基于PLC的煤矿井下排水模式自动转换控制系统

朱信龙，李小刚，谢沛

（1.陕西陕煤陕北矿业有限公司,陕西榆林，719000；2.陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司,陕西神木，719300）

1 煤矿排水系统的组成和工作原理

1.1 煤矿排水系统整体组成

系统的组成部分主要由：变频器、PLC、大功率三相水泵（2台）、压力变送器及其他控制组组成，具体结构如图1所示。

由图1可知，系统整体结构中的变频器功能主要是对水泵进行软启动和变频调速处理；水位传感器的功能是将水位信号实时地转换成标准电信号(4～20Ma)，再经过A/D转换模块将其送入PLC中，进而比较实际检测与设定的水位信号是否存在异常；然后进行逻辑运算，再将最终结果传送至变频器上，变频器再根据实际情况改变水泵转速，其主要是根据上述所得结果控制变频器的输出频率；同时，水位值通过PLC传送至上位机，然后实现动态显示；上位机发送信号至PLC上，就可以智能启停同时控制水泵。

图1 系统整体结构组成

1.2 系统的工作原理分析

由于煤矿井下环境复杂，排水模式的选择尤为重要，尤其是在进行排水系统上的自动转换控制。在进行排水模式转换过程中，主要是通过连续闭环的PID进行操控。基于实际水位与给定的水位值，对排水模式进行比较，通过PLC的PID逻辑运算发送系统调节信号，从而对变频器的输出频率以及水泵电动机组的控制，最终实现排水系统中排水量的调节。

从工作原理图2所示可知：水位传感器将煤矿井下的当前实测水位情况反馈给地面时，首先将水位实际值传送至水位传感器的输入端，将其与给定的水位值进行比较。当比较结果显示煤矿井下的水位偏高时，通过运算，调整PID参数，进而根据差值相应地提升变频器的频率。当排水量随着水泵转速的增加而加大时，煤矿井下的水位也随之降低。相反地，降低变频器的频率，排水量随着水泵转速的降低而水位下降速度减缓，那么矿井内的水位也就下降缓慢。对此，需要保证变频器频率在稳定值，这样才可以保证自动排水系统的稳定运行。

图2 工作原理图

2 煤矿井下排水模式自动转换控制系统硬件设计

2.1 系统硬件选择

PLC是一种三项技术为一体的数字运算操作系统，三项技术包括：计算机、自动控制和通信三种技术。三者高效融合可以使煤矿井下模式转换得以自动控制。

在型号选择过程中，主要基于系统的I/O标准,文本显示器选择的是带防爆功能的TP04型号；上位机组态软件选择的是KingView软件硬件系统中PLC控制核心采用SIMATICS7-200系列、EM223CN-I/O扩展模块、SIMATICS7-200模块、CP243-1通讯模块和EM231模拟量输入扩展模块。

关于煤矿设计的文件中明文规定，基于系统需求,矿井水泵具备三种工作方式：正常状态工作、发生事故时备用工作、自动检测修复。对于主排水控制系统中的PLC信号通常包括三种：模拟信号输入、数字信号的输出和输入信号。这三种输出信号输出、输入方式还包含很多工作方式以及运行指示。因此，PLC中各个模块之间都有着各自独立的信号连接方式，PLC各模块之间的信号连接见图3。

图3 PLC各模块之间的信号连接图

2.2 控制系统硬件连接

对于硬件设施，其设备外部的控制箱选择的是可编程的防爆箱，外部电源通过变压器的作用将其转换成220V电压，供电设备主要是开关电源和PLC的CPU模块。本安电源板一共包括6路24V直流电压信号，开关电源为其提供工作用电源，本安电源板中包括上述提到的很多重要设备，其中包括传感器、继电器、操作台上的指示灯和文本显示器等；排水自控系统显示阀门开关到位、输入、传感器电流等信号全部接入防爆箱装置的喇叭嘴，然后连接数字量和模拟量传输至模块中，其连接方式是通过航空电缆；同理，数字量输出模块的传输方式是将信号通过上述方式连接到执行设备中；文本显示器的功能是为显示器提供该设备的运行状态信号，是与CPU-226CN模块上的RS485接口相连接。将光纤分线盒与CP243-1模块的以太网接口相互连接，这样就保证以太网的信号经过处理转变成光信号，地面监控室再经过反向处理，光纤与地面光纤接线盒相连接，光信号又一次经过转换成为以太网信号，再将经过处理的网络信号列入工业范围的以太网交换机，再将其连接至上位机。

3 系统的软件设计

启停泵在执行时的标准相对严格，必须严格按照上述顺序来执行，否则会发生意外事故，如水锤效应，一旦发生事故最轻的后果就是导致水泵故障，重则淹没城池巷港、危及生命。所以，在系统设计软件的时候，一定要思考认真、全面，不能有分毫的差错。对此，本文在进行软件设计过程中，引入多台运动控制法，当单台水泵在启动工作时是独立的，各自有独立的输出控制，单台水泵的运行性能会对系统的整体性能造成直接的影响；反之，当为多台水泵启动工作为多台联动时，通过启动整体控制器，实现多台的联动运行。而在组态软件的编程过程中，主要是人机交互的界面设计，通过这个软件设计可以实现实时监控。此系统能够进行输入域、输出域、矢量图等进行标准的生成，并且基于其动态性能可以进行可视化监控，也可能会出现集成消息，实现远程记录并监控。

4 仿真实验对比分析

为验证本文设计煤矿井下排水模式自动转换控制系统的有效性，在MATLAB仿真平台，采用文献3系统与文献2系统为对比系统，以控制精度为指标进行对比验证，结果如图表1所示：

由表1可知，在实验次数逐渐增加的情况下，采用文献2系统时，其控制精度随着实验次数的增加而提高，控制精度约为79.09%；采用文献3系统时，其控制精度前期增长较慢，后逐渐增加，控制精度约为71.69%，将比文献2系统控制精度降低了7.4%；采用本文系统时，其控制精度后期增长较慢，但整体较高于文献2系统和文献3系统，控制精度约为90.1%，相比文献2系统和文献3系统分别提高了约11.01%，18.41%，具有一定的优势。

表1 不同系统控制精度对比结果

5 结束语

近些年以来，我国矿山业迅速发展，自动化生产已经成为大势所趋，然后排水系统在安全生产保障中不容忽视。实现自动化且集中控制对我国矿山企业的生产运行意义重大，其最终目标就是要把井下的排水系统进行集中控制，再将其归纳至矿山中整体的控制中去，使矿山在各个生产环节都能够集中控制，完成整体上的飞跃。PLC控制器不仅低成本、硬件结构简单，并且可以保证其运行的可靠性能。与此同时PLC结合变频器的方式实现了水泵可以平稳启动，避免了传统形式对电网的冲击。运行过程中可以对水泵进行无级调速，在一定程度上延长阀门以及水泵的使用寿命，在节约电能方面具有良好的社会和经济效益。