基于PLC井下主排水泵綜合自動(dòng)化控制的研究

摘 要：智能高效的地排放礦井涌水，對保障煤礦安全生產(chǎn)意義重大。本系統(tǒng)采用PLC和組態(tài)軟件對井下排水系統(tǒng)進(jìn)行智能控制，中心控制器采用S7-300系列PLC，利用傳感器對各參數(shù)進(jìn)行采集，通過軟件編程等完成了避峰就谷、自動(dòng)輪換等節(jié)能優(yōu)化排水過程，本系統(tǒng)還具有故障監(jiān)測和保護(hù)功能，主要包括過壓、過流、漏電保護(hù)、水泵漏水保護(hù)、流量、壓力保護(hù)。上位機(jī)使用組態(tài)王進(jìn)行操作，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)時(shí)顯示信息，井下排水調(diào)試運(yùn)行證明該系統(tǒng)提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省能耗，降低了生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：PLC；組態(tài)；智能高效；遠(yuǎn)程控制

引言

現(xiàn)在許多煤礦采用傳統(tǒng)的繼電器控制方法代替煤礦工作人員的監(jiān)測的方法是非常復(fù)雜的[1-3]，并且需要一個(gè)相對繁重的人力消耗。為了滿足礦井排水系統(tǒng)的需求，采用PLC和組態(tài)軟件結(jié)合設(shè)計(jì)自動(dòng)化排水系統(tǒng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，不僅提高了水泵的運(yùn)行和使用效率，更重要的是節(jié)省能耗，降低生產(chǎn)成本。同時(shí)，本系統(tǒng)具有故障監(jiān)測和保護(hù)功能[4]。

1 排水系統(tǒng)的控制

1.1 排水系統(tǒng)的總體控制要求

（1）水泵自動(dòng)運(yùn)行原則；（2）“避峰填谷”原則；（3）系統(tǒng)保護(hù)原則：a.漏水保護(hù)；b.超溫保護(hù)；c.過電流保護(hù)；d.兩種工作方式切換；e.系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控原則。

1.2 排水系統(tǒng)的控制策略

水泵房中水泵的運(yùn)行主要是根據(jù)液位傳感器提供的液位，結(jié)合自動(dòng)控制程序，在保證安全條件下的水倉水位和水倉所能容納的最大涌水量做出相應(yīng)的判斷，決定投入運(yùn)行的水泵數(shù)量和運(yùn)行時(shí)間。由于煤礦井下的水位條件非常復(fù)雜，無法建立精確的數(shù)學(xué)模型對涌水量進(jìn)行準(zhǔn)確的定量描述，所以，選擇九點(diǎn)控制策略，通過對水位信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，根據(jù)相鄰兩次采集的水位變化量和采集的時(shí)間間隔得到水位的變化率，并以此作為系統(tǒng)的控制依據(jù)水位的變化量和變化率，進(jìn)而提高了排水系統(tǒng)應(yīng)對不規(guī)則的涌水能力。

九點(diǎn)控制策略的基本原理如圖1所示，該控制策略的核心即為九點(diǎn)控制器。控制系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定被控制量的基準(zhǔn)值，此基準(zhǔn)設(shè)定值與傳感器檢測的數(shù)值比較得到誤差 ，此誤差作為九點(diǎn)控制器的輸入量。

圖1 九點(diǎn)控制器原理框圖

在圖1中，r即為系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值；c為傳感器檢測的數(shù)值即為系統(tǒng)的輸出量；e為控制參量的變化量，由系統(tǒng)設(shè)定的基準(zhǔn)值 r與系統(tǒng)的被控量c之間的差值，即e=r-c。uc為九點(diǎn)控制器的輸出量，是根據(jù)控制參量的變化量e和控制參量的變化率■的實(shí)際狀態(tài)所決定的。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 排水系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

為滿足上述基本要求，系統(tǒng)的控制部分硬件是以S7-300可編程控制器為核心控制芯片。在此PLC基礎(chǔ)上，又?jǐn)U展了模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、通信模塊和上位機(jī)監(jiān)控中心。圖2為系統(tǒng)硬件整體框圖。

圖2 控制系統(tǒng)硬件整體框圖

2.2 傳感器的選擇

2.2.1 井下水倉液位檢測傳感器。本系統(tǒng)采用投入式液位傳感器，該傳感器是一種測量液位的壓力傳感器，基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用隔離型擴(kuò)散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。

2.2.2 溫度傳感器。系統(tǒng)選擇工業(yè)用的紅外測溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)擊的軸溫。原理是將物體發(fā)射的紅外線具有的輻射能轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，紅外線輻射能的大小與物體本身的溫度相對應(yīng)，根據(jù)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)大小，可以確定物體的溫度。

2.3 排水管路系統(tǒng)的閥門選型

本系統(tǒng)所選用的電動(dòng)閘閥是ZB180-24/400型礦用隔爆型電動(dòng)閘閥，并配有KXBC系列隔爆型控制箱，該控制箱是ZB系列電動(dòng)閥門的專用控制裝置，具有短路保護(hù)、過載保護(hù)、欠壓保護(hù)等功能，并設(shè)置了行程控制、遠(yuǎn)方/就地控制的切換功能，反饋到PLC的到位等信號(hào)皆為無源點(diǎn)輸出，有較強(qiáng)的抗干擾能力。電動(dòng)球閥選用了QMB5型隔爆電動(dòng)球閥，密封性好、動(dòng)作速度快、動(dòng)作可靠、故障率低。控制電壓為DC24V，可由PLC輸出繼電器直接驅(qū)動(dòng)，采用霍爾傳感器檢測到位信號(hào)，比傳統(tǒng)的機(jī)械觸電更為準(zhǔn)確，提高了控制精度。

2.4 水管流量監(jiān)測

本系統(tǒng)選用LCZ-803型超聲波時(shí)差流量計(jì)，該流量計(jì)采用了先進(jìn)的多脈沖技術(shù)、信號(hào)數(shù)字化處理技術(shù)及糾錯(cuò)技術(shù)，能夠有效地抵抗來自變頻設(shè)備的干擾、電磁場的干擾和系統(tǒng)流態(tài)的干擾。

2.5 真空度檢測

本系統(tǒng)選用KGY4型負(fù)壓（壓力）傳感器，屬于礦用本質(zhì)安全型設(shè)備，可對管道中的氣體的差力壓進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，并實(shí)時(shí)的顯示被測點(diǎn)的差壓值。

2.6 水泵出口壓力檢測

本系統(tǒng)選用KGY7型壓力傳感器，屬于礦用本質(zhì)安全型設(shè)備，可對管道中的氣體、液體的壓力進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，并實(shí)時(shí)的顯示被測點(diǎn)的表壓值。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該井下排水系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)中要包括：主程序設(shè)計(jì)、水泵自動(dòng)運(yùn)行子程序設(shè)計(jì)、“避峰填谷”子程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)保護(hù)子程序設(shè)計(jì)、兩種工作方式切換子程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)初始化子程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示：

在系統(tǒng)開始運(yùn)行后，首先需要是檢查PLC是否有故障，設(shè)備是否有故障，如果有故障，系統(tǒng)馬上停止，等待工作人員檢測排除故障。在主程序中，選擇系統(tǒng)的運(yùn)行方式，是手動(dòng)運(yùn)行還是自動(dòng)運(yùn)行，以及選擇那個(gè)水泵那個(gè)管道記性具體的選擇。如圖4所示：

圖4 操作方式選擇流程圖

4 通信及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)在使用的是西門子的315-2PN/DP CPU，CPU本身集成了工業(yè)以太網(wǎng)接口，可以直接使用網(wǎng)線將現(xiàn)場的PLC和工控機(jī)連接在一起。在工控機(jī)中安裝SIMATIC NET作為OPC服務(wù)器，組態(tài)軟件中OPC LINK作為標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口，這樣上位機(jī)組態(tài)軟件就可以和下位機(jī)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換了。

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)控總體示意圖

本系統(tǒng)采用組態(tài)軟件為“組態(tài)王”，該軟件開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)明顯。根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行流程，本系統(tǒng)需要按照排水系統(tǒng)的具體要求畫出如下操作畫面：水泵房需監(jiān)測的量主要有水位，水泵吸水管真空度，水泵出水口壓力，水泵電機(jī)軸溫度，電機(jī)定子溫度，出水管流量等。其中總監(jiān)視畫面、手動(dòng)畫面、歷史曲線畫面如圖6-圖8所示：

圖6 水泵房流程畫面

圖7 手動(dòng)畫面

圖8 歷史曲線畫面

5 結(jié)束語

文中針對煤礦井下排水設(shè)備自動(dòng)化程度不高的現(xiàn)狀，研究設(shè)計(jì)了PLC 控制與上位機(jī)相結(jié)合的煤礦井下自動(dòng)排水系統(tǒng)。系統(tǒng)選用S7-300 系列PLC和“組態(tài)王”軟件編制的自動(dòng)監(jiān)測程序，用其監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行情況及各個(gè)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了泵房無人值守、設(shè)備安全可靠運(yùn)行，減少了人力投入，提高了工作效率。

參考文獻(xiàn)

[1]李澤松.井下水泵房自動(dòng)排水系統(tǒng)研究[M].太原：太原理工大學(xué)，2005.

[2]李美霞.煤礦排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中小企業(yè)管理與科技，2009（36）：253.

[3]李井民.礦井主排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法探討[J].科技信息，2010（6）：58-60.

[4]欒振輝，廖玲利.煤礦機(jī)械PLC控制技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

作者簡介：王軍，本科生，電氣工程及其自動(dòng)化。

摘 要：智能高效的地排放礦井涌水，對保障煤礦安全生產(chǎn)意義重大。本系統(tǒng)采用PLC和組態(tài)軟件對井下排水系統(tǒng)進(jìn)行智能控制，中心控制器采用S7-300系列PLC，利用傳感器對各參數(shù)進(jìn)行采集，通過軟件編程等完成了避峰就谷、自動(dòng)輪換等節(jié)能優(yōu)化排水過程，本系統(tǒng)還具有故障監(jiān)測和保護(hù)功能，主要包括過壓、過流、漏電保護(hù)、水泵漏水保護(hù)、流量、壓力保護(hù)。上位機(jī)使用組態(tài)王進(jìn)行操作，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)時(shí)顯示信息，井下排水調(diào)試運(yùn)行證明該系統(tǒng)提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省能耗，降低了生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：PLC；組態(tài)；智能高效；遠(yuǎn)程控制

引言

現(xiàn)在許多煤礦采用傳統(tǒng)的繼電器控制方法代替煤礦工作人員的監(jiān)測的方法是非常復(fù)雜的[1-3]，并且需要一個(gè)相對繁重的人力消耗。為了滿足礦井排水系統(tǒng)的需求，采用PLC和組態(tài)軟件結(jié)合設(shè)計(jì)自動(dòng)化排水系統(tǒng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，不僅提高了水泵的運(yùn)行和使用效率，更重要的是節(jié)省能耗，降低生產(chǎn)成本。同時(shí)，本系統(tǒng)具有故障監(jiān)測和保護(hù)功能[4]。

1 排水系統(tǒng)的控制

1.1 排水系統(tǒng)的總體控制要求

（1）水泵自動(dòng)運(yùn)行原則；（2）“避峰填谷”原則；（3）系統(tǒng)保護(hù)原則：a.漏水保護(hù)；b.超溫保護(hù)；c.過電流保護(hù)；d.兩種工作方式切換；e.系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控原則。

1.2 排水系統(tǒng)的控制策略

水泵房中水泵的運(yùn)行主要是根據(jù)液位傳感器提供的液位，結(jié)合自動(dòng)控制程序，在保證安全條件下的水倉水位和水倉所能容納的最大涌水量做出相應(yīng)的判斷，決定投入運(yùn)行的水泵數(shù)量和運(yùn)行時(shí)間。由于煤礦井下的水位條件非常復(fù)雜，無法建立精確的數(shù)學(xué)模型對涌水量進(jìn)行準(zhǔn)確的定量描述，所以，選擇九點(diǎn)控制策略，通過對水位信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，根據(jù)相鄰兩次采集的水位變化量和采集的時(shí)間間隔得到水位的變化率，并以此作為系統(tǒng)的控制依據(jù)水位的變化量和變化率，進(jìn)而提高了排水系統(tǒng)應(yīng)對不規(guī)則的涌水能力。

九點(diǎn)控制策略的基本原理如圖1所示，該控制策略的核心即為九點(diǎn)控制器。控制系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定被控制量的基準(zhǔn)值，此基準(zhǔn)設(shè)定值與傳感器檢測的數(shù)值比較得到誤差 ，此誤差作為九點(diǎn)控制器的輸入量。

圖1 九點(diǎn)控制器原理框圖

在圖1中，r即為系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值；c為傳感器檢測的數(shù)值即為系統(tǒng)的輸出量；e為控制參量的變化量，由系統(tǒng)設(shè)定的基準(zhǔn)值 r與系統(tǒng)的被控量c之間的差值，即e=r-c。uc為九點(diǎn)控制器的輸出量，是根據(jù)控制參量的變化量e和控制參量的變化率■的實(shí)際狀態(tài)所決定的。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 排水系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

為滿足上述基本要求，系統(tǒng)的控制部分硬件是以S7-300可編程控制器為核心控制芯片。在此PLC基礎(chǔ)上，又?jǐn)U展了模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、通信模塊和上位機(jī)監(jiān)控中心。圖2為系統(tǒng)硬件整體框圖。

圖2 控制系統(tǒng)硬件整體框圖

2.2 傳感器的選擇

2.2.1 井下水倉液位檢測傳感器。本系統(tǒng)采用投入式液位傳感器，該傳感器是一種測量液位的壓力傳感器，基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用隔離型擴(kuò)散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。

2.2.2 溫度傳感器。系統(tǒng)選擇工業(yè)用的紅外測溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)擊的軸溫。原理是將物體發(fā)射的紅外線具有的輻射能轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，紅外線輻射能的大小與物體本身的溫度相對應(yīng)，根據(jù)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)大小，可以確定物體的溫度。

2.3 排水管路系統(tǒng)的閥門選型

本系統(tǒng)所選用的電動(dòng)閘閥是ZB180-24/400型礦用隔爆型電動(dòng)閘閥，并配有KXBC系列隔爆型控制箱，該控制箱是ZB系列電動(dòng)閥門的專用控制裝置，具有短路保護(hù)、過載保護(hù)、欠壓保護(hù)等功能，并設(shè)置了行程控制、遠(yuǎn)方/就地控制的切換功能，反饋到PLC的到位等信號(hào)皆為無源點(diǎn)輸出，有較強(qiáng)的抗干擾能力。電動(dòng)球閥選用了QMB5型隔爆電動(dòng)球閥，密封性好、動(dòng)作速度快、動(dòng)作可靠、故障率低?？刂齐妷簽镈C24V，可由PLC輸出繼電器直接驅(qū)動(dòng)，采用霍爾傳感器檢測到位信號(hào)，比傳統(tǒng)的機(jī)械觸電更為準(zhǔn)確，提高了控制精度。

2.4 水管流量監(jiān)測

本系統(tǒng)選用LCZ-803型超聲波時(shí)差流量計(jì)，該流量計(jì)采用了先進(jìn)的多脈沖技術(shù)、信號(hào)數(shù)字化處理技術(shù)及糾錯(cuò)技術(shù)，能夠有效地抵抗來自變頻設(shè)備的干擾、電磁場的干擾和系統(tǒng)流態(tài)的干擾。

2.5 真空度檢測

本系統(tǒng)選用KGY4型負(fù)壓（壓力）傳感器，屬于礦用本質(zhì)安全型設(shè)備，可對管道中的氣體的差力壓進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，并實(shí)時(shí)的顯示被測點(diǎn)的差壓值。

2.6 水泵出口壓力檢測

本系統(tǒng)選用KGY7型壓力傳感器，屬于礦用本質(zhì)安全型設(shè)備，可對管道中的氣體、液體的壓力進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，并實(shí)時(shí)的顯示被測點(diǎn)的表壓值。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該井下排水系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)中要包括：主程序設(shè)計(jì)、水泵自動(dòng)運(yùn)行子程序設(shè)計(jì)、“避峰填谷”子程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)保護(hù)子程序設(shè)計(jì)、兩種工作方式切換子程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)初始化子程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示：

在系統(tǒng)開始運(yùn)行后，首先需要是檢查PLC是否有故障，設(shè)備是否有故障，如果有故障，系統(tǒng)馬上停止，等待工作人員檢測排除故障。在主程序中，選擇系統(tǒng)的運(yùn)行方式，是手動(dòng)運(yùn)行還是自動(dòng)運(yùn)行，以及選擇那個(gè)水泵那個(gè)管道記性具體的選擇。如圖4所示：

圖4 操作方式選擇流程圖

4 通信及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)在使用的是西門子的315-2PN/DP CPU，CPU本身集成了工業(yè)以太網(wǎng)接口，可以直接使用網(wǎng)線將現(xiàn)場的PLC和工控機(jī)連接在一起。在工控機(jī)中安裝SIMATIC NET作為OPC服務(wù)器，組態(tài)軟件中OPC LINK作為標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口，這樣上位機(jī)組態(tài)軟件就可以和下位機(jī)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換了。

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)控總體示意圖

本系統(tǒng)采用組態(tài)軟件為“組態(tài)王”，該軟件開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)明顯。根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行流程，本系統(tǒng)需要按照排水系統(tǒng)的具體要求畫出如下操作畫面：水泵房需監(jiān)測的量主要有水位，水泵吸水管真空度，水泵出水口壓力，水泵電機(jī)軸溫度，電機(jī)定子溫度，出水管流量等。其中總監(jiān)視畫面、手動(dòng)畫面、歷史曲線畫面如圖6-圖8所示：

圖6 水泵房流程畫面

圖7 手動(dòng)畫面

圖8 歷史曲線畫面

5 結(jié)束語

文中針對煤礦井下排水設(shè)備自動(dòng)化程度不高的現(xiàn)狀，研究設(shè)計(jì)了PLC 控制與上位機(jī)相結(jié)合的煤礦井下自動(dòng)排水系統(tǒng)。系統(tǒng)選用S7-300 系列PLC和“組態(tài)王”軟件編制的自動(dòng)監(jiān)測程序，用其監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行情況及各個(gè)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了泵房無人值守、設(shè)備安全可靠運(yùn)行，減少了人力投入，提高了工作效率。

參考文獻(xiàn)

[1]李澤松.井下水泵房自動(dòng)排水系統(tǒng)研究[M].太原：太原理工大學(xué)，2005.

[2]李美霞.煤礦排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中小企業(yè)管理與科技，2009（36）：253.

[3]李井民.礦井主排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法探討[J].科技信息，2010（6）：58-60.

[4]欒振輝，廖玲利.煤礦機(jī)械PLC控制技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

作者簡介：王軍，本科生，電氣工程及其自動(dòng)化。

摘 要：智能高效的地排放礦井涌水，對保障煤礦安全生產(chǎn)意義重大。本系統(tǒng)采用PLC和組態(tài)軟件對井下排水系統(tǒng)進(jìn)行智能控制，中心控制器采用S7-300系列PLC，利用傳感器對各參數(shù)進(jìn)行采集，通過軟件編程等完成了避峰就谷、自動(dòng)輪換等節(jié)能優(yōu)化排水過程，本系統(tǒng)還具有故障監(jiān)測和保護(hù)功能，主要包括過壓、過流、漏電保護(hù)、水泵漏水保護(hù)、流量、壓力保護(hù)。上位機(jī)使用組態(tài)王進(jìn)行操作，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)時(shí)顯示信息，井下排水調(diào)試運(yùn)行證明該系統(tǒng)提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省能耗，降低了生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：PLC；組態(tài)；智能高效；遠(yuǎn)程控制

引言

現(xiàn)在許多煤礦采用傳統(tǒng)的繼電器控制方法代替煤礦工作人員的監(jiān)測的方法是非常復(fù)雜的[1-3]，并且需要一個(gè)相對繁重的人力消耗。為了滿足礦井排水系統(tǒng)的需求，采用PLC和組態(tài)軟件結(jié)合設(shè)計(jì)自動(dòng)化排水系統(tǒng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，不僅提高了水泵的運(yùn)行和使用效率，更重要的是節(jié)省能耗，降低生產(chǎn)成本。同時(shí)，本系統(tǒng)具有故障監(jiān)測和保護(hù)功能[4]。

1 排水系統(tǒng)的控制

1.1 排水系統(tǒng)的總體控制要求

（1）水泵自動(dòng)運(yùn)行原則；（2）“避峰填谷”原則；（3）系統(tǒng)保護(hù)原則：a.漏水保護(hù)；b.超溫保護(hù)；c.過電流保護(hù)；d.兩種工作方式切換；e.系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控原則。

1.2 排水系統(tǒng)的控制策略

水泵房中水泵的運(yùn)行主要是根據(jù)液位傳感器提供的液位，結(jié)合自動(dòng)控制程序，在保證安全條件下的水倉水位和水倉所能容納的最大涌水量做出相應(yīng)的判斷，決定投入運(yùn)行的水泵數(shù)量和運(yùn)行時(shí)間。由于煤礦井下的水位條件非常復(fù)雜，無法建立精確的數(shù)學(xué)模型對涌水量進(jìn)行準(zhǔn)確的定量描述，所以，選擇九點(diǎn)控制策略，通過對水位信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，根據(jù)相鄰兩次采集的水位變化量和采集的時(shí)間間隔得到水位的變化率，并以此作為系統(tǒng)的控制依據(jù)水位的變化量和變化率，進(jìn)而提高了排水系統(tǒng)應(yīng)對不規(guī)則的涌水能力。

九點(diǎn)控制策略的基本原理如圖1所示，該控制策略的核心即為九點(diǎn)控制器。控制系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定被控制量的基準(zhǔn)值，此基準(zhǔn)設(shè)定值與傳感器檢測的數(shù)值比較得到誤差 ，此誤差作為九點(diǎn)控制器的輸入量。

圖1 九點(diǎn)控制器原理框圖

在圖1中，r即為系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值；c為傳感器檢測的數(shù)值即為系統(tǒng)的輸出量；e為控制參量的變化量，由系統(tǒng)設(shè)定的基準(zhǔn)值 r與系統(tǒng)的被控量c之間的差值，即e=r-c。uc為九點(diǎn)控制器的輸出量，是根據(jù)控制參量的變化量e和控制參量的變化率■的實(shí)際狀態(tài)所決定的。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 排水系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

為滿足上述基本要求，系統(tǒng)的控制部分硬件是以S7-300可編程控制器為核心控制芯片。在此PLC基礎(chǔ)上，又?jǐn)U展了模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、通信模塊和上位機(jī)監(jiān)控中心。圖2為系統(tǒng)硬件整體框圖。

圖2 控制系統(tǒng)硬件整體框圖

2.2 傳感器的選擇

2.2.1 井下水倉液位檢測傳感器。本系統(tǒng)采用投入式液位傳感器，該傳感器是一種測量液位的壓力傳感器，基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用隔離型擴(kuò)散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。

2.2.2 溫度傳感器。系統(tǒng)選擇工業(yè)用的紅外測溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)擊的軸溫。原理是將物體發(fā)射的紅外線具有的輻射能轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，紅外線輻射能的大小與物體本身的溫度相對應(yīng)，根據(jù)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)大小，可以確定物體的溫度。

2.3 排水管路系統(tǒng)的閥門選型

本系統(tǒng)所選用的電動(dòng)閘閥是ZB180-24/400型礦用隔爆型電動(dòng)閘閥，并配有KXBC系列隔爆型控制箱，該控制箱是ZB系列電動(dòng)閥門的專用控制裝置，具有短路保護(hù)、過載保護(hù)、欠壓保護(hù)等功能，并設(shè)置了行程控制、遠(yuǎn)方/就地控制的切換功能，反饋到PLC的到位等信號(hào)皆為無源點(diǎn)輸出，有較強(qiáng)的抗干擾能力。電動(dòng)球閥選用了QMB5型隔爆電動(dòng)球閥，密封性好、動(dòng)作速度快、動(dòng)作可靠、故障率低?？刂齐妷簽镈C24V，可由PLC輸出繼電器直接驅(qū)動(dòng)，采用霍爾傳感器檢測到位信號(hào)，比傳統(tǒng)的機(jī)械觸電更為準(zhǔn)確，提高了控制精度。

2.4 水管流量監(jiān)測

本系統(tǒng)選用LCZ-803型超聲波時(shí)差流量計(jì)，該流量計(jì)采用了先進(jìn)的多脈沖技術(shù)、信號(hào)數(shù)字化處理技術(shù)及糾錯(cuò)技術(shù)，能夠有效地抵抗來自變頻設(shè)備的干擾、電磁場的干擾和系統(tǒng)流態(tài)的干擾。

2.5 真空度檢測

本系統(tǒng)選用KGY4型負(fù)壓（壓力）傳感器，屬于礦用本質(zhì)安全型設(shè)備，可對管道中的氣體的差力壓進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，并實(shí)時(shí)的顯示被測點(diǎn)的差壓值。

2.6 水泵出口壓力檢測

本系統(tǒng)選用KGY7型壓力傳感器，屬于礦用本質(zhì)安全型設(shè)備，可對管道中的氣體、液體的壓力進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，并實(shí)時(shí)的顯示被測點(diǎn)的表壓值。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該井下排水系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)中要包括：主程序設(shè)計(jì)、水泵自動(dòng)運(yùn)行子程序設(shè)計(jì)、“避峰填谷”子程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)保護(hù)子程序設(shè)計(jì)、兩種工作方式切換子程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)初始化子程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示：

在系統(tǒng)開始運(yùn)行后，首先需要是檢查PLC是否有故障，設(shè)備是否有故障，如果有故障，系統(tǒng)馬上停止，等待工作人員檢測排除故障。在主程序中，選擇系統(tǒng)的運(yùn)行方式，是手動(dòng)運(yùn)行還是自動(dòng)運(yùn)行，以及選擇那個(gè)水泵那個(gè)管道記性具體的選擇。如圖4所示：

圖4 操作方式選擇流程圖

4 通信及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)在使用的是西門子的315-2PN/DP CPU，CPU本身集成了工業(yè)以太網(wǎng)接口，可以直接使用網(wǎng)線將現(xiàn)場的PLC和工控機(jī)連接在一起。在工控機(jī)中安裝SIMATIC NET作為OPC服務(wù)器，組態(tài)軟件中OPC LINK作為標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口，這樣上位機(jī)組態(tài)軟件就可以和下位機(jī)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換了。

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)控總體示意圖

本系統(tǒng)采用組態(tài)軟件為“組態(tài)王”，該軟件開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)明顯。根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行流程，本系統(tǒng)需要按照排水系統(tǒng)的具體要求畫出如下操作畫面：水泵房需監(jiān)測的量主要有水位，水泵吸水管真空度，水泵出水口壓力，水泵電機(jī)軸溫度，電機(jī)定子溫度，出水管流量等。其中總監(jiān)視畫面、手動(dòng)畫面、歷史曲線畫面如圖6-圖8所示：

圖6 水泵房流程畫面

圖7 手動(dòng)畫面

圖8 歷史曲線畫面

5 結(jié)束語

文中針對煤礦井下排水設(shè)備自動(dòng)化程度不高的現(xiàn)狀，研究設(shè)計(jì)了PLC 控制與上位機(jī)相結(jié)合的煤礦井下自動(dòng)排水系統(tǒng)。系統(tǒng)選用S7-300 系列PLC和“組態(tài)王”軟件編制的自動(dòng)監(jiān)測程序，用其監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行情況及各個(gè)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了泵房無人值守、設(shè)備安全可靠運(yùn)行，減少了人力投入，提高了工作效率。

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作者簡介：王軍，本科生，電氣工程及其自動(dòng)化。