基于P L C的煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)的研究

梁 濤 徐金秀 于進(jìn)杰

（1.淮南礦業(yè)集團(tuán) 張集煤礦，安徽 淮南 232007；2.安徽鴻路集團(tuán)，安徽 合肥 231131；3.中國人民解放軍裝甲兵學(xué)院，安徽 蚌埠 233000）

0 引言

煤礦在開采時，地層中可能有大量的水涌出，大量的礦井水持續(xù)不斷地匯集到井下，而且，突發(fā)的突水事故會讓涌水量顯著增加，積水如果不能立即排送到地表，井下開采會受到嚴(yán)重阻礙，甚至?xí)斐芍卮蟮拿旱V安全事故，所以及時有效的把井下積水排出至關(guān)重要。

1 系統(tǒng)原理及組成

1.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)有自動和手動相互切換功能，可實(shí)現(xiàn)無人值守。自動控制指系統(tǒng)按照編好的程序自動實(shí)現(xiàn)對水泵、真空泵以及其它一些與之關(guān)聯(lián)設(shè)備的啟動和停止，各設(shè)備之間均可實(shí)現(xiàn)連鎖控制；手動控制由操作人員根據(jù)實(shí)際需求，按照一定順序來控制水泵及其相關(guān)聯(lián)設(shè)備的啟動和停止，單臺泵和各設(shè)備之間無聯(lián)鎖控制。

該系統(tǒng)利用PLC等器件采集并處理壓力、真空度、水倉水位、電壓、電流、溫度等井下參數(shù)，對水泵的運(yùn)行狀況開展實(shí)時監(jiān)控，當(dāng)PLC接收到來自操作臺發(fā)出的控制命令時，可控制水泵等相應(yīng)設(shè)備的啟動和停止工作，還能夠?qū)⑦\(yùn)行的實(shí)時數(shù)據(jù)利用工業(yè)以太網(wǎng)傳到上位機(jī)，并利用上位機(jī)監(jiān)測和控制井下排水設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

該系統(tǒng)最終可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控，在自動控制方式下可按照水倉水位等參數(shù)的變化自動打開或關(guān)閉閥門，控制水泵的啟動和停止，并設(shè)置高水位報警以及其他的故障報警功能，該系統(tǒng)還對系統(tǒng)參數(shù)開展實(shí)時監(jiān)控，對排水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行合理優(yōu)化，使系統(tǒng)能夠高效率的工作。而且還可將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，完成實(shí)時數(shù)據(jù)的記錄與存儲，歷史數(shù)據(jù)的查詢等多種功能。

1.2 系統(tǒng)組成

圖1 井下主排水自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)主要由交換機(jī)、PLC控制箱、顯示操作臺、上位機(jī)、閥門、光纜、傳感器以及防爆攝像儀等設(shè)備組成，自上而下可分為管理層、控制層和現(xiàn)場層。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器通過工業(yè)以太網(wǎng)與井下的3個防爆攝像儀通信，用來實(shí)時監(jiān)控井下中央主水泵房的運(yùn)行狀況；管理層的上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控煤礦井下自動排水系統(tǒng)，并通過交換機(jī)和傳輸光纜與控制層的PLC控制箱進(jìn)行信息交換，現(xiàn)場層水泵及其閥門設(shè)備的相關(guān)參數(shù)也可傳輸至上位機(jī)，并通過上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在中央水泵房里，將從3個防爆攝像儀中接出的3芯光纖與從PLC控制箱里接出的2芯光纖共5芯光纖一并接入光纖接線盒中，再利用一根8芯光纜（留3芯備用）連到地表的光纖接線盒中，將信號傳輸至地表，再利用光端機(jī)將信號變成工業(yè)以太網(wǎng)信號傳輸至交換機(jī)，從而使網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器與上位機(jī)獲取以太網(wǎng)信號。

控制層由PLC控制箱與顯示操作臺兩部分組成。PLC控制箱為排水控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集中心與核心控制部件，該控制箱采集水泵及閥門等關(guān)聯(lián)設(shè)備的實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)，并和管理層的上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)的交換，對各水泵及關(guān)聯(lián)設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控；顯示控制臺可顯示各設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，并對水泵及關(guān)聯(lián)設(shè)備實(shí)施就地控制。

現(xiàn)場層包括水泵及閥門等相關(guān)聯(lián)的設(shè)備，另加3個防爆攝像儀。防爆攝像儀被安裝在井下水泵房中，主要監(jiān)控水泵房的工作現(xiàn)狀水泵及閥門等相關(guān)聯(lián)的設(shè)備包括電動閥門及各種傳感器等，例如真空閥；電動閘閥；電磁閥；設(shè)備開停傳感器；壓力傳感器；真空度檢測傳感器；液位傳感器；流量傳感器；溫度傳感器；水泵開停傳感器等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2 中央水泵房的排水管路

該控制系統(tǒng)主要由五個模塊組成：CPU模塊、模擬量輸入輸出模塊、擴(kuò)展 I/O模塊（輸入輸出 40點(diǎn)型）、以太網(wǎng)模塊、電源模塊等。

井下中央水泵房的排水管路如圖2所示。從圖中可看出，每臺水泵均連接在1#主排水管路和 2#副排水管路上，并在其支路上各裝有排水閥，排空管路上各安裝有一套主、副真空閥。主副排水管路上均裝有流量傳感器，每臺水泵吸水口裝有負(fù)壓力傳感器，可用于檢測水泵的真空度，水泵出水口裝有正壓力傳感器，在水泵電機(jī)上裝有PT100溫度傳感器，檢測電機(jī)和水泵的軸溫，傳感器的信號電流大小范圍為4mA～20mA。

水倉中裝有兩組液位傳感器，一組為數(shù)字液位開關(guān)，為3套浮球液位開關(guān)，根據(jù)浮球的浮沉狀況來設(shè)置4個液位高度，使系統(tǒng)能鑒別出水位的升降，自動控制水泵；另一組為超聲波傳感器，用來感應(yīng)水倉水位的微小變化，可在上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中顯示具體的變化值，主要用于判斷井下水位的升降趨勢。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用德國西門子公司的 S7-300系列的 PLC，其編譯環(huán)境為SIEMENS STEP7-Micro/WIN，該編程軟件操作方便、實(shí)用，可在普通電腦Windows操作系統(tǒng)中運(yùn)行，本系統(tǒng)采用STEP7-Micro/WIN V4.0 SP3軟件版本，通過軟件提供的LAD梯形圖語言進(jìn)行編輯該系統(tǒng)程序。

主程序包含兩個方面，分別為通電延時程序與子程序的調(diào)用。進(jìn)行上電延時，是給PLC留有足夠的啟動時間，防止開機(jī)誤操作，本系統(tǒng)設(shè)置了4S的延時時間，S7-300系列PLC程序的運(yùn)行是并行處理進(jìn)行，所以子程序的調(diào)用就不必考慮先后順序，CPU進(jìn)行周期性的連續(xù)不斷的掃描主程序，掃描各子程序，子程序的調(diào)用如圖3所示。

圖3 子程序的調(diào)用

4 組態(tài)監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)

組態(tài)監(jiān)控畫面主要由主界面、趨勢圖、歷史報表、實(shí)時報表、歷史報警、遠(yuǎn)程控制和幫助界面等。為了防止誤操作，使系統(tǒng)更加安全可靠，系統(tǒng)設(shè)置了多個的用戶權(quán)限。用戶由系統(tǒng)管理員與操作員構(gòu)成，系統(tǒng)管理員權(quán)限最高，可任意配置用戶權(quán)限并可添加用戶。此外還為能夠設(shè)置參數(shù)的遠(yuǎn)程操作界面配備了訪問權(quán)限，這個頁面只允許操作員以及系統(tǒng)管理員能夠登陸，其他界面無訪問權(quán)限，可隨意訪問，這樣可以防止非操作人員對數(shù)據(jù)參數(shù)的改動。而且系統(tǒng)還設(shè)置了20分鐘無操作，登錄狀況自動退出的保護(hù)功能。

每一個登陸界面都有頁眉工具欄，包括操作菜單以及實(shí)時時間顯示等。在系統(tǒng)管理中能夠進(jìn)行注銷、登錄與用戶配置等操作；在系統(tǒng)畫面中能夠選擇當(dāng)前的顯示窗口；工具菜單中能夠選擇軟件說明或進(jìn)入幫助界面。

主界面設(shè)置為開機(jī)時的主界面，即排水自控系統(tǒng)的運(yùn)行顯示界面。該界面主要用來對系統(tǒng)的部分設(shè)備的實(shí)時參數(shù)以及控制流程的監(jiān)控，并設(shè)置有實(shí)時報警功能、水泵工作電流電壓數(shù)據(jù)的實(shí)時參數(shù)顯示功能，主界面如圖4所示。

圖4 主界面監(jiān)控圖

5 結(jié)束語

通過該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，整個系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，不但可以實(shí)現(xiàn)就地控制和遠(yuǎn)程控制，更能將一切影響設(shè)備正常運(yùn)行的參數(shù)引到控制程序中，使該系統(tǒng)的通用性得到明顯提高，適用范圍更加廣泛。通過工業(yè)以太網(wǎng)，將井下的水位高度、電機(jī)溫度、電壓等信息實(shí)時傳送到地面監(jiān)控室，完成了地面對井下排水信息的遠(yuǎn)程調(diào)度，并可以將井下監(jiān)控信息集成化，提高集成度。

［1］彭澄偉,徐振棟,等.礦井主排水泵自動控制系統(tǒng)研究[J].煤炭工程,2008(6)：76-77.

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［3］陳潔現(xiàn).代 PLC控制技術(shù)與發(fā)展[J].精密制造與自動化,2004(4)：48-49.

［4］譚一川.煤礦工業(yè)水泵自動化監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D].重慶大學(xué),2009：4-5.

［5］章立.PLC控制在井下排水系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用[J].中州煤炭,2011,7：30-54.