时接收来自本安型显示操作台的控制命令，对水泵及其相关设备进行启动、停止等控制。通过工业以太网平台将数据传送至地面监控中心，在地面监控主机上可实现远程自动控制和无人值守［8－9］。

2 系统功能设计

2.1 控制方式

考虑到煤矿排水的重要性，系统采用三种控制模式，即远程控制、井下集中控制和就地控制。

2.1.1 远程控制

远程控制时，水泵显示操作台上的转换开关需置于远程状态，系统根据水仓水位、水泵工作台数、水泵启动顺序及各水泵累计时间等进行判断，由PLC执行预先设定好的程序。在地面监控中心，操作员在上位机上通过操作水泵监控界面，自动完成对水泵及其他关联设备的开停控制。系统根据操作人员的配置设有权限。

2.1.2 井下集中控制

集中控制时，水泵显示操作台上的转换开关需置于集中状态，操作员根据预先设定好的程序，在水泵显示操作台上实现对水泵的半自动控制。控制命令由操作台上的按钮开关下发给PLC控制器，后者执行控制命令。

2.1.3 就地控制

就地控制时，水泵显示操作台上面的转换开关需置于就地状态，系统为每台水泵配置有就地按钮箱，操作员通过操作按钮箱上的按钮开关完成对水泵及配套设备的启动/停止控制。就地控制方式适用于对单台设备的控制，各台水泵之间无连锁关系。

2.2 工作方式

对于每一台水泵，设置了工作、备用和检修三种工作方式，操作人员可以根据水泵的运行情况，选择相应的工作方式。

①工作方式:指当前水泵在本次操作中优先被开启。

②备用方式:指当前水泵在本次操作中处于备用状态，当已开启水泵不能满足排水需要时，被开启投入工作。

③检修方式:指当前水泵在本次操作中不被利用，而是对该水泵进行检修。

2.3 保护功能

2.3.1 电动机故障保护

电动机故障保护主要由井下电网监控系统提供井下水泵高压开关的参数，利用上位机和PLC之间的通信，实时监测电压、电流、漏电、超负荷等电气故障，并根据故障状态进行报警和控制。

2.3.2 水泵启动保护

水泵在启动时先启动射流泵或者真空泵，以监测真空管路的压力。当压力达到设定值时，启动水泵电机，同时关闭真空管路阀门，水泵电动阀门打开后，监测排水管内的压力。当在一定时间内压力没有达到设定值时，系统就会自动停止水泵的运行并发出故障报警信号。

2.3.3 电动闸阀保护

当控制阀门开关后，电动阀门会反馈开到位、关到位、过力矩等状态信号给PLC，PLC根据反馈信号进行判断。当两者信号不一致时，系统就会发出告警并在上位机上显示报警信息。

2.3.4 超温保护

系统采用本安型温度监测仪实时监测预埋在水泵轴承里的Pt100温度探头，实时监测水泵的运行情况，如果水泵有一部分温度超高，温度巡检仪就会发出故障报警信号，并通过通信的方式上传给PLC控制器，系统就会通过故障状态发出控制指令。

2.3.5 水仓水位保护

水仓水位信号是水泵自动化一个非常重要的参数，因此，系统通常都会设置两套水位传感器:模拟量液位传感器和开关量液位开关。两套传感器均设于水仓内。模拟量液位传感器可以监测连续水仓水位，位于地面监控中心的上位机可以实时观测水位变化情况;开关量液位开关设定低水位、高水位和上限水位，系统根据所监测到得水位信号，进行开停泵控制及高/低水位语音报警。

2.4 系统设计

2.4.1 控制流程

系统可根据水仓水位和单位时间内水位的上升速率判断涌水量等自动启停相关水泵。当水仓水位值达到高水位开泵位置时，可自动开启一台水泵工作;如果水位不再上升，系统就维持一台水泵工作，如果水位连续上升到二号泵应开启的水位值时，系统自动开启第二台泵;如果水位不再上升，则系统维持两台泵工作;如果水位持续上升到第三台泵开启水位，则系统自动开启第三台泵;如果水位仍然持续上升到报警上限水位，则系统将所有备用水泵全部自动开启。因此，水位上升或下降到对应开停水位值时，系统可自动加减运转水泵台数。

2.4.2 轮换工作

为了防止水泵在长期工作中出现过度磨损或者由于长期不用而出现的水泵锈蚀现象，系统采用多台水泵轮换工作。控制程序对水泵的启动次数和累计运行时间进行了统计，系统根据这些统计参数，合理调度各台水泵的运行。

2.4.3 可编程控制器

系统PLC结构如图2所示。

图2 系统PLC结构图Fig.2 Structure of the PLC system

系统控制器选用西门子S7-200 CPU226系列PLC。该控制器具有结构紧凑、扩展性强、通信方便的优点。根据需要，配置适当的I/O扩展，I/O扩展选用EM223 16I/16O系列模块;AI扩展模块选用EM231扩展模块;通信模块选用CP243-1以太网通信模块。数字量输入模块主要用来采集阀门的开关状态和反馈信号、射流泵开关及反馈信号、控制方式选择、水泵启/停等按钮开关状态输入;数字量输出模块主要用来控制水泵电机的开关、射流泵的开关、电动闸阀的开关等;模拟量输入模块主要用来采集水泵出水口压力、入水口真空度、水仓水位高度连续监测、排水管路流量等。通信模块提供以太网接口，用于和井下以太环网进行通信。

2.4.4 组态软件

组态软件是为用户量身定做的一套完整的应用系统，由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库等构成，能够和PLC进行通信，采集现场数据，并实时处理历史数据，具有流程控制、动画显示、报表输出、报警机制等功能。

本系统采用北京亚控的组态王软件。该软件是新型的工业自动控制软件，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常这样的系统被划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。

组态软件能提供可视化监控画面，有利于实时现场监控，而且它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态;具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利地生成各种报表;它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

3 结束语

煤矿排水自动控制系统以PLC为控制核心、高速工业以太网为平台，结合自动控制技术、传感器技术，对煤矿井下水泵进行监测与控制。该系统可靠性高、操作方便、组成结构简单、易于维护、逻辑处理能力和组网能力强，符合煤矿生产环境以及安全生产的需求。

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