煤矿井下自动排水系统的设计

李好丽,杨双义

(郑州华信学院,河南新郑,451150）

0 引言

本课题根据我国煤炭行业发展需要，针对现有某些井下排水自动化控制系统在安全性、可靠性、经济性等方面的不足，以某矿低瓦斯矿井中央水泵房自动化建设项目为研究背景，设计一种矿井主排水自动控制系统。矿井排水系统由排水系统硐室和排水设备设施两大部分组成。矿井主排水系统硐室主要由主排水泵房硐室、水仓和管子道组成；矿井排水设备设施主要由水泵、电动机、供电电缆、排水管、闸阀、逆止阀、底阀或引水装置、压力表、真空表、启动控制开关等组成。本设计工作包括：(1)了解井下主排水系统的结构及工作原理，对系统总体结构进行设计，包括水泵房管网结构设计，控制系统网络结构设计，PLC系统结构设计，以及系统功能设计；(2)对控制系统硬件进行设计，包括PLC硬件模块选型与地址分配；(3)利用STEP 7软件，对控制系统PLC软件部分进行设计，包括PLC硬件组态，PLC网络组态，以及控制程序设计；

1 排水控制系统的总体设计

1.1 排水控制系统总体设计

如图1所示水泵房排水管路具体排水线路情况，图中有水泵机组5套，出水管线2条。每一个排水泵与两条管路相连，当其中一条管路故障时，可启动另一条管路继续工作。

1.2 PLC控制系统

排水自动控制系统PLC结系统由PLC（可编程逻辑控制器）、触摸屏、检测部分（模拟量和开关量采集）、执行部分等组成。PLC控制器作为控制系统的核心部分，用于完成对检测量的运算、存储和上传，并根据检测结果进行逻辑处理，控制水泵及其附属设备的启停，并能快速响应上级计算机的控制命令。

该部分包括：CPU模块、数字量输入模块、模拟量输入模块、数字量输出模块、通信模块、以及触摸屏等。采用上位机动态监控水泵及其附属设备的运行状况。能实时显示水位、流量、压力、真空度、温度、电机电流等参数，显示电动闸阀、电动球阀、水泵、电机等的工作状态，能超限报警显示，故障点报警闪烁显示等。同时具有故障信息记录、历史数据查询、数据报表生成等功能。

表1 主站I/O地址分配

2 排水控制系统硬件设计

2.1 西门子S7-300系列PLC

S7-300由多种模块部件所组成，各模块能以不同方式组合在一起，从而使控制系统设计更加灵活，满足不同的应用需求。它主要由中央处理单元（CPU）、负载电源模块（PS）、信号模块（SM）、通信处理模块（CP）、功能模块（FM）、接口模块（IM）等几个模块构成。

2.2 主站I/O地址分配

本设计根据对主站I/O点数的统计，以及对主站设备的选型，来分配主站I/O设备的地址。如表1所示。

图2 自动控制策略流程图

图1 水泵房排水管路结构图

3 排水控制系统PLC软件设计

3.1 S7-300PLC站的硬件组态

硬件组态是STEP 7软件的一项重要功能。STEP 7软件中的“硬件组态”，就是模拟真实的PLC硬件系统，将CPU、电源和信号模块等设备安装到相应的机架上，并对PLC硬件模块参数进行设置和修改的过程。当用户需要修改模块的参数或地址，需要设置网络通讯，或者需要将分布外设连接到主站的时候，都要做硬件组态。

3.2 全自动控制的实现

控制流程如图2所示。即当PLC读取的水仓水位值为H4时，表示水仓水位低于低限水位，水泵机组将不投入运行；水位值超过H3，并且时间为电价谷段或者平段，一台水泵机组投入运行，如果为峰段时间，则等待水位上涨到H2时，投入一台水泵机组运行；当一台机组处于运行状态时水位仍然上涨到H1，则继续投入一台机组运行，如果水位仍然上涨，则陆续投入更多水泵。水位下降到H4时，水泵机组退出运行。

[1]白铭声.矿井排水装置运行与选择设计.北京:煤炭工业出版社,1990.

[2]史丽萍,张广龙.矿井中央水泵房综合自动化系统的设计模式.煤炭机电,2005,4:8-10.

[3]马德译.矿井高扬程水泵的双电机拖动.国外金属矿山,1994,2:51-53.

[4]杨福新译.矿井排水泵最佳使用期与管道清理周期的确定.国外金属矿山,1994,2:41-45.

[5]吴清译.矿井排水设备能耗指标的改善.国外金属矿山,1994,5:52-56.