基于PLC的井下采区泵房自动排水监控系统研究与应用

于 刚

（山西潞安矿业集团有限责任公司五阳煤矿，山西 长治 046200）

0 引言

该自动排水控制系统基于PLC自动化控制，通过环网将泵房现场数据进行上传，并通过摄像头、电脑组态软件实现现场水泵、开关、环境状况的实时监控、数据传输、远程操作、故障诊断查询、报表记录等功能，实时掌握水泵运转情况，达到无人值守、实时监控、定期巡查、减人提效的目的，且成本低廉，操作更加简单、人性化。

1 自动排水系统的实现前提

采区泵房使用的是多级离心式排水泵，排水管安装有底阀，启动电机前，需提前打开排气阀，用水灌满泵体从排气阀溢出后，方可关闭排气阀运行水泵；停泵时，需先将排气阀打开，待泵体吸空后，再停止电机运行，防止泵体突然停止工作后而产生的水锤冲击现象，造成底阀的损坏，确保排水系统的稳定性。

如果实现自动排水，需解决4个问题：①水位监测问题；②灌泵问题；③泵体是否灌满水判断问题；④停泵瞬间水锤冲击底阀问题。

图1 自动排气泄压阀剖视图

为解决以上问题，首先增加水位传感器，监测水位状态；其次，将截止阀并联1个24 V DC电磁阀，实现PLC控制灌泵；第三、也是最重要的环节，如图2，在抽水管上增加泄压排气阀装置，在该装置上安装2个水位传感器，传感器的位置在泵体表面以上。该装置类似于单向阀，当灌泵时水充满泵体后会沿着该装置溢出，传感器检测到水后，判断可以启动水泵电机；当停泵瞬间如果存在水锤效应，水流也会沿着该装置溢出，保护底阀。至此，实现自动排水的所有难题均已解决。

图2 自动控制水泵安装配置图

2 排水监控系统构成和工作原理

新的排水监控系统以PLC为控制核心，利用CPU处理器实现对煤矿井下排水监控系统的逻辑判断和处理，从而取代现有的人工判断、人工干预的排水控制方案，同时为了实现排水监控系统的远程监控和无人化值守，还需要将PLC接入井下环网，通过网络连接到地面监控中心内，同时，为了更好的与泵房系统融合，需将水泵开关与PLC实现信息传输，在信息传输时选择R S485串行通讯协议。基于PLC的煤矿井下排水监控系统原理如图3所示。

图3 基于PLC的井下排水监控系统框图

首先，通过水位传感器对水仓状态进行判断，高水位得到信号后，判定为需要排水，此时，PLC控制灌泵电磁阀进行灌泵，当泵体灌满水后，通过泄压排气阀溢出，在泄压排气阀上安装的水位传感器动作，此时，满足开泵条件，PLC给开关发出合闸信号，水泵电机启动，开始正常排水。在泵体上设置电接点压力表保护来检测水泵排水压力，同时电机电流也检测水泵是否上水，振动传感器可以检测电机运行时的震动情况，温度传感器检测轴温。当水泵发生吸空或堵管故障、压力降低或超过至设定上下限值、当控制开关的工作电流降至空载电流以下或超过工作电流以上、振动过大、温度过高，以上故障情况都被PLC采集，超过设定故障延时时间，自动停止水泵运行。在无故障的时候，当水仓低水位传感器动作，PLC给开关发出分闸信号，水泵停止运行。停泵时，如果产生水锤效应，泄压排气阀能自动泄压，减小对水泵以及底阀的冲击，保护系统。

3 井下排水系统水泵启动方案

为了满足井下排水系统安全、经济的工作要求，根据井下排水系统实际布置情况及积水区域的水位理论分析数据，针对性的制定了以下水泵启动方案：

1）将水仓区域的水位高度划分为低水位、高水位、危险水位3个等级，低水位到高水位之间为正常水位，高水位到危险水位之间为警戒水位。

2）井下采区泵房全部采用双回路模式，排水管路2趟、水泵2套、电源供电2回路，自动排水时，双回路全部投入使用，2个泵之间交替工作，这样可以最大限度的减少故障率，增加运行效率。

3）由于水沟运行能力有限，所有泵房同时只能开启1台水泵，否则可能造成淹巷，井下共有3个采区泵房，各个泵房之间通过井下工业环网建立联系，1个泵房有泵在运行时，其他泵房获取信息，此时其他泵房水仓高水位接收到信号后不启动水泵。当水仓区域的水位高度达到危险水位时，开启水泵同时通过环网停止其他泵房的水泵运行，确保同一时刻只有1台泵运行。

若水仓区域的水位继续上升，并且水泵无法运行，则表明水泵出现故障，则开启警报系统，通知井下检修人员去往现场检修水泵，排除故障。

4 基于PLC的井下排水监控系统的应用

目前该井下排水监控系统已投入应用了1年半，运行效率极高，故障率低，平时只需要简单的巡查，对泵体轴承注油及压盘根等工作即可，而且，3个采区泵房的同时实行，减少了12名泵房岗位工人员。改造后在地面监控中心即可实现对井下排水系统工作状态的实时监控，圆满的实现了最初对排水系统进行升级改造时的目标，其井下监控画面如图4所示。

图4 井下排水监控系统监控画面

5 结论

本文针对井下排水系统采用人工控制，自动化程度低、应急性不足的缺陷，从改造可行性和经济性出发，提出了一种基于PLC的煤矿井下排水监控系统，对该系统工作原理及在矿的应用情况进行了分析，结果表明：

1）本文将PLC技术应用于井下自动排水监控系统，其具有成本低、稳定性好的特点，能够最大限度的利用现有排水控制系统基础结构，改造成本低，经济性好。

2）针对井下排水系统的实际情况，设定了专门的排水控制逻辑，能够在确保排水安全的情况下大幅降低排水系统的工作成本。

3）通过在矿井的实际运行表明了该控制系统具有稳定性高、经济性好的优点，具有较大的应用推广价值。