分布式PLC协同控制的矿山智能排水系统研究

张星　吴亚军　卢德建

摘要：针对多台水泵组成的矿山主排水系统传感器参数和输入输出变量较多、控制方式复杂以及接线杂乱等问题，文章设计一种分布式PLC控制的多传感融合智能排水系统。该系统采用多台PLC对水泵进行就地和远程集中控制，采用压力、温度、液位、流量等监测传感器对排水系统进行融合实时监测，可实现井下就地、井下集控手/自动、地面远程手/自动多种排水控制模式的实时自由切换，并根据水位水量和用电峰谷时间实现排水用电自动削峰填谷，同时具备多种运行参数和保护状态的采集、显示、异常报警及故障诊断功能，可实现排水方式的智能优化和井下水泵房的无人值守。

关键词：智能排水，多传感融合，分布式PLC，协同控制，无人值守

中图分类号：TP391.9

文献标识码：A

文章编号：1674-9545（2023）03-0018-（05）

DOI：10.19717/j.cnki.jjun.2023.03.004

主排水系统是保障矿山安全开采和有效运行的重要系统之一，其作用是将用于矿井生产的水和大量涌出水通过主排水设备排至地面，确保井下生产人员和设备的安全。编程快捷、稳定可靠的PLC（可编程控制器）技术广泛应用于矿山主排水系统。

随着矿山自动化、智能化建设的推进，目前矿山主排水系统基本实现自动远程控制以及少人、无人值守。矿山的开采规模越来越大，井下每天的涌水量不断增加，主排水系统采用的水泵数量也随之增加。为了保证水泵正常运行，每台水泵的监测参数多达十几个，比如：正压、负压、电压、电流、主电机绕组温度、主电机和水泵前后轴温度、位移保护、缺水保护等运行参数。水泵数量越多，监测其运行的传感器数量、接线以及控制方式越复杂。因此，文章提出一种基于分布式PLC的多传感器融合监测监控的智能排水系统，该系统由一个集控站和若干个就地站组成，集控站控制器采用S7-1200PLC，就地站控制器采用S7-200smartPLC。集控站和就地站通过工业以太网通讯，每个就地站控制1～2台主排水泵，可实现就地手动、集控手/自动、地面远程手/自动控制的多模式自主切换。

1分布式PLC排水系统设计

整个排水控制系统由多种传感器、井下就地控制系统、井下集中控制系统、液压闸阀控制系统和地面上位机监控系统组成。

1.1井下就地控制系统

井下就地控制系统由就地站和多种传感器组成，各种传感器信号线，水泵、真空泵和液压油泵的电机控制线接入就地站PLC对应的I/O接线端子，如图1所示。就地站可实现接入水泵的就地单元控制，与其他就地站接入水泵互不影响。就地控制是实现井下集中控制和地面远程控制的基础。

1.2井下集中控制系统

井下集中控制系统由传感器、集控站、操作台和触摸屏组成。流量、液位和油压传感器信号线、操作台输入输出控制线接入集控站PLC，集控站和就地站内部均配置工业以太网交换机，并通过工业以太网进行通讯。触摸屏采用昆仑通态MCGSE组态软件，通过工业以太网与集控站通讯，实时显示整个排水系统所有设备运行参数，如图2所示。

1.3液压闸阀控制系统

液压闸阀控制系统由液压站和水泵出口闸阀组成，其功能是开闭闸阀，调节水泵出口压力和管路流量。液压站由油泵电机、换向电磁阀以及高低压电磁阀组成，出口闸阀由闸阀和开关电磁阀组成。闸阀打开时，高压电磁阀、换向电磁阀、闸阀开电磁阀同时动作；闸阀关闭时，高压电磁阀、低压电磁阀、闸阀关电磁阀同时动作。该系统采用程序优化方法，将液压站的两台油泵电机和管路闸阀的开关电磁阀接入就地控制箱，液压站的高、低压电磁阀及换向电磁阀接入集控箱。就地箱可以通过就地控制程序直接启动油泵，还可以通过集控程序传值给就地控制程序，从而启动油泵。集控程序传值给就地程序打开闸阀的开关电磁阀，同时就地程序回传值到集控程序打开液压站的高、低压电磁阀或高压及换向电磁阀，从而打开管路闸阀。此方法大大简化了系统接线，降低了线路造价。

1.4地面上位机远程监控

地面上位机监控系统由组态软件和工控计算机组成，上位机通过工业以太网与集控站下位机PLC进行通讯，采用组态软件开发矿井主排水系统现场模拟画面，并进行动画连接现场运行参数变量，从而对现场设备的实时参数和运行状态进行监控，对排水系统进行远程控制，如图3所示。

1.5传感器选择与布置

就地站作為水泵的基础控制单元，监控每台水泵运行状态和实时参数的监测传感器接入就地站PLC的I/O端子排，集控站对全部水泵进行集中控制，流量、液位和油压监测传感器接入集控站。各种监测传感器的型号选择如表1所示。

1.6分布式PLC通讯方式

西门子Snap7 是一个基于以太网与S7系列的西门子PLC通讯的开源库。支持包括S7系列的S7-200、S7-200 Smart、S7-300、S7-400、S7-1200以及S7-1500的以太网通信。采用S7通讯来实现就地站-集控站-上位机之间的通讯。步骤如下：

①打开博途软件，在设备组态的PLC CPU属性中找到以太网地址设置并添加新子网PN/IE_1；

②在设备组态的PLC CPU属性中找到防护与安全中的连接机制，勾选允许来自远程对象的PUT/GET通信访问；

③添加完子网PN/IE_1后，选择网络视图后点击连接，选择S7连接；

④选中设备组态CPU，点击右键，添加新连接S7_连接_1，双击此连接，在常规选项中填写S7-200 Smart IP地址；

⑤R_1处填写从站存储区地址，SD_1处填写主站存储区地址；

⑥完成分布式PLC之间的通讯，实现变量之间的数据传输与数据写入。

2多种控制模式

分布式PLC控制的排水系统控制模式有井下就地手动、井下集控手/自动、地面上位机远程手/自动控制模式，可以根据现场情况进行实时自由切换。

2.1井下就地手动模式

就地手动控制是分布式PLC排水系统最基本的控制方式，是实现集控和地面远程控制模式的基础，其控制流程和就地控制程序决定着整个排水系统的正常运行。由于水泵、真空泵、油泵、真空球阀、出口闸阀的控制线路全部接入就地站，可以从就地站操作面板直接进行启泵和停泵操作。

启泵顺序：水泵、管路、真开泵、油泵选择→打开电动球阀→启动真空泵抽真空→真空度满足条件后启动油泵→启动水泵→正压和电流满足条件后打开闸阀→闸阀开到位后关闭真空泵、油泵和电动球阀。

停泵顺序：启动油泵→关闭闸阀→闸阀关到位后关闭水泵。

2.2井下集控手自动模式

实现井下集控手/自动控制模式的基础是集控站的PLC控制程序，按照手/自动启停泵流程逻辑编写集控程序，就地站PLC程序内部设置远程控制V区变量，通过设置S7通讯将就地站PLC程序的控制变量与集控程序DB数据块对应的控制变量进行映射，采用以太网通讯进行传值。集控站手动模式通过集控站操作台上的各种按钮可以直接控制对应的水泵、油泵、真空泵和出口闸阀的开关等设备，启泵之前进行真空泵、油泵、水泵及管路选择，再按照流程操作即可。

集控站自动控制模式，也称一键启动，其采用顺序控制方式，按照启/停泵流程进行步控制。将档位选择置于自动挡，选择对应的真空泵、油泵、水泵和管路后，按下自动启动按钮开始自动排水流程。按照流程一步一步执行，如图6和图7所示。

2.3地面远程手自动模式

地面远程手自动控制模式是通过上位机与集控站PLC下位机进行以太网通讯，利用上位机组态软件对集控站进行手动和自动控制。利用上位机组态软件模拟现场动态画面并设置手动、自动操作按钮与集控站PLC控制变量进行连接，在地面调度室就可以进行远程手、自动操作，即实现无人值守。

（1）远程手动控制：远程控制是指操作人员在异地通过工业以太网连接需要被控制的设备，将被控设备的桌面环境显示到自己的计算机上，通过本地计算机对远方设备进行配置、修改等工作。当系统处于远程手动控制方式时，可以在地面控制室灵活操作各个球阀、水阀、真空阀以及水泵、真空泵按顺序启动。矿山智能排水系统由组态王软件作为上位机通过Internet与S1200 PLC相连来实现远程控制。

（2）远程自动控制：系统具有远程自动控制的功能。当系统处于远程自动控制方式时，可以在地面控制室一键启/停水泵。

3智能报警与故障诊断

PLC控制系统的运行过程是循环扫描，当系统采集到的信息符合排水控制程序内部设置的参数时，系统可以正常运行。比如：闸阀无故障；正负压达到运行条件；温度、电流、振动、位移、水位等模拟量满足设定参数。当以上条件都达到时，可以按照启停泵流程进行手动或者一键自动模式进行排水。若以上模拟量或装置检测到异常，则系统会进行报警，同时进行相应的闭锁，禁止系统运行以保护水泵等各种设备，直到故障解除，按下故障复位才能重新运行排水系统。通过触摸屏组态故障记录画面可以找出故障点所在位置，便于排查修复故障。

4结语

文章设计的基于分布式PLC的矿山多传感融合智能排水系统已在淮南地区某煤矿试运行，运行期间，各监测传感器采集的参数正常，系统各种控制模式运行正常。经过一段时间的运行，可以做到电机的均匀磨损、削峰填谷，大大提升了电力资源的使用效率。实现该系统正常运行的关键是就地控制程序和集控程序间的通讯，即分布式PLC之间的通讯程序。该系统七台水泵共用一个液压系统（两台油泵电机）和四台真空泵，因此液压系统和真空泵的稳定运行和自由切换至关重要。实际运行过程中，排水稳定，效率较高，可以进行多种控制模式的自由切换。

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Research on Mine Intelligent Drainage System Based on

Distributed PLC Collaborative Control

ZHANG Xing，WU Yajun，LU Dejian

（1School of Mechanical and Electrical Engineering， Huainan Normal University，

Huainan， Anhui 232001，China）

ABSTRACT Aiming at the problems of many sensor parameters and input and output variables， complex control methods and messy wiring in the mine main drainage system composed of multiple pumps， a distributed PLC controlled multi-sensor fusion intelligent drainage system was designed. The system used multiple PLCs to control the water pumps locally and remotely， and used monitoring sensors such as pressure， temperature， liquid level， and flow to monitor the drainage system in real time. Real-time free switching of remote manual/automatic multiple drainage control modes， and automatic peak-shaving and valley-filling of drainage power consumption according to water level and volume and peak-valley time of power consumption. At the same time， it had the collection， display and abnormal alarm of various operating parameters and protection states and fault diagnosis function， could realize intelligent optimization of drainage mode and unattended underground water pump room.

KEY WORDS Intelligent drainage； multi-sensor fusion； distributed PLC； collaborative control； unattended

（責任编辑 王一诺）