基于PLC 技术的矿井排水系统远程自动化控制系统研究

赵美丽， 武小波

（1.山西科达自控股份有限公司， 山西 太原 030006；2.山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿， 山西 吕梁 035300）

引言

传统的矿井排水系统依赖于继电器技术运行工作，因而以人工的方式来开动水泵开关，并进行转换控制，这种控制形式是无法达到自动监测和控制水位需求的，为井下采煤工作的开展造成了一定的阻碍，其一方面需要人力来完成设备操作，形成了较大的人力成本，同时工作人员的作息制度也在一定程度上影响了生产流程，加之人工测量的精确性无法得到保证，造成了一定的安全隐患，对于行业管理水平和技术发展造成了一定的影响。因而基于PLC 技术的矿井排水系统远程自动化控制系统费的引入可以实现对矿井排水的全方位监控。

1 矿井排水控制系统和PLC 集控功能分析

1.1 矿井排水控制系统

矿井排水控制系统包括操作员站和历史站这两个部分。其中前者的功能在于及时监控当前系统的运行状态，在需要时即可进行检修，一旦发生涌水情况则可及时发布报警信息；而历史站则可以对于以往的数据信息进行储存，可以实现查询功能；而最大电力监测系统则可以收集用电负荷情况，水泵控制站则可以对水泵进行相关控制操作，具体见图1。

1.2 PLC 集控系统功能要求

一般来说，PLC 集控系统的功能有以下几点：第一，控制功能，该功能的实现可以借助于PLC 程序对于排水功能进行自动化设计；第二，故障诊断功能，可以结合所获取的监测数据来进行分析，诊断水泵运行状态，从而及时发现安全隐患，具体数据包括有电流、电压以及温度等；第三，参数显示，借助无人机界面实时显示的水泵运行数据来让工作人员掌握水泵运行情况；最后，通信监控功能，该功能需要借助于光纤通信网络来实现，将井下水泵和地面控制中心进行连通[1-2]。

2 PLC 集控系统架构层次

本设计中的PLC 控制技术井下主排水泵自动控制系统的构成形式为分布集控式，具体可以分为三个层级，分别是地面监控层、通信逻辑层以及设备层。组件方面则包括了四个部分，分别是CPU 主站、数据采集和处理系统、监控系统和通信系统。下面分别对三个系统层级进行介绍。

2.1 地面监控层

地面监控层的设备包括有工况机、工业电视和监控组态组件，经由覆盖整个矿井的网络来和井下不同作业面中的PLC 组件进行连接。其中工况机和监控设备的相关软件可以及时采集主排水泵的作业参数，并且将相关信息传输到地面控制站上，让技术人员可以基于所获取的数据进行相关操作。

在本系统的设备选型上，传感器应用SIEMENS公司的超声波液位计，该设备具有较高的精确度，且安装简单该设备可以分别设置在两个水仓，可以及时实现井下水位监控的功能，传感器探头发射超声波，并采集反射超声波数据，通过计算时间差来判断液面和探头之间的高度差，进而完成液面的测算，同时借助于网络将信号传播出去。

2.2 通信逻辑层

通信逻辑层在PLC 集控系统当中处于核心位置，主要经由PLC 技术来收集水泵的运行数据，并通过逻辑分析来完成对故障的判断。在作业过程中，PLC 系统可以结合所采集的水仓水位变化情况来远程操作水泵的开关。同时还可以收集水泵和配套设施的其他数据，如管压、设备温度等，这些信息都会在工况机显示屏上得到显示，让地面技术人员可以更好地掌握井下排水泵的运行情况。

2.3 设备层

设备层主要是井下排水设备，如主泵、电机、管道和阀门等。可以在排水系统中装设传感设备，并且将手控阀门改换为电控阀门，同时为了实现自动操控水泵开关，还要替换真空泵。除此之外，为确保PLC 系统避免出现故障，则要将闸阀替换为电动手动两用闸阀，让系统安全稳定性得到保证。

3 集控系统程序和组态软件设计

3.1 集控系统程序设计

在设计PLC 程序的过程中，还需要通过对硬件模块和软件系统的调整来实现各种网络配套模块，并且还要具备实时输入模块数据的功能，明确组态I/O 模块地质，这样才能进一步开展系统远程控制。在PLC 设备的启动过程中，其操作步骤如下：首先，对于系统进行初始化设置，之后选择是否进行自动控制，进而进入系统控制程序。在控制程序流程当中还包括有不同类型的功能模块，可以随使用需求的不同来自行选用，如水泵控制、水位检测、故障判断等。图2 为控制程序流程图。

在作业过程中，可使用STEP7 工具进行工作，并通过在线连接的形式来调试程序，这样一来，动态数据检测、数据强制更新、I/O 数据信号的启闭等一系列功能都成为现实。

3.2 组态软件功能设计

该系统中的软件功能设计主要是指设计人机交互UI 界面，该界面需要友好易懂，从而让工作人员能够迅速掌握相关信息。该软件设计是基于WINCC智能监控软件来完成的，在作业的过程中，可以及时对采集数据进行分析，并将其总结为趋势图和矢量图，让工作人员可以及时掌握设备的工作情况。与此同时，数据也处于动态变化之中，可以在可视化监测技术的支持下远程查看系统的工作情况，掌握故障类型、方位。除此之外，在人机交互界面选择触摸屏设备，可以让工作人员能够更好地掌握水泵的情况并进行及时控制，有效地提高了程序的易用性和有效性，为信息的处理带来了便利。

4 结语

矿井排水系统直接关系到煤矿开采工作的顺利开展，在过去的矿井排水系统当中，其操作方式为继电器，但是随着国家对于煤矿安全问题重视程度的不断提升，传统的继电器已经无法适应企业开采需求，PLC 技术的应用已经成为了一种趋势。PLC 全自动矿井排水技术有助于实现开采科学化、信息化，让采矿效率得到了保证，更确保了工作人员的安全，因而针对其进行分析有一定的现实意义。本文简要介绍了PLC 系统的作用和应用于矿井排水系统中的设计过程，总而言之，将自动化排水系统应用于矿井开采工作当中优势较为明显，对现有的煤矿开采技术进行革新有一定的现实意义。