基于PLC的煤矿自动化排水控制系统设计

郑华华

（阳煤集团一矿机电工区， 山西 阳泉 045008）

引言

传统的煤矿通常依靠人为操控水泵的运行及关闭来完成井下排水任务，这种方式存在效率低、耗能大、水泵启停不及时等问题，且操作过程复杂，人工劳动强度大[1]；而国内现有的自动化排水系统，排水参数检测精度低，排水过程中无法实现对水泵的科学调度[2-3]，同时在监测过程中未能充分利用手机等智能便携设备的通信优点，在远程监控排水系统方面仍有较大提升空间。因此本文针对目前排水系统存在的问题，提出了一种基于PLC的煤矿自动化排水控制系统，可远程操控水泵的自动运转并实现水泵的科学调度。

1 控制系统结构

1.1 系统结构组成

自动化排水控制系统主要由四部分组成，即地面监控中心、蓄水池监测分站、工业以太网与井下泵房监控单元，系统结构组成如图1所示。井下泵房监控单元作为排水控制系统的核心，由井下监控主站、传感器和信号接收装置等构成。井下监控主站以西门子S7-300系列PLC作为核心控制部件，负责井下涌水量、水仓容积、水位变化率、电压、电流等参数的接收、处理与控制，同时利用以太网将井下数据传递给上位机。其中，为保证较高的水位检测精度，系统采用了投入式液位传感器和超声波液位计来完成水位的检测。

图1 控制系统结构组成

1.2 系统硬件连接

硬件部分主要包括PLC模块、上位机、传感器、电机及阀门等电动设备，硬件连接如图2所示：

图2 硬件连接图

1）PLC模块处理单元，作为系统的核心组件，具备数据运算、存储、处理功能，依据运算结果，完成水泵的运行和关闭。

2）高压柜综保模块单元，对电机的电压、电流等运行参数进行收集，并通过通讯接口将运行参数传递至PLC处理模块，实现对电机的故障保护。

3）执行部分，由就地控制箱、阀门控制柜和系统控制柜组成，具有操控放水闸阀、配水阀、电动球阀等设备运行的功能。

4）监测部分，包括监测设备和开关量信号等，开关量信号是由放水闸阀、配水阀以及电动球阀等设备提供。

5）上位机监控系统，具有操作记录、故障报警、信息查询等功能，将排水系统中水泵、电动球阀、放水闸阀等设备的运行及井下排水情况进行直观的显示，也是工作人员操控排水系统的平台。

2 控制系统功能

2.1 两种控制方式

控制系统分为就地、远程两种控制方式。就地控制包括手动和自动两种工作方式，手动工作方式下，水泵系统中相关设备的运行和关闭由井下泵房的人员通过就地操作台上的相应按钮进行操作；自动工作方式下，通过操作台上的启动或关闭按钮，水泵系统中相关设备按照设定好的PLC程序进行运行或关闭。远程控制流程如图3所示，包括手动、半自动、全自动三种运行方式，该方式下水泵系统中相关设备的运行和关闭由地面监控中心控制，工作人员可实时监测设备运行中的各种参数。

图3 远程控制原理流程图

2.2 数据采集与展示

上位机监控画面可以直观地显示排水系统中水泵、电动球阀、放水闸阀等设备的状态参数，同时以动画的形式模拟水仓水位、管路水流的运行情况。当系统运行发生故障时，上位机监控系统发出故障报警信息并将故障情况进行自动存档。还可以分别统计排水系统中相关设备的运行时间和用电量等信息。

2.3 智能控制

为达到减少煤矿电费支出的目的，该系统通过建立合适的数学模型获得了更准确的涌水量数值，依据“避峰就谷”原则，对水泵实行科学调度，合理安排水泵的运行和关闭，减少电网高峰期下的煤矿排水系统用电量。

2.4 保护功能

为减少排水过程中相关设备的损坏率，该系统设有真空度监测保护、PLC故障保护、电机参数保护、电流电压保护与超温保护等功能。当排水系统发生故障时，上位机监控系统及煤矿井下现场发出故障报警信息，工作人员依据报警故障信息可快速找出故障源，及时进行故障的处理。

3 手机监控端系统

该系统利用手机等智能便携设备的通信优点，在远程监控系统方面增设了手机监控端系统。在远程监控系统服务器中设置数据库，排水系统中井下水位、电压、电流等参数通过组态软件传递到数据库中；手机客户端以轮询的方式读取数据库中的相关排水参数，并将这些参数与安全值进行比对，如果在规定的时间内存在较大差值，则该客户端就会以手机振动的形式通知工作人员有潜在故障发生[4]。手机监控端系统实现了井下排水参数易于监测及快速传递等功能。

4 结论

本文设计的使用S7-300PLC作为井下控制核心的一种自动化排水控制系统，通过实时监测最大涌水量、水仓容积、水位变化率、电流、电压等参数，可远程操控水泵的自动运转并实现水泵的科学调度，同时增设手机监控端系统，解决井下排水参数监控与传递过程中受时间和地点的限制问题，实现排水参数易于监控和快速传递等功能。该系统安全稳定、便于操作，在保证煤矿安全生产的前提下，提升了煤矿排水系统的自动化水平。

（编辑：李媛）