自动化排水控制系统在煤矿中的应用

袁传增 杨洪科

摘  要：文章从自动化排水控制系统的结构分析入手，结合先进的PLC和计算机技术等改善自行设计了一款适用于煤矿行業的自动化排水控制系统。在实际应用中，该系统的安全性和效率比传统方式较高，故障率也较低，操作更加便捷，对于进一步改善煤矿行业的排水系统具有一定的指导意义。

关键词：自动化;排水控制系统;煤矿生产;应用

中图分类号：TD744 文献标志码：A      文章编号：2095-2945（2019）13-0155-02

Abstract： Based on the structure analysis of automatic drainage control system and the improvement of advanced PLC and computer technology， an automatic drainage control system suitable for coal mine industry is designed in this paper. In practical application， the safety and efficiency of the system is higher than the traditional way， the failure rate is also lower， and the operation is more convenient， which has a certain guiding significance for further improving the drainage system in the coal mine industry.

Keywords： automation; drainage control system; coal mine production; application

1 自动化排水控制系统的结构分析

在对自动化排水系统进行实际应用时，必须在排水前处理耐磨离心泵，通常采用的方法是管道余水射流、水环真空泵射流、管道余水抽空等方式。如果选择射流方式，就必须选择配套的射流管道控制阀门、射流总成、真空管道阀门等部件，将水泵体内的空气抽空，以便后续应用。如果选择水环与之相结就必须选择配套的真空管道控制阀门、水环真空泵和管道控制阀门等。此外在实际运用时，还必须估算真空体积，明确真空泵的型号，以免出现真空泵不匹配的情况发生。

2 自动化排水控制系统设计

排水控制系统总体框架如图1所示，由图可知该系统可分为监控硬件设备和软件。下面从监控设计和软件设计两个方面来开展自动排水系统的设计。

2.1 监控设计

2.1.1 地面控制中心

地面控制中心是以工控机作为平台的自动化排水监控软件，其一般建在矿井机电生产指挥中心，主要功能是转达控制器参数，同时也是人机交互的核心，将数据以图表的形式进行存储和显示，并承担检测、维护和报警的任务。管理员需要获得相应权限才能对设备进行操作和访问，监控整个系统的运行状况，从屏幕上随时掌握井下水仓的运行情况，实施远程监视，同时分析实时数据，不断地进行修正和更新。

2.1.2 水仓监控系统

本文的排水系统井下水仓有小水仓、中转水仓和主水仓三种规格的水仓，通过22kW排沙泵将小水仓的水抽到中转水仓，再由中转水仓进入主水仓。在整个抽水工程，监控需要覆盖各个水仓，以免出现监控盲区和隐患，因此在小水仓和中转水仓以及主水仓都设置有监控系统。

2.1.3 中转水仓监控系统

中转水仓使用的泵是250kW或者500kW的离心泵，该泵设置有双回路排水开关。为了检测水位，设置有液位传感器;为了监测泵的流量，设置有流量传感器;为了监测泵的抽水压力，在管路上设置有压力传感器;为了实现流量可调，在管路上还设置有电动球阀等阀门。双回路排水开关将采集到的数据通过光纤传递到地面控制中心，以便操作人员进行记录或执行相关操作，其具体的控制原理如图2所示。

2.1.4 中转水仓监控设备

（1）双回路开关：该监控设备的核心部件，主要是将各个传感器采到的数据传递到该部件的PLC中，由PLC将信号通过光纤传到地面控制中心。在该部件内部配有UPS电源，目的是给PLC和各类传感器供电。在断电时可最长供电6h。（2）液位传感器：监控水仓液位的核心部件，本文采用的是满量程为5m的GUY5型液位传感器，其精度为0.02m。（3）压力传感器：监控水仓中液体压力的核心部件，采用压阻式原理来进行对压力的监控，输出的是电流信号（4-20mA）或者是电压信号（1-5v直流电）。本设计选用的压力传感器是型号为GUY60的两线制输出信号为4-20mA电流信号的传感器，通过检测排气处的压力来判断离心泵是否注满水，出水口最大压力为15MPa，排气口最大为0.5MPa。（4）流量传感器：本系统采用的是型号为LCZ803系列的数字超声波流量计，利用超声波在液体中顺流和逆流的速度差与流速成正比的关系来检测流量的变化。该流量计额定电压为24V，输出信号为4到20mA的电流信号，可测量范围为0到500m3/h。（5）电动球阀：本系统采用的是型号为DFB20/10Q系列的矿用电动球阀，其额定电压为24V，有手动和自动两种方式来实现注水和排水功能。（6）电动闸阀：本系统采用的是型号为Z941H40C系列的矿用电动闸阀，其额定电压为660V，有手动和自动两种方式来实现的启停控制。（7）远程控制：当双回路开关切换到远程控制时，上位机对排水系统进行相应的控制，包括实现注水、排气、阀门开关、泵启停以及故障复位等操作。一旦出现故障，上位机都可以通过上位机的复位键来一键复位。（8）小水仓监控系统：直接由QJZ2/30开关来控制，安装有防止倒流的逆止阀。QJZ2/30开关能检测高低水位和报警水位，高于高水位则泵进行排水;低于低水位则停泵;高于报警水位则报警。

2.1.5 主水仓监控系统

主水仓监控系统与中转水仓监控系统类似，但是比其更智能、便捷和全面，是整个自动化排水监控系统的核心部分，操作人员可通过远程、自动和手动方式对其进行操作。主要包括各种监控水位、流量和流速的传感器以及摄像头等设备。该系统在进行控制时，其优先级依次是：检修控制——手动远程控制——自动检测控制，检修控制时能自动切断远程控制和自动控制;远程控制时能自动切断自动控制;在远程控制失灵时，控制系统能自动转入自动控制。

2.2 软件设计

2.2.1 PLC程序

本系統选择的PLC监控系统是利用STEP7软件进行程序设计的，运用模块化编程技术不仅运行可靠还方便修改和扩展。程序主模块主要包括：通信模块、数据模块、监控模块、控制模块以及显示模块。

2.2.2 上位机程序

基于WINCC平台对上位机应用软件进行编写，可实现可视化、数据获取和监视控制功能。通过采用面向对象的开发方法，可快速显示生产过程数据。编程使用的客户/服务器结构体系，能实现数据的共享和集成，为系统提供数据和提高监控系统的性能。此外，使用WINCC还可以对煤矿的工业流程及系统的改进进行监控，同时还可改变界面上的外观显示，如颜色、形状和尺寸等。

3 自动化排水控制系统在煤矿中的应用

双回路开关由两台CKJ11系列真空接触器控制水泵的通断，控制电压为220V交流电。在开关右侧设置有3光口5电口的交换机与周围进行通讯，为了保护开关不损坏，安装了2个PSW/400智能型保护器来避免开关过载、断相、短路、漏电闭锁。该保护器作为信号检测元件串联在开关回路中，其常开触点与串联接触器线圈回路串联，实现保护。利用Micrologix1400PLC对水泵进行逻辑控制，并在显示屏上实时显示运行状态，具有记忆功能。该设备有隔离式RS232/485通讯口、非隔离式RS232通讯口和RJ45以太网通讯口。SMN6模块将传感器的模拟量转换为PLC的数字量，监测外部的流量、液位和压力等状态参数。备用电池可以在系统断电的情况下临时给PLC、各个传感器和路由器等提供电源，保证上位机在一定时间内正常运转，起到24小时监控水仓的作用。此外，双回路开关具有“工作界面”、“设定界面”、“数据界面”、“小水仓界面”、“中转水仓界面”、“故障界面”、“事件记录界面”等7个主要的工作显示界面，工作人员可根据工作需要切换到相应界面进行操作。

4 结束语

提高煤矿行业排水控制系统的自动化程度和效率既是该行业研究的重点，也是关乎民生的重大事件。本文基于以太网技术和PLC技术和计算机技术等对自动化排水控制系统的硬件和软件进行了自主设计。在实际运用过程中，排水系统可靠性有所改善，故障诊断和解决周期缩短，效率有所提高，实现了排水自动化，值得在行业内推广。

参考文献：

[1]闫宇翔.煤矿井下排水自动化控制系统的结构和功能特点[J].机械管理开发，2018，33（11）：234-235.

[2]呼鹏举.锦界煤矿自动化排水系统设计及应用[J].煤炭工程，2017，49（S2）：37-39.

[3]阮进林.保德煤矿自动化排水系统的设计及应用[J].煤炭工程，2016，48（S1）：20-23.