PLC技術下煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘 要：針對煤礦井下PLC自動排水控制系統(tǒng)，研究其PLC控制設計和系統(tǒng)結構設計，并探討其實現(xiàn)方式，提高PLC技術下煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)水平，為煤礦井下安全提供保障。

關鍵詞：PLC技術：煤礦；井下排水；自動控制系統(tǒng)；設計與實現(xiàn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.199

煤礦井下排水狀況是關系采礦安全的一個重要因素，技術性要求較高，如果只依靠人工操作排水，不僅會增大工作人員負擔，而且會造成排水系統(tǒng)運行效率低等問題，影響排水效果。因此，設計以PLC技術為核心的煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)，對工作效率提升、工作量減輕等有著重要作用，可以有效提高煤礦井下作業(yè)安全性。

1 PLC技術下煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)的設計

（1）系統(tǒng)結構設計。本系統(tǒng)的設計目標是實現(xiàn)井下排水的無人值守自動化，需要系統(tǒng)具有自動控制、檢查設備，完成自動排水的功能，對此，采取的系統(tǒng)結構設計應包括三層，分別是管理層、控制層以及現(xiàn)場層，其中，管理層是通過上位機來進行人機對話、遠程控制，控制層是通過PLC完成相應的控制任務，現(xiàn)場層負責對井下情況的數(shù)據(jù)采集與上傳。

具體來說，該系統(tǒng)的結構主要包括：1）PLC遠程擴展單元，是系統(tǒng)的核心組成部分，具有數(shù)據(jù)存儲、運算、處理功能，根據(jù)運算結果，完成水泵的啟停；2）高壓柜綜保模塊，負責的是收集、傳遞電機運行參數(shù)，并維修電機故障；3）執(zhí)行部分，包括就地控制箱、PLC外圍電控機，具有控制放水門、配水電機、水泵等設備動作的功能；4）檢測部分，包括PLC檢測體系、開關量信號等，開關量信號是由放水門、真空泵、配水閥以及電動閘閥等提供的；5）人機界面：屬于PLC的外延設備，是排水系統(tǒng)水泵設備運行、煤礦井下排水等情況的顯示界面，也是工作人員管理排水系統(tǒng)的平臺[1]。

（2）網(wǎng)絡組成設計。在本系統(tǒng)的網(wǎng)絡組成設計中，主要包括兩大部分，分別是遠程監(jiān)控網(wǎng)絡與現(xiàn)場級控制網(wǎng)絡，其中，遠程監(jiān)控網(wǎng)絡使用的是工業(yè)以太網(wǎng)，功能是實現(xiàn)上位機與現(xiàn)場控制層間的數(shù)據(jù)交換，由于PLC采用的是西門子S7-300系列，為保證遠程監(jiān)控網(wǎng)絡結構的可靠，避免異構網(wǎng)絡安裝復雜的問題，在以太網(wǎng)通信模塊上，也需選擇西門S7-300系列對應的CP343-1，保證PLC、監(jiān)控之間以太網(wǎng)通信的順暢、可靠；此外，為避免電氣、磁場等因素對通信信號準確性的干擾，系統(tǒng)還采取了以太網(wǎng)、光纖傳輸技術。

在現(xiàn)場級控制網(wǎng)絡中，由于受控設備、監(jiān)測參數(shù)相對較多，傳統(tǒng)的接線方式不僅可靠性低，且難以維護，所以，應當設計采用現(xiàn)場總線技術，完成設備層、控制層間的數(shù)據(jù)傳輸。在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡中，其模式為Profibus-DP網(wǎng)絡，使用的是西門子ET200分布式I/O，能夠實現(xiàn)小數(shù)量級、快速的循環(huán)通信，通信數(shù)據(jù)格式主要為數(shù)字量、模擬量。

（3）排水警報監(jiān)控系統(tǒng)。排水警報監(jiān)控系統(tǒng)對PLC排水自動控制系統(tǒng)起著重要補充作用，主要包括鏡下電視監(jiān)視設備和通信系統(tǒng)，且能夠單獨使用，對各種條件的礦井都可以適應。在排水警報監(jiān)控系統(tǒng)中，通信系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)間是彼此獨立的，通信主線為光纖，可以盡量減少通信系統(tǒng)信號傳遞過程所受到的干擾，保證地面接收信號的真實、可靠；同時，為便于光纖信號傳遞，通過會先把電信號經(jīng)光端機處理后轉換為光信號，井下光端機進行還原，完成數(shù)據(jù)、語音的傳遞與分開，再通過井下設備把數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)较鄳膫鬏斀涌谥?，?jīng)由傳輸接口傳遞到各個分線盒中，語音信號被傳遞到對應話機[2]。

2 PLC技術下煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

（1）半自動控制方式。半自動控制是人工與自動控制結合一種控制方式，在此種方式下，操作人員可以通過PLC控制柜、終端監(jiān)控觸摸板等，監(jiān)控水泵的工作、啟停情況；并根據(jù)需要，通過觸摸板下達相應的啟停指令，操作命令會通過網(wǎng)絡傳遞到CPU中，PLC會根據(jù)控制邏輯，完成相應的水泵啟?？刂?。

（2）全自動控制方式。全自動控制方式就是完全以PLC進行控制的方式，操作人員只需要對系統(tǒng)工程進行監(jiān)測，自動控制系統(tǒng)會根據(jù)煤礦井下的水位情況，自動采取相應的控制措施，完成啟停。同時，井下排水全自動控制多遵循節(jié)能省電的運行原則，采取比例微分控制的方式，提高排水的經(jīng)濟性，在平時段、谷時段與峰時段的具體控制策略包括：盡量減少在峰段的抽水、降低谷段水位上限值來最大程度的降低谷段結束后煤礦井下水位。在全自動控制方式中，水位值的微分處理是一個重點內容，了解水位的變化情況，在水位出現(xiàn)突然加快等情況時，能夠采取提前啟動水泵等措施來加以控制，預防井下水過多造成的安全事故[3]。

（3）突發(fā)情況的控制。在煤礦井下，由于其地質狀況的復雜性、特殊性，其涌水是不可控制、難以預測的，可能會出現(xiàn)涌水事故，為預防涌水造成煤礦安全事故，應急排水也是井下排水自動控制系統(tǒng)的一項重要要求。所以，在PLC煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)中，設計涌水檢測是被，實現(xiàn)對涌水等突發(fā)情況的及時檢測，并將監(jiān)測信號傳遞到控制中心中，快速開啟連鎖防護裝置；同時，在井下排水管路等條件允許情況下，通過多臺水泵的同時啟動，來將涌水迅速排出，減輕其對煤礦造成的損失。

3 結語

綜上所述，煤礦井下排水系統(tǒng)是煤礦產生安全的重要保障，主要包括水泵、排水管、吸水管等，其傳統(tǒng)的運行方式大多是連續(xù)運行，存在工作效率低、能耗大、故障率高等弊端，難以達到當前煤礦生產的需求。PLC具有先進的控制功能，設計以PLC為核心的煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)，構建合適的系統(tǒng)結構，通過相應的網(wǎng)絡設計、模塊設計等，實現(xiàn)對排水系統(tǒng)各設施的實時監(jiān)控，優(yōu)化排水系統(tǒng)運行水平，提高排水系統(tǒng)的排水能力，對煤礦井下開采安全有著重要意義。

參考文獻：

[1]季振華.基于PLC的煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)設計研究[J].煤炭技術，2013（09）：86-88.

[2]蔡曉東.基于PLC的煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)設計[J].煤炭技術，2013（11）：93-94.

[3]陳維仁.煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2010（02）：163-164.

作者簡介：付勇（1983-），男，河北灤南人，工學學士，助理工程師，研究方向：煤礦井下供電、供排水。