基于组态监控和PLC技术构建下的煤矿排水系统设计刍议

天地（常州）自动化股份有限公司 汤庆勇

在煤矿生产过程中，排水系统是非常重要的组成部分，也是保证煤矿安全生产的主要内容。现阶段，大部分均是采用继电器控制完成煤矿排水系统的控制，并且需要人工操作水泵的开停以及选择切换，无法实现水位或者其它参数的自动开停与水泵调节，在一定程度上，影响了煤矿排水系统的运行效率，进而降低的煤矿生产的经济效益。所以，一定要加强组态监控、PLC技术的运用，促进煤矿排水系统的高效运行，实现煤矿生产效益的提高。

一、煤矿排水系统设计的构成与工作原理

(一)系统设计构成

系统主要是由PLC、两台大功率三相水泵、变频器、一台压力变送器与其它控制设施共同构成，其中变频器主要就是对三相水泵进行软启动，以及实现变频调速，水位传感器主要就是将当前的水位信号转变成标准电流信号，大概在4-20毫安之间，利用A/D转换模块将这些电流信号输送至PLC中，在此过程中实现水位信号的测量，并且对水位信号进行相应的对比，之后进行逻辑运算，最后将运算得到的结果输送至变频器，变频器再结合结果进行相应的数据输出，进而实现对水泵转速的调节。与此同时，在测得水位信号之后，也可以通过PLC输送至上位机，利用组态软件展开动态测试；而上位机通过向PLC输出控制信号的方式，对水泵起停、速度切换等进行有效的控制。

(二)工作原理

在设计排水系统的时候，一定要使其具备相应的自动化，进而需要采用连续闭环的PID控制系统，结合既定水位值与实际水位值的对比，根据PLC系统的PID逻辑运算进行相应的计算，之后向系统输出调节信号，实现对变频器输出频率的控制，并且加强对水泵电动机组的有效控制，进而实现对排水系统排水量的有效调节。在排水系统进行作业的时候，可以将其工作原理抽象为连续单闭环的PID控制系统。当系统进行正常作业的时候，水位传感器就会将煤矿中的水位信号转变为相应的电流信号，大概在4-20毫安之间，之后输送至PLC的PID调节器当中，在此过程中，对既定水位值与实际水位值进行对比，得到相应的规律，进而予以相应的处理，通常情况下，可以将PID调节器规律设置为比例(P)、积分(I)、微分(D)，之后结合使用人员设置的P、I、D参数进行相应的计算，进而输出相应的信号，对变频器作业频率进行有效的控制与调节，进而实现水泵电动机组转速与自动排水流量的有效控制与调节，促进煤矿生产的正常进行。

实际工作原理：水位传感器会对煤矿实际水位值进行测量，之后经过相应的反馈，输送至比较器输入端，进而与既定水位值展开相应的对比，当煤矿实际水位值比较大的时候，通过参数的相关计算，对PID参数进行有效的调节，逐渐增加变频器的作业频率，进而实现水泵转速的不断加大，增加排水量，进一步降低煤矿中的实际水位。反之，如果煤矿实际水位值比较小的时候，可以通过参数的计算，调节PID参数，逐渐降低变频器的作业频率，减小水泵的工作转速，降低排水量，实现煤矿实际水位的稳定下降，保证煤矿生产的可持续发展。

在此排水系统中，一般均需要设计两台常用水泵，当煤矿中积水比较少的时候，就可以利用变频器对一号水泵进行控制，实现煤矿水位的降低，当煤矿积水量不断增加的时候，一定要加强一号水泵工作的频率，而当一号水泵工作的频率达到最高的时候，煤矿积水水位依然没有达到设计要求时，就需要把一号水泵切换至工频电源上，实现电量供应。在二号水泵展开有关积水排除作业的时候，一定要利用变频器将其切换至二号水泵之后，才可以进行有效的作业。当二号水泵工作的频率降低至0以后，随着排水量的逐渐降低，其频率也就随之变化。此时，需要在排水量比较大时，及时关掉工频电源供应的一号水泵，保证二号水泵的正常运行，并且进行一定的提速，促进煤矿生产的正常进行。

二、煤矿排水系统硬件设计

在此排水系统中，PLC选用的一般均为施奈德TWIDO系列，型号是TWDLAFAODRF的一体型PLC，其主要就是24路输入，14路继电器输出，2路晶体管输出，并且具有支持以太网通讯、以太网RJ-45口、PID运算等功能。当选用施奈德ATV31型号变频器尽心作业的时候，其模拟量扩展模块需要使用两入一出的TIVDAMM3I-IT型号。其中要求变频器与模拟量模块进行直接连接，保证模拟量输入信号为2路，第1路为水位传感器输送的电流信号，传达至IN0；第2路为变频器输出的频率信号，直接反馈至IN1。针对变频器A11端而言，可以直接利用模拟量输出的电压信号，进行相应的输入，并且实现变频器频率的有效调节。

三、煤矿排水系统软件设计

在进行系统软件设计的时候，可以利用PLC的PID调节器进行一定的输出调节。PLC主要就是一种采样控制，其可以结合采样时间偏差展开相关的运算，进而得到相应的控制量。在进行实际应用的时候，需要将信息的PID控制算式转变为实际运用的PID算式。之后，对PID算式展开离散化的模拟处理。最后，利用后向差分变换法，将离散化模拟的PID算式进行差分处理，形成相应的方程，这样才可以进行输出值的计算。

理想模拟的PID算式为：

设其采样周期为TS，初始时间为0，其第n次的采样偏差也就是en，控制输出是Mn，之后进行相应的转换得到模拟的PID离散化算式为：

式中：Mn表示第n次的控制输出值；KC表示PID回路增益；en表示第n次的采样偏差；en-1表示第n-1次的采样偏差；TS表示采样周期。

通过模拟PID离散化算式可以看出，从第一个采样周期一直到目前的采样周期，整个过程中存在的全部错误差项就是积分项内容。

通过计算机的采样之后，保证每一个采样值偏差都要进行一些输出值的计算，只有这样，才可以实现积分项前值与偏差前值得有效保存。通过计算机的处理与计算，可以将模拟的PID离散化算式进一步简化为：

式中：MX表示积分项前值。

四、煤矿排水系统监控设计

为了可以更好的实现排水系统的设计功能，保证各水泵与阀门的正常运行，有效读出各水位值与流量值等参数，并且进行相应的报警显示与故障记录，一定要加强力控组态软件的运用，即PCAuto6.0，将其当成是上位机管理软件，通过力控组态软件和PLC系统间的数据通讯，完成系统的远程监控。

(一)新建工程

在力控组态软件中进行新建工程的时候，只需要在工程管理器中命名工程名称，如“XXX矿井排水”，这样就完成了新建工程。之后点击“开发系统”，进行新系统的开发。

(二)定义外设I/O连接

同力控组态软件进行数据通讯的设备就是I/O设备，这些设备能够利用以太网或者串口和上位机之间展开一定的数据通讯；只有在明确I/O设备之后，才可以保证力控组态软件数据与I/O设备数据进行通讯。

在Draw导航器中，找到“I/O设备驱动”选项，之后进行双击，选择“PLC”选项，再进行双击，然后选择相应的厂商名称，并且选择相应的项目“MODBUS”。双击项目“MODBUS”，弹出对话框“I/O设备定义”，在“设备名称”中输入相应的名称，并且在“设备地址”中输入“1”，通讯方式选“串行口通讯”。

(三)定义数据库变量

在整个监控系统当中，DB数据库就是核心，其作用就是实现对整个监控系统实时数据、历史数据、服务请求、报警信息等展开分析、储存、统计、处理，其基本单位就是点。

(四)建立I/O数据连接

将数据库点和外部采集设备通道地址进行一一对应，进而在上位机与下位机的I/O地址中进行有效的通讯，这样才可以实现对生产现场中各点工作状态的监控。

(五)组态画面设计和链接

利用软件绘图工具或者图库，结合煤矿生产的具体情况绘制煤矿排水系统监控画面。在设计动画或者图形的时候，可以构建不同动画链接，实现对不同变量与对象的监控，并且建立一定的关系。通常情况下，链接方式就是双击。

(六)运行和维护

在完成力控组态工程之后，就可以进行相应的调试、运行，对设计数据库与监控画面等组态内容进行保存。同时对外围硬件设备与连线进行检查，保证其运行安全、可靠，这样才可以进行外围设备的供电。在后期运行的过程中，一定要加强定期维护，保证系统与设备的正常运行，促进煤矿生产效率的提高。

五、结束语

总而言之，在煤矿生产过程中，加强对组态监控与PLC技术的应用，可以简化硬件结构，降低生产成本，实现控制的高效性。并且通过PLC技术的应用，还可以加强水泵的稳定运行，防止启动冲击电网；有效调节水泵速度，延长水泵使用年限，并且节能，具有良好的社会效益与经济效益。同时，通过组态软件的应用，可以加强数据的动态显示，保证故障信息与运行数据的及时掌握，确保了煤矿生产的顺利进行。

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