基于組態(tài)監(jiān)控和PLC技術構建下的煤礦排水系統(tǒng)設計芻議

天地（常州）自動化股份有限公司 湯慶勇

在煤礦生產過程中，排水系統(tǒng)是非常重要的組成部分，也是保證煤礦安全生產的主要內容?，F階段，大部分均是采用繼電器控制完成煤礦排水系統(tǒng)的控制，并且需要人工操作水泵的開停以及選擇切換，無法實現水位或者其它參數的自動開停與水泵調節(jié)，在一定程度上，影響了煤礦排水系統(tǒng)的運行效率，進而降低的煤礦生產的經濟效益。所以，一定要加強組態(tài)監(jiān)控、PLC技術的運用，促進煤礦排水系統(tǒng)的高效運行，實現煤礦生產效益的提高。

一、煤礦排水系統(tǒng)設計的構成與工作原理

(一)系統(tǒng)設計構成

系統(tǒng)主要是由PLC、兩臺大功率三相水泵、變頻器、一臺壓力變送器與其它控制設施共同構成，其中變頻器主要就是對三相水泵進行軟啟動，以及實現變頻調速，水位傳感器主要就是將當前的水位信號轉變成標準電流信號，大概在4-20毫安之間，利用A/D轉換模塊將這些電流信號輸送至PLC中，在此過程中實現水位信號的測量，并且對水位信號進行相應的對比，之后進行邏輯運算，最后將運算得到的結果輸送至變頻器，變頻器再結合結果進行相應的數據輸出，進而實現對水泵轉速的調節(jié)。與此同時，在測得水位信號之后，也可以通過PLC輸送至上位機，利用組態(tài)軟件展開動態(tài)測試；而上位機通過向PLC輸出控制信號的方式，對水泵起停、速度切換等進行有效的控制。

(二)工作原理

在設計排水系統(tǒng)的時候，一定要使其具備相應的自動化，進而需要采用連續(xù)閉環(huán)的PID控制系統(tǒng)，結合既定水位值與實際水位值的對比，根據PLC系統(tǒng)的PID邏輯運算進行相應的計算，之后向系統(tǒng)輸出調節(jié)信號，實現對變頻器輸出頻率的控制，并且加強對水泵電動機組的有效控制，進而實現對排水系統(tǒng)排水量的有效調節(jié)。在排水系統(tǒng)進行作業(yè)的時候，可以將其工作原理抽象為連續(xù)單閉環(huán)的PID控制系統(tǒng)。當系統(tǒng)進行正常作業(yè)的時候，水位傳感器就會將煤礦中的水位信號轉變?yōu)橄鄳碾娏餍盘?，大概?-20毫安之間，之后輸送至PLC的PID調節(jié)器當中，在此過程中，對既定水位值與實際水位值進行對比，得到相應的規(guī)律，進而予以相應的處理，通常情況下，可以將PID調節(jié)器規(guī)律設置為比例(P)、積分(I)、微分(D)，之后結合使用人員設置的P、I、D參數進行相應的計算，進而輸出相應的信號，對變頻器作業(yè)頻率進行有效的控制與調節(jié)，進而實現水泵電動機組轉速與自動排水流量的有效控制與調節(jié)，促進煤礦生產的正常進行。

實際工作原理：水位傳感器會對煤礦實際水位值進行測量，之后經過相應的反饋，輸送至比較器輸入端，進而與既定水位值展開相應的對比，當煤礦實際水位值比較大的時候，通過參數的相關計算，對PID參數進行有效的調節(jié)，逐漸增加變頻器的作業(yè)頻率，進而實現水泵轉速的不斷加大，增加排水量，進一步降低煤礦中的實際水位。反之，如果煤礦實際水位值比較小的時候，可以通過參數的計算，調節(jié)PID參數，逐漸降低變頻器的作業(yè)頻率，減小水泵的工作轉速，降低排水量，實現煤礦實際水位的穩(wěn)定下降，保證煤礦生產的可持續(xù)發(fā)展。

在此排水系統(tǒng)中，一般均需要設計兩臺常用水泵，當煤礦中積水比較少的時候，就可以利用變頻器對一號水泵進行控制，實現煤礦水位的降低，當煤礦積水量不斷增加的時候，一定要加強一號水泵工作的頻率，而當一號水泵工作的頻率達到最高的時候，煤礦積水水位依然沒有達到設計要求時，就需要把一號水泵切換至工頻電源上，實現電量供應。在二號水泵展開有關積水排除作業(yè)的時候，一定要利用變頻器將其切換至二號水泵之后，才可以進行有效的作業(yè)。當二號水泵工作的頻率降低至0以后，隨著排水量的逐漸降低，其頻率也就隨之變化。此時，需要在排水量比較大時，及時關掉工頻電源供應的一號水泵，保證二號水泵的正常運行，并且進行一定的提速，促進煤礦生產的正常進行。

二、煤礦排水系統(tǒng)硬件設計

在此排水系統(tǒng)中，PLC選用的一般均為施奈德TWIDO系列，型號是TWDLAFAODRF的一體型PLC，其主要就是24路輸入，14路繼電器輸出，2路晶體管輸出，并且具有支持以太網通訊、以太網RJ-45口、PID運算等功能。當選用施奈德ATV31型號變頻器盡心作業(yè)的時候，其模擬量擴展模塊需要使用兩入一出的TIVDAMM3I-IT型號。其中要求變頻器與模擬量模塊進行直接連接，保證模擬量輸入信號為2路，第1路為水位傳感器輸送的電流信號，傳達至IN0；第2路為變頻器輸出的頻率信號，直接反饋至IN1。針對變頻器A11端而言，可以直接利用模擬量輸出的電壓信號，進行相應的輸入，并且實現變頻器頻率的有效調節(jié)。

三、煤礦排水系統(tǒng)軟件設計

在進行系統(tǒng)軟件設計的時候，可以利用PLC的PID調節(jié)器進行一定的輸出調節(jié)。PLC主要就是一種采樣控制，其可以結合采樣時間偏差展開相關的運算，進而得到相應的控制量。在進行實際應用的時候，需要將信息的PID控制算式轉變?yōu)閷嶋H運用的PID算式。之后，對PID算式展開離散化的模擬處理。最后，利用后向差分變換法，將離散化模擬的PID算式進行差分處理，形成相應的方程，這樣才可以進行輸出值的計算。

理想模擬的PID算式為：

設其采樣周期為TS，初始時間為0，其第n次的采樣偏差也就是en，控制輸出是Mn，之后進行相應的轉換得到模擬的PID離散化算式為：

式中：Mn表示第n次的控制輸出值；KC表示PID回路增益；en表示第n次的采樣偏差；en-1表示第n-1次的采樣偏差；TS表示采樣周期。

通過模擬PID離散化算式可以看出，從第一個采樣周期一直到目前的采樣周期，整個過程中存在的全部錯誤差項就是積分項內容。

通過計算機的采樣之后，保證每一個采樣值偏差都要進行一些輸出值的計算，只有這樣，才可以實現積分項前值與偏差前值得有效保存。通過計算機的處理與計算，可以將模擬的PID離散化算式進一步簡化為：

式中：MX表示積分項前值。

四、煤礦排水系統(tǒng)監(jiān)控設計

為了可以更好的實現排水系統(tǒng)的設計功能，保證各水泵與閥門的正常運行，有效讀出各水位值與流量值等參數，并且進行相應的報警顯示與故障記錄，一定要加強力控組態(tài)軟件的運用，即PCAuto6.0，將其當成是上位機管理軟件，通過力控組態(tài)軟件和PLC系統(tǒng)間的數據通訊，完成系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。

(一)新建工程

在力控組態(tài)軟件中進行新建工程的時候，只需要在工程管理器中命名工程名稱，如“XXX礦井排水”，這樣就完成了新建工程。之后點擊“開發(fā)系統(tǒng)”，進行新系統(tǒng)的開發(fā)。

(二)定義外設I/O連接

同力控組態(tài)軟件進行數據通訊的設備就是I/O設備，這些設備能夠利用以太網或者串口和上位機之間展開一定的數據通訊；只有在明確I/O設備之后，才可以保證力控組態(tài)軟件數據與I/O設備數據進行通訊。

在Draw導航器中，找到“I/O設備驅動”選項，之后進行雙擊，選擇“PLC”選項，再進行雙擊，然后選擇相應的廠商名稱，并且選擇相應的項目“MODBUS”。雙擊項目“MODBUS”，彈出對話框“I/O設備定義”，在“設備名稱”中輸入相應的名稱，并且在“設備地址”中輸入“1”，通訊方式選“串行口通訊”。

(三)定義數據庫變量

在整個監(jiān)控系統(tǒng)當中，DB數據庫就是核心，其作用就是實現對整個監(jiān)控系統(tǒng)實時數據、歷史數據、服務請求、報警信息等展開分析、儲存、統(tǒng)計、處理，其基本單位就是點。

(四)建立I/O數據連接

將數據庫點和外部采集設備通道地址進行一一對應，進而在上位機與下位機的I/O地址中進行有效的通訊，這樣才可以實現對生產現場中各點工作狀態(tài)的監(jiān)控。

(五)組態(tài)畫面設計和鏈接

利用軟件繪圖工具或者圖庫，結合煤礦生產的具體情況繪制煤礦排水系統(tǒng)監(jiān)控畫面。在設計動畫或者圖形的時候，可以構建不同動畫鏈接，實現對不同變量與對象的監(jiān)控，并且建立一定的關系。通常情況下，鏈接方式就是雙擊。

(六)運行和維護

在完成力控組態(tài)工程之后，就可以進行相應的調試、運行，對設計數據庫與監(jiān)控畫面等組態(tài)內容進行保存。同時對外圍硬件設備與連線進行檢查，保證其運行安全、可靠，這樣才可以進行外圍設備的供電。在后期運行的過程中，一定要加強定期維護，保證系統(tǒng)與設備的正常運行，促進煤礦生產效率的提高。

五、結束語

總而言之，在煤礦生產過程中，加強對組態(tài)監(jiān)控與PLC技術的應用，可以簡化硬件結構，降低生產成本，實現控制的高效性。并且通過PLC技術的應用，還可以加強水泵的穩(wěn)定運行，防止啟動沖擊電網；有效調節(jié)水泵速度，延長水泵使用年限，并且節(jié)能，具有良好的社會效益與經濟效益。同時，通過組態(tài)軟件的應用，可以加強數據的動態(tài)顯示，保證故障信息與運行數據的及時掌握，確保了煤礦生產的順利進行。

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