基于PLC的矿井自动化排水系统控制研究

杨自欣?和雪梦

摘 要：在煤矿井下生产作业期间，由于煤层的持续开采使地层结构发生一定变化，地下储水层与采区贯通以后会涌出大量的水，诱发井下透水事故，威胁井下生产安全。排水系统作为矿山生产系统中极其重要的组成部分，通过排水设备及管道能够将矿井的地表水、断层水、老空积水等废水排到地面，保障矿山深部生产安全，为井下生产营造良好的环境。PLC技术作为一种全自动控制系统，能够根据水仓水位的高低、矿井用电信息等因素，建立数学模型，合理调度水泵运行，从而提高排水系统的自动化程度和可靠性，达到避峰填谷及节能的目的。

关键词：PLC技术;矿井生产;自动化排水系统

矿井排水系统是井下生产系统的重要组成部分，利用PLC技术实现矿井排水系统自动化控制，不仅能够实现水仓泵房无人值守，减轻职工劳动强度，而且能够实现按需科学排水，节约电费支出。

1 矿井排水系统实现自动化控制的重要意义

在煤矿生产单位中，排水系统作为矿井安全生产的重要保障，不仅要保证井下断层水、老空积水以及废水的正常排放，而且要满足透水事故的应急功能和洪涝灾害的防治工作。相关单位通常会在矿井内敷设排水沟或排水管道，将井下的水汇集到中央水仓，再通过井下泵房的排水设备将井下水排至地面。井下泵房不仅有着较大的劳动强度和较差的工作环境，而且存在监视不到位的现象，造成系统低效运转，设备故障时有发生，严重影响正常生产。利用PLC技术达到矿井自动化排水能够真正实现矿井泵房无人值守自动化，PLC作为一种全新的高效自控装置，替代了传统的继电器，通过控制中心的显示器能够实时监控水泵运行的流量、温度以及水位等参数，利用通讯设施能够实现排水系统的故障检测和系统测试，使用控制模块能够实现主机远程操控排水泵，满足不同时期的排水要求。矿井排水系统实现自动化控制，不仅保障了排水工作的可靠性和稳定性，而且减轻了人力劳动，节约了电费开支，对于实现矿井安全高效生产有着十分重要的意义。

2 基于PLC的矿井自动化排水系统控制结构

1）信息采集模块。该模块有数字量检测采集和模拟量检测采集两个作用，其中数字量检测采集主要是检测机电设备的运行状态，采集排水设施的信息参数，包括对启动柜真空断路器和接触器进行状态检测，对电动阀门的启闭位置进行检测，对电抗器工作的情况进行检测，对水泵振动数据和电动机的轴转参数进行信息采集;模拟量检测采集主要是检测排水系统配置的电量、温度、振动、液位、流量等传感器和检测仪器，对电流大小、水仓水位、水泵流量、电机温度等信息采集，并通过通讯网路将现场的数据信息和检测结果向PAC控制系统进行上传，让控制中心的工作人员能够实时掌握现场设备状态和排水动态。

2）启停控制模块。启停控制模块需要准确获取井下水文情况，以免出现误操作。该系统除了在排水仓内布置了开关量传感器和水文传感器以外，还布置了模拟量传感器，以便于对井下水文变化进行实时监控，并不间断向PLC/PAC等模拟量传输检测信息。系统通过根据接收的信息将水文信号划分为多个时段，计算出水仓水位在不同时段内可能出现的增长速率，并对水泵启停的上下限进行合理设定，水泵在高水位时自动启动，在低水位时自动停止，当水位超限时能够及时发出警报，避免水流倒灌引发水泵和电动机故障。排水系统自动启停控制不仅降低了矿井电能消耗，而且实现了“避峰填谷”，最大程度的减少矿井涌水问题的出现。

3）上位机监控模块。该模块是人机交互的模块，能够向编程数据库存储现场监控获取的水泵、水仓、水位等数据参数，并生成参数报表，通过视图方式展现在操作人员面前，数据联网后生产调度和值班干部能够对报表进行查看、分析和下载。同时还可接受来自启停控制中心下达的指令，进行远程控制操作。在设计数据库时要采用6.55以上模块的上位机软件，以确保语言处理能力强大和设备支持库丰富。

4）自动轮换模块。在排水系统中，为了防止水泵意外停机故障的发生，相关单位通常会采用“一用一备”的方式，安装备用排水泵和电动机。随着矿井自动化水平的不断提升，矿井涌水现象很少出现，因此造成备用系统长期闲置。由于井下环境恶劣，生产条件复杂，备用设备受多尘、潮湿环境的影响出现老化、短路等现象，从而降低自身工作性能。PLC系统的自动轮换模块能够按照依据以往运行参数按照一定顺序对在用设备和备用设备进行依次开启和关停，确保设备的平均使用，从而提高设备使用率，延长设备使用寿命。

5）动态显示模块。将触摸式显示技术应用于自动化排水系统中，能够实时准确的显示水泵、真空泵、电磁阀等排水系统组成部分的工作状态数据，采用改变图形颜色和闪烁功能进行事故报警。动态显示模块能够对电磁阀和电动阀的开闭位置直观地显示，对水泵抽真空情况和压力值进行实时显示，将水仓水位通过图形填充或数字形式准确动态地显示出来，并按照超低段、低段、高段、超高段水位通过不同音响形式设置分段预警，避免水位过高或过低损坏水泵和电机。

6）网络通讯模块。该模块集成了数据传输、设备监测、操作控制等多种功能，主要功能是通过通讯接口、通讯协议和触摸屏相互合作，实现各模块的全过程通信，共同完成参数传递和图像传输，将现场情况以动态方式展现给操作人员。操作人员可利用通讯网络向水泵控制器发出信号，手动控制现场设备的启停。

3 矿井排水泵自动控制实践

1）水位自动监控。该环节是对吸水井的水位进行实时监测，以便根据水位的高低监测情况自动发启、停水泵命令。系统采用投入式水位传感器监测水位，采集信号以模拟量形式输送给PLC控制器，PLC控制器根据采集的水位信号和设置的控制程序自动控制水泵的启停。

2）射流抽真空控制。排水泵只有在其叶轮完全淹没于水中的情况下，泵体内部才能靠叶轮高速旋转造成必要的真空度实现正常排水。假如真空度不够，泵内就有空气存在，将会造成不上水和转动部件“干烧”等故障。

3）电动闸阀电动机自动操纵。为减小排水泵电动机启动功率，其排水泵操作规程规定离心式水泵一定要关闭出水闸阀启动。当水泵停车时，为避免出现水锤事故，必须先关闭闸阀，再缓慢减小流速，最后停泵。

4）設备运行参数监测。在水泵启动或运行过程中，要实时监测设备运行的相关参数。监测的主要参数为：入口真空度、进水管流量、出口压力、电机电流和电机温度等。参数不正常时，要及时停泵，转为启动另台水泵运行。

5）自动排水系统控制。在日常生产中，水位传感器监感应到设定水位后，向 PLC控制器传递信号，PLC控制器输自动作出判断并向抽真空电磁阀和射流泵发出启动信号，对排水泵抽真空。随后PLC控制器接收到真空传感器监测的信号，满足运行要求后自动启动排水泵电机，启动闸阀，开展排水作业，抽真空设备自动关闭。当水仓水位达到下限时，传感器向PLC控制器输出信号，驱动闸阀关闭，关闭排水泵电动机。

4 结束语

综上所述，基于PLC的矿井自动化排水系统控制真正实现了水位检测的实时性和准确性，同时实现了泵房的无人值守的效果，对煤矿企业安全、稳定、经济运行具有十分重要的意义。煤矿企业应根据井下实际情况，优化进一步监测设备与信息采集系统，确保矿井排水系统正常运行，为矿山安全高效发展提供必要保障。

参考文献

[1]赵悦红，赵欣楠.PLC在煤矿排水机械中的设计与应用[J].煤矿机械，2013（6）：207-208.

[2]唐建文.自动控制在矿山井下排水系统中的应用[J].世界有色金属，2017（8）：174-175.