基于PLC的井下排水系统自动控制过程设计

鲁叶云

(晋城煤业集团 成庄矿， 山西 晋城 048014)

矿井涌水是威胁煤矿井下安全的重要因素之一，一旦发生矿井透水事故，不仅影响煤矿安全生产，甚至危及矿工生命安全。目前，部分矿井排水系统还在使用传统的人工操作模式，依靠人工定期、定时对储水仓水位进行观察，由经验判断是否开启水泵进行排水作业。这种排水系统控制模式应急性差、操作时间长，无法满足矿井排水的要求，存在极大的安全隐患。针对矿井排水系统存在的问题，俄罗斯学者在分析排水系统的基础上，建立排水系统控制模型，并提出水泵流量测量方法以及自动控制系统；国内学者对储水仓水位监测、排水控制策略、排水效率以及节能降耗等进行研究[1-4]. 本文以PLC控制技术为基础，对排水系统的水位监测、工作模式、水泵自动调度等进行研究，构建排水自动控制系统。

1 自动控制系统设计

1.1 水位自动监测与控制

水位自动监测是利用水位传感器对储水仓水位的高低进行判断，当水位达到约定高度时触发水泵启动、水泵停止命令。储水仓水位模型见图1，将水位一共分为H1—H55个高度，其中H2为排水水位，即储水仓水位达到该高度时，需要启动水泵进行排水作业；H4为警戒水位，需要启动至少两台水泵进行排水作业；H5为极限水位，需要启动所有水泵进行排水，同时发出“储水仓水位达到极限”的报警信号。5个水位信号由水位传感器实时检测并将信号传送给PLC控制器，参与排水自动控制系统的逻辑控制过程。水位传感器采用西门子超声波液位计+本安数字式水位开关实现。超声波液位传感器利用超声波技术实现对水位的监测，安装于储水仓仓内，两线制，输出信号为4～20 mA的模拟电流信号，传送给PLC控制器参与逻辑控制。本安数字式水位开关安装于吸水井中，作为防止水位过高的保护设备。

图1 储水仓水位模型图

1.2 工作模式设计

为适应排水系统自动控制需求，将工作模式分为远程、就地两种，通过旋转按钮进行模式选择。排水系统的工作方式分为自动、半自动以及手动3种，根据排水需求以及现场环境进行选择。手动控制方式与原人工控制流程一致，但只需要通过按钮即可实现，降低了工人的劳动强度。半自动控制方式主要用于系统后期调试以及有特殊要求的场合。自动控制方式为排水系统投入使用后的常用模式，排水系统根据储水仓水位实现排水系统的自动化和智能化。

1.3 水泵自动控制策略

全自动控制方式下排水系统水泵启动/停止控制策略见图2. 所设计的排水系统有工作、备用、检修3个水泵，以储水仓实时水位为基本控制条件，以系统参数、环境参数为参考，实现排水系统水泵的全自动运行、停止控制，实现排水系统的少人、无人值守。启动水泵时，综合考虑储水仓水位、涌水量、水泵运行台数、储水仓水位上涨趋势以及“避峰就谷”等因素，保证将储水仓水位控制在安全水位线以下的同时，减少水泵运行台数、降低水泵用电量。

图2 水泵启动/停止调度策略图

在对水泵进行自动控制时，根据实际使用情况，可以采用“高低水位”控制、“水泵轮换工作”控制、“避峰就谷”控制以及改进型的“避峰就谷”控制方式[5-6].

当储水仓水位达到低限，或者水泵轮换时间定时停止时间到时，可以将水泵停止运行。另外，在采用“避峰就谷”或者改进型“避峰就谷”控制方式时，如果储水仓水位没有达到警戒水位H4，则停止水泵运行，待等到用电谷段时，开启水泵并控制水位至H1.

1.4 PLC软件控制流程

所设计的排水系统自动控制过程的PLC软件控制流程见图3，根据水仓水位、涌水量对工作、备用、检修3台水泵的启动/停止进行自动控制。PLC程序开始运行后，首先完成系统的初始化，重点包括储水仓水位参数设置、控制模式/控制方式设置、水泵参数设置以及PLC程序中用到的变量、内存的初始化。利用超声波液位传感器实时监测储水仓的水位，当水位高于下限值H1时，开启工作水泵，否则，如果有水泵开启，则停止运行所有水泵。开启工作水泵后，如果流入储水仓的水量大于排出储水仓的水量，即超声波液位计实时检测出的水位还在不断上升，则开启备用水泵进行排水。如果储水仓的水位超过警戒水位H4时，则开启检修水泵进行排水，同时发出水位过高报警信息。

2 应用情况

将所设计的排水自动控制系统在某矿进行实际应用，该矿井正常涌水期涌水量为657.9 m3/h，日排水时间为12.90 h，只开启工作水泵即可完成排水任务。最大涌水期的涌水量为1 040.2 m3/h，日排水时间为10.01 h，同时开启工作、备用、检修3台水泵可完成排水任务。每日16:30到次日7:30为用电谷段，设置为自动模式进行排水，可满足该矿井的排水需求。该矿井排水系统在正常涌水期和最大涌水期水泵工作情况见表1.

图3 排水系统PLC自动控制流程图

表1 正常涌水期与最大涌水期水泵工作情况表

该矿井排水系统采用自动控制系统后，与传统手动控制模式相比，经济效益效果明显。手动模式与自动模式排水费用比较见表2. 由表2可以看出，采用自动控制系统排水后，每天工作时长由24 h减少至8 h，排水系统一年的费用支出由3 355.7万元下降至2 078.4万元，平均每年节省1 277.3万元。

表2 手动模式与自动模式排水费用比较表

3 结 语

设计并实现的煤矿井下排水系统自动控制过程以PLC控制技术为基础，结合传感器技术，对矿井排水系统进行自动控制过程设计，增强了排水系统的自动化水平，提高了排水系统的工作效率。该排水系统已经在矿井中得到应用，运行稳定，可对储水仓水位精确控制，满足矿井排水系统需求。