基于S7-300的煤矿智能排水系统的设计

张泽厚

（西山煤电（集团）山西清洗科技有限公司，山西太原030053）

引言

排水系统能否可靠、高效地运行关系着煤矿能否安全生产，国外在此方面起步较早，加拿大和芬兰分别提出了数字化煤矿和智能化煤矿的概念，并利用PLC技术对现有煤矿机械设备做了改进和整合，使其更符合自动化生产的需要。而在国内，自动化排水系统依然没有得到全面的推广，21世纪初，张丰敏和王孝颖设计了智能化排水系统，并通过考虑水位变化和耗电量来达到节约用电的目的，但是很多煤矿依然采用人工操作模式，无法实现设备的远程集中控制，同时现有的自动排水系统的控制策略依然存在着比较明显的缺陷，无法真正实现“避峰填谷”，并且在实际运行过程中存在着一定的风险。本文设计的自动排水系统能够实现水泵房的无人值守，具有完善故障处理措施，同时将涌水量作为是否开启水泵以及水泵台数的重要判据，从而达到节约电费的目的，实现真正的“避峰填谷”[1]。

1 排水系统总体结构设计

智能排水系统（见图1）主要由地面集控上位机和井下控制系统组成。其中地面上位机与井下PLC控制柜通过工业以太网完成通信，上位机接收到井下排水系统运行状态和参数后通过组态界面显示出来，可以实时监控水仓水位、泵腔真空度、电机绕组温度等，当井下系统出现故障时，上位机也会有警报显示。

井下控制系统以PLC控制柜为核心，其不仅要接收各个传感器以及设备反馈回来的信息，还要根据事先编写好的程序分析处理这些数据，并做出合理动作。井下控制系统的另一个重要组成部分是就地控制箱，该装置主要是由触摸屏、按钮和指示灯组成，工人通过控制箱可以实时监控系统的运行状态，切换控制模式以及控制水泵的开启和关闭[2]。

图1 排水系统总体结构示意图

2 系统硬件设计

PLC是硬件系统的核心，选用西门子的S7-300系列PLC，其中模拟量输入信号有：排水总流量信号、电机定子和转子温度信号、电机的电流和电压信号、水仓的水位信号、水泵真空度信号等；数字量输入信号有：急停信号、故障复位信号，水泵开关状态信号、电机故障信号、电磁阀开关返回信号、电动闸阀开关返回信号、控制方式选择信号等；需要PLC输出的数字量信号有：水泵电机的开关、电动闸（磁）开闭以及各种指示灯的开闭。控制系统的硬件结构图如下页图2所示。

为了提高系统运行的可靠性和灵活性，本课题给每个水泵各配置了一台PLC控制柜和一台就地控制箱，每一台PLC控制柜都可以独立的控制泵的启停以及采集数据，工人可以通过控制箱得到水泵运行的实时信息并可切换模式就地控制泵的启停，当其他PLC控制柜发生故障无法工作时，也不会影响其他控制柜以及水泵的工作。正常情况下，选择三台PLC控制柜中的一台作为主站，其他两台作为分站，这样的话，就可以实现三台水泵的集中控制，可以根据水位的高低选择开泵台数[3-4]。

通信方面，本系统采用工业以太网与上位监控计算机以及触摸屏通信，这样上位机也可以远程修改触摸屏组态界面。

图2 井下排水系统控制系统硬件结构图

3 智能控制策略

3.1 传统控制

由于水泵电机的功率普遍较大，所以排水系统的电费支出一直在煤矿生产中占有比较大的比重，所以煤矿多采用“避峰填谷”的原则设计控制策略传统的“避峰填谷”的控制策略多采用的是“高低水位”法，即在水仓中划分出三条线，分别是低水位、高水位和警戒水位，系统根据水位到达哪个线来判断是否开泵以及开泵台数，传统排水策略流程如图3所示[5]。

图3 传统排水策略流程图

当水仓水位处于高水位时，如果此时不属于峰段则开启一台水泵，如果属于峰段时间则暂缓开泵，但是当水仓水位到达极限水位后，则无论是否处于峰段都会开启一台水泵。当水仓水位低于低水位时，则系统停泵。其中开泵台数取决于水位下降的速度，如果水位下降速率较低，则选择增开水泵。

但是这种控制策略本身存在着比较明显的缺陷，比如其水位线的划分主要是根据工人经验，缺少严谨的数据计算；其依靠水位下降速率来决定开泵台数，没有考虑到涌水量的变化，如果涌水量较大时，这种控制策略就存在比较严重的滞后性，容易造成安全事故[6-7]。

3.2 改进后的控制策略

本文引入涌水量作为开启水泵台数的重要判据，从而使水泵在电价谷段尽量多排水，减少电费支出，同时将水仓水位维持在一个比较低的水位，在电价峰段尽量少开水泵，充分利用水仓容量。

“避峰就谷”优化调度策略原理图如图4所示。

图4 “避峰就谷”优化控制策略原理图

1）计算涌水量。我们设水仓的底面积为S，则一段时间t内涌水量即为S·ΔH，假设一段时间t开始时水仓液位是Hx-1，而结束时为Hx，那么单位时间的涌水量公式即为：

2）开泵台数确定（见图5）方法。本系统也对水仓水位设置了高低水位线以及警戒水位线，但不同的是，本系统在水位超过高水位时就启动水泵排水，从而确保水位不会高过警戒水位。

当排水系统处于谷段时间且距电价峰段还有t1的时间，那么预计这段时间涌水量为Q1=qt1，而水仓内低水位线以上的水量为V，那么在谷段总的有qt1+V需要排出，假设泵的流量qe，那么需要开泵的台数n1公式为：

图5 确定开泵台数流程图

若得到的n1≤2，那么就开启n1台水泵进行排水，尽量将水仓水位维持在低水位。

若得到的n1＞2，那么就开启所有水泵，尽量在峰段来临之前多排一些水。

当排水系统处于电价峰段时，设还有t2时间到电价谷段来临，那么预计涌水量为Q2=qt2，这段时间水仓还有的容量为VΔ+VH-Vx(VH为高水位的水量；Vx为当前水量)，当Q2≤VΔ时，那么就不用开泵，因为这个时候即使不开泵，剩余时间的涌水也充不满水仓。当Q2＞VΔ时，就需要开启水泵，确保水位在高水位一下，需要开启水泵台数n2公式为：

3）水位变化率。设某段时间内的水位变化率为Δh，同时用Δh1表示开泵水位变化率，用Δh2表示警戒水位变化率，根据前面所介绍的规则确定开泵台数后，如果Δh＞Δh2，那么就开启两台水泵，直到Δh1＜Δh＜Δh2，如果开启两台水泵仍无法将水位变化率降低到合理的范围内，就响铃报警。

4 PLC软件系统设计

智能排水系统需要实现的功能比较多，本文重点介绍系统自动运行程序和控制策略实现程序。

系统在开始启泵需要先预警10 s，查看是否有故障预警，各个阀门是否开关到位，当这些条件都满足之后，就要开启射流阀开始抽真空；同时利用真空传感器检测真空度是否达到要求，如果达到要求就开启电机，然后关闭真空阀和射流阀；这之后就要开始检测水泵出水口压力，当压力达到要求后就开启电动闸阀开始正式排水。如果抽真空时迟迟达不到想要的真空度，开启水泵后，出水口达不到预期的压力，那么就要进行故障报警，并关闭出水闸阀以及电机。自动启停泵流程图如图6所示。

图7为基于“避峰就谷”的优化调度软件实现流程。计算过程中需要的一些参数包括水仓的底面积、容量，管道直径，水泵排水量等，可以通过企业获得，而其他一些参数包括峰段和谷段的时间，工作人员可以直接通过上位机或者触摸屏输入。优化调度策略软件实现流程图如图7所示。

5 上位机组态软件设计

通过上位机组态界面，工人可以实时监测系统的运行状态和系统的控制模式，同时还可以查阅系统的历史故障记录，上位机主界面如下页图8所示。

6 结语

图6 水泵自动启停泵流程图

图7 “避峰就谷”优化调度策略的软件实现流程图

以PLC控制器为核心设计的这套可以实现自动运行和远程监控的智能排水系统可以全面监控系统运行的参数，包括电机电流、绕阻温度、水仓水位、离心泵真空度等，当发生故障时能够迅速报警并可靠动作。在此基础上对现有控制策略进行了改进，节省了电费开支，也降低了安全风险。经过现场测试能够满足“智慧矿山”的发展趋势。

[1]谭一川.煤矿工业水泵自动化监控系统研究与应用[D].重庆：重庆大学，2009.

图8 上位机主界面

[2]植海深，卢德明，张应红，等.矿井自动排水系统综述[J].大众科技，2012（6）：12-15.

[3]刘玉英，邢泉水，姜裕庆.水泵自动化监控系统的应用[J].2008（4）：51-53.

[4]李杰.煤矿井下排水系统运行可靠性研究与控制系统研究[D].太原：太原理工大学，2010.

[5]杜桂迁.煤矿井下排水系统自动化的研究[D].邯郸：河北工程大学，2013.

[6]臧其亮.煤矿井下排水系统优化调度与智能控制[D].徐州：中国矿业大学，2010.

[7]程伦新.井下自动排水系统控制策略的研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2011.