矿井排水泵自动化智能化控制系统的设计

李 晨

（山西潞安化工集团漳村煤矿， 山西 长治 046032）

引言

矿井排水最主要的设备就是煤矿的主排水泵，该系统凭借人工操作，并不能实现自动匹配涌水量和排量，因此，如何使矿井水泵的自动化控制系统得以实现将是研究的最主要课题，在此之前，李毕针对如何选择矿井的主排水泵对型号进行过详细研究，由于要考虑较大的涌水量，因此，在对水泵进行选择时，不仅要选择流量比较大的设备，而且还把在选择水泵期间计算所有参数的方法给提出来[1]。白秀雷提出多功能水泵联动阀门，而且水泵联动阀门是新型的，经过对其进行仿真分析，得知多功能水泵联动阀所拥有的优点是较简单的结构，较好的结构成效，并以此为基础来优化矿井与井下的排水系统所具有的结构，而且使其可靠性得到提高。在本文中，以PLC 控制器为基础矿井的主排水泵控制系统研究与设计为基础，使自动化控制得以实现，并为矿井的防水提供参考。

1 现存状况与问题

矿井现代化机械设备具有稳定性与可靠性，在关于矿井的集约化与自动化标准方面的需求又有所增加，而且设备在正常运行时的状况也是矿井所需要的，包括对主排水系统的监控。在煤矿井下中，之前的主排水泵房控制系统所选取的操控技术就是固有的继电器，人工对水泵进行切换与开启、停止操控，无法根据参数或水仓的水位来实现自动化，并且有很多缺点存在于系统中，如高能耗、较低的维护与管理水平、较大的劳动强度等，不能使自动匹配涌水量和排量得以实现。为了使系统能够自我诊断实现运行的自动化，使设备的运行得到保证，电气改造主排水泵控制系统可以选取电气原件如传感器与PLC 可编程控制器继而把矿井集约化、自动化标准得到提升的措施给提出来。

2 PLC 矿井主排水控制系统设计

当对矿井排水时，排水系统内的排水泵只有1台，那么矿井排水所需要排出的量根本就不能完成，若是排水泵的数量增加了，尽管可以对开采矿井的所有需要得到满足，可是就会浪费管路资源，因此在通常状况下，排水泵被用于矿井正常运行的数量是1台，若有比较大的涌水量在矿井出现时，就会把排水泵中的剩余1 台进行启用，使2 台泵同时工作的模式开始实行。此外，把1 台水泵作为备用泵设置到矿区，因此，在排水系统内，需要的水泵一共是3 台，而且各个排水泵均存在离心排水设备与电控系统。

以下就是PLC 矿井主排水控制系统的主要功能：控制功能，排水功能的自动化是由PLC 的控制而实现；通信监控系统，对数据进行交换，可以由传输光缆与传感器来实现，使井下被井上所有调度与指挥得以实现；诊断故障功能，动态监管系统的电流、电压、温度等，可以由电流传感器、温度传感器来实现，若有电流、电压、温度比限定值大时，就会有报警发出，防止有事故发生；监控参数系统，监控参数，如管道压力、排水量、温度等，可以由人机界面来进行。

因为矿井中采用该设备，因此当对水泵进行配套设备的选择时，要把防爆考虑进去，在本文中，选定的三相异步电机一共有3 台，其电动机型号、功率、转速、额定电压分别是 YB25604-8900kW、900kW、1480r/min、10kV[2]。

2.1 检测单元

设计该系统的所有检测元件，在系统内，超声波流量计、压力传感器、温度传感器、水位传感器等都是检测单元。超声波传感器被用于水位传感器，超声波传感器的工作原理就是超声波被探头所发送出来，就会得到不一样的超声波数据被，按照声波不能在空气内良好传播，就会把探头与水位的距离给给出来，把配水箱布置到超声波传感器中，而且数量是2 个，避免水位太高。PT100 无源接触式传感器被温度传感器所使用。水管里面的全部压力信号被压力传感器所转化，就会把压力信号给的出来，PLC 控制器就接收其信号，进而能够判断电动阀的停止与开启。

2.2 控制系统

动态显示、自动监测、故障报警与自动控制构成了中央水泵。排水管的压力、电机的温度、水仓的水位等系统中的有关数据可以被自动监测出来，PLC 控制器就接收所传递过来的数据，并判断其信号，把控制指令给发出来，进而使排水泵的控制能够实现自动化。与此同时，上位机的主界面中会显示着以下参数，如排水管的压力、电机的温度、水仓的水位等，若有故障被检测系统所检测出来，不仅会有报警发出，而且还会有故障界面弹出，故障的有关数据被留存，用来对故障进行分析。图1 就是中央水泵的自动化控制系统硬件配置图。

从图1 中可以看出，在系统中最关键的部件就是PLC，其作用是存储与处理所监控的有关数据，控制指令被运算逻辑所输送出来，使对水泵进行开启与停止得到控制。把现场设备所具有的特征考虑进来，并对采集数据与控制的方式进行选择，而且选择的是I/O，对CPU 的选择，要选择的接口是有SINECL2-DP的CPU315-2DP，在本文中，远程处理的关键为选择的是西门子的ET200M。

图1 中央水泵的自动化控制系统硬件配置图

采集设备状态的是数字量输入模块，控制命令、闸阀到位信号、断路器状态、球阀到位信号等构成了开关量，把2 块开关量输入模块分别布置到PLC 控制器的2 边，开关量输入模块是32 路的。把1 块开关量输入模块布置到I/O 其中一部分中，开关量输入模块是32 路的。当使用到现场时，通信可以由串联RS-485、RS-232 通信模块来实现。

2.3 系统传感器

传感器主要作用就是采集水泵正常运行时的技术参数。电机电压、温度、压力值、功率、水仓水位等均为系统所应检测的数据中最主要的部分。按照现场的实际状况来对传感器进行选择[3]。

局部传感器与全局传感器构成了传感器，在检查整个系统的全部数据使选取超声液位仪的是全局传感器，而且全局传感器还与冗余结合双传感器，进一步提升准确度与可靠性。在检验系统使用自我诊断的是局部传感器，对比相邻阶段的有关数据，就会有数据曲线的形成。要按时分析数据曲线，若其中任意一阶段的数据发生波动比较大时，就会马上报警，使系统正常运行更加可靠与精准。

3 控制系统的软件设计

在设计系统软件时，下面几项功能是一定要具备的：备用选用与自动解除，能够当做备用机组的是排水泵的任意一台，而且当水泵处于停止状态时能够实施切换，若有故障发生在其中的任意1 台排水泵中时，能够尽快把备用解除，使运行始终是正常的；启动时可以使用手动，能够供给界面用于人工操作，能够人工开启设备中的部分设备；启动时可以按顺序，由于对启动时间设定了间隔启动，所以，使顺序启动电机得以实现；显示水位，若水仓水位比某个数值高与低时，就会把水位显示出来；自动控制，当监管是没有人时，仍能自己运转，若有较高的水位出现时，那么就要马上进行抽排，若有较低的水位出现时，那么就要马上进补水。系统自动控制软件流程图如图2 所示。

图2 系统自动控制软件流程图

对系统进行检测若有故障存在时，就会使系统实施手工操作，若故障不存在或排除故障之后，系统就会进行的操作是半自动、自动。当启动系统之后，首先要做的就是联通开关柜，并把I/O 处理程序启动，对运行方法的选择要依据判断来进行，而且选择的方法有3 种，运行模式的判断可由控制板安装按钮的实际位置来进行，若运行模式是自动操作，系统是自动运行的，使轮换工作得以完成，若有故障发生时，就会有停止报警发出来，若运行模式是半自动操作，想要排水泵中的哪台运行要由人工来进行选定，接下来在把自动模式开启，在对手动模式进行选定时，整个系统的运行都没有PLC 的参加。

4 应用效果分析

井下中央水泵控制系统经过改造与优化，基于用电所具有的峰谷与水仓水位是高是低的动态检测，系统对水泵的运行进行自动操控，减少了维护成本、电费与人工费用，在1 年节省了35 万元。也可以节省改造排水系统方面的有关费用。某矿自动化排水与人工手动排水的费用比较表如表1 所示。

表1 人工手动排水和自动化排水费用比较 万元

当改造系统之后，在真正运行时得知，以PLC 为基础的主排水泵控制系统，能够使自动匹配涌水量和排量得以实现，使主排水泵能够有效的运行，防止浪费其功率，而且在对水泵的控制系统进行设计之后，可以使其可以故障报警和故障识别的更准确，当运行时，识别的故障与报警分别是21 条与2 次，使主排水控制系统更加安全，保障矿井生产更加安全。