PLC在煤矿主排水泵自动控制系统中的应用

边 晋

（西山煤电集团公司古交给排水分公司， 山西 太原 030200）

引言

当前，部分煤矿的主排水系统和设备还依靠传统人工操作，不能根据矿井涌水量大小进行自动排放，主排水泵的管理操作完全依靠水泵操作工人的责任心[1]。人工操作主排水泵的启停没有根据水仓水位的变化情况和用电峰谷期进行科学的自动化管理，不但增加了安全隐患和工人的劳动强度，还增加了生产成本，降低了工作效率。采用PLC可编程逻辑控制器系统对原有的矿井主排水泵设备和控制系统进行技术改造非常必要。

1 矿井概况

西山煤电集团东曲矿位于山西古交市东南0.5 km，设计生产能力为450万t/年，主要开采8号、9号煤层，设有+897水平和+960水平两个开采水平。8号煤层处于超越水位，涌水量大，最大涌水量达320m3/h。由于工作面涌水量大，采取分段式集中排水方式将水泵设置低洼处，汇流后进行排放。泵房安装的多级泵没有实现远程启停，运行时需人工进行阀门排气、灌水和启停，增加工人的劳动强度，如未对水位进行实时监测，还会导致矿井突水事故的发生。结合东曲矿的实际水文地质情况，采用PLC技术对矿井的主排水泵系统进行远程监控和自动启停控制改造，根据矿井水仓水位高度、水位升降速度和用电峰谷，实现对矿井主排水泵的自动启停[2-3]。

2 PLC集中控制系统的功能设计

结合东曲矿的涌水量和主排水泵的配备使用情况，基于PLC技术的矿井主排水泵自动控制系统，系统主要具有：控制功能，通过PLC程序设计实现自动排水功能；故障诊断功能，对电机温度、电流和电压实时动态监测，当超出设定警界值时，系统自动报警停止运行保护设备安全；参数显示功能，通过人机交互界面实时显示排水量、电机温度和管道压力参数；通信与监控功能，通过数据交互和通信光缆，实现井下PLC与地面工控机组连接，将数据传送到地面调度指挥中心，实时显示设备运行状态和信息[4]。

3 PLC集中控制系统架构层次

基于PLC的矿井主排水泵自动控制系统采用分布式集中控制方式设计，系统由监控系统、数据信息采集和逻辑处理系统、通信传输系统、CPU处理主站和监控系统五部分构成。

PLC集中控制系统采用三层分布式架构自上而下依次为：第一层地面监控设备层、第二层通信和逻辑层和第三层设备层。

1）第一层地面监控设备层主要由工控机、监控组态软件和可集成的工业电视系统等构成，采用光缆与各工作面站点PLC组件和网络监控设备进行连接。工控机组态软件对主排水泵的运行数据进行收集，处理传输至地面调度指挥中心。

2）第二层通信和逻辑层作为PLC集中控制系统的核心，由PLC负责对数据的采集、逻辑处理、故障诊断和存储等功能。系统根据采集到水位的变化情况对主排水泵进行远程启停，并对设备运行状态、电机温度和排水量进行收集，显示在触摸屏上，在通过数据交换设备传输到地面PLC控制中心。PLC主排水泵自动控制系统原理如图1所示。

图1 PLC主排水泵自动控制系统原理图

3）第三层设备层主要由主排水泵、电机、管道和阀门等组成。通过在原有的矿井排水系统设备加装传感器，将传统的手动控制阀门替换为电控阀门，加装真空泵满足对水泵的自动启停控制。为预防PLC控制系统发生故障时不能自动启停，闸阀应更换为真空射流手动闸阀和电动两用闸阀，并增加一套真空泵，提高系统的运行安全稳定性[5]。

4 基于PLC的自动控制系统程序设计与应用

4.1 PLC程序设计

设计PLC程序首先对硬件模块组态和软件进行调试。生成网络中的各个模块，并对各模块的数据进行设置，同时确定硬件模块组态的输入/输出模块 （I/O模块）地址,奠定良好的顺序控制程序编制基础。启动PLC后应先进行初始化设置，再进行手动/自动控制设计，最后进入系统控制程序流程。控制程序流程由水仓水位与运行状态检测、水泵机组启停、故障诊断与报警、故障启停等模块构成，整套控制程序流程如图2所示。应用STEP7软件采取在线连接方式对下载编制好的程序进行调试，实现对程序运行状态进行实时动态监测、对数据强制更新和输入/输出信号的强制开/关等功能。

4.2 组态软件程序设计

组态软件程序的设计是生成人机交互界面，便于开展实时动态监测。应用西门子的WINCC自动化监控软件设计程序，可生成标准化输出/输入域、棒图、趋势图和矢量图等，同时具有动态性能的属性，实现对系统运行的可视化监控，通过人机交互界面显示集成消息和故障诊断信息。水泵操作工只需通过设备显示触摸屏就可实现对系统的可视化控制。并通过光缆与地面上位机进行同步通信，达到远程监控的目的。

5 结语

基于PLC的煤矿主排水泵自动控制系统，通过科学的程序设计以及对矿井原有的主排水系统进行技术改造，结合矿井水仓水位高度、水位升降速度和“避峰填谷”用电管理规定，实现对矿井主排水泵的自动启停，水泵房操作工人由原有的5人减少为3人，系统采集数据信息显示直观，便于巡视和管理，大幅降低工人的劳动强度，提升矿井排水系统的自动化和机械化水平，同时对主排水泵的科学合理调配运行，不但提高矿井排水的稳定可靠性，还提高效率达到降本增效的目的。

图2 控制程序流程图