基于PLC的井下自動(dòng)排水控制系統(tǒng)研究

白 飛

（山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，大同 037009）

在煤礦開采過程中，往往會(huì)涌出大量地下含水，地表水在滲透作用下也會(huì)在井下匯集，井下水量過多不但會(huì)影響正常的煤礦開采作用，更會(huì)帶來嚴(yán)重的安全隱患，危及作業(yè)作業(yè)人員的生命安全。因此，井下排水是煤礦生產(chǎn)過程中的重要安全措施，開發(fā)一套可靠、節(jié)能的井下排水系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 井下排水系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

早期采用手動(dòng)的排水設(shè)備來對(duì)井下的水進(jìn)行抽除，但落后的排水方式只能適用于小型煤礦或才礦井水量較小的情況，無法應(yīng)對(duì)透水等突發(fā)事件[1]?，F(xiàn)今各種自動(dòng)化設(shè)備和智能化系統(tǒng)開始廣泛應(yīng)用煤礦井下排水，大大提高了煤礦開采的安全性[2]。在集成電路和各種可編程邏輯器件的發(fā)展下，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、自動(dòng)預(yù)警、智能預(yù)測(cè)等更加先進(jìn)完善的功能，現(xiàn)代控制理論、模糊控制、專家系統(tǒng)等應(yīng)用到井下排水系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)的智能化水平[3]。

2 當(dāng)前井下排水系統(tǒng)的不足

當(dāng)前廣泛采用的井下排水系統(tǒng)以手動(dòng)操作為主，所有的運(yùn)作都需要人的控制來完成，各種操作手柄和機(jī)械儀表較多，智能化程度極低。具體而言，當(dāng)前的煤礦井下排水系統(tǒng)存在以下不足：（1）可靠性差。由于當(dāng)前的井下排水系統(tǒng)需要頻繁的人工干預(yù)才能完成排水作業(yè)，受人的經(jīng)驗(yàn)和熟練程度影響較大。系統(tǒng)中大量的機(jī)械觸點(diǎn)在長期使用中容易出現(xiàn)拒動(dòng)或誤操作。（2）效率低。現(xiàn)有的井下排水系統(tǒng)以人工操作為主，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的功能不多，依賴于人的手工操作來完成各種復(fù)雜的排水作業(yè)，其工作效率自然不高。（3）成本高。在缺乏自動(dòng)化控制的條件下，排水系統(tǒng)的所有關(guān)鍵操作都需要由人來操作，占用大量人才物力，維護(hù)費(fèi)用也居高不下。（4）智能程度低?，F(xiàn)有的井下排水系統(tǒng)僅具備基本的排水功能，對(duì)于一些較高級(jí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、故障診斷、報(bào)警預(yù)警等功能還未涉及。

3 基于PLC的井下自動(dòng)排水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由井下水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)和井上調(diào)度中心兩大部分構(gòu)成，其中前者又包括了水泵綜合控制箱、井下水倉、離心泵、射流泵、強(qiáng)排潛水泵、吸水管路、排水管路、傳感器、電動(dòng)閘閥、種類通信設(shè)備、供電系統(tǒng)等模塊，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行井下排水與數(shù)據(jù)采集任務(wù)；井上高度中心則由工控機(jī)、服務(wù)器、交換機(jī)等組成，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)分析與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示與預(yù)警等功能。各采集、處理與顯示設(shè)備之間采用TCP/IP通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。根據(jù)煤礦井下排水的具體需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了水泵控制、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與監(jiān)測(cè)、自動(dòng)注水、閘閥控制、電機(jī)自動(dòng)控制、強(qiáng)排設(shè)備控制、參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)通訊、系統(tǒng)保護(hù)、工作方式切換和遠(yuǎn)程管理等豐富的功能。

3.2 自動(dòng)排水控制設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止主要受井下水位的控制。井下水位傳感器會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位的動(dòng)態(tài)變化，并不斷地把數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC主控單元，PLC接收到數(shù)據(jù)后會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算與分析，與系統(tǒng)內(nèi)的預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，如果水位高度大于預(yù)設(shè)值，PLC將發(fā)送一條啟動(dòng)指令，水泵電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)系統(tǒng)開始排水作業(yè)。系統(tǒng)在排水過程中，井下水位持續(xù)下降，水位信息實(shí)時(shí)傳送給PLC主控單元，當(dāng)水位低于預(yù)設(shè)值時(shí)，PLC將向水泵電機(jī)發(fā)出一條停止指令，水泵電機(jī)接收到命令后停止運(yùn)行。系統(tǒng)同時(shí)具備手動(dòng)控制與自動(dòng)控制功能，當(dāng)有人值守的時(shí)候，可由值班人員手動(dòng)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者井下出現(xiàn)特殊情況需要啟停系統(tǒng)時(shí)，須通過手動(dòng)控制來實(shí)現(xiàn)。

3.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.3.1 關(guān)鍵設(shè)備選型

本系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備包括PLC芯片、水泵電機(jī)控制箱、軟啟動(dòng)控制器和綜合連接器。采用了西門子S7-1200作為主控芯片，該芯片內(nèi)部集成了中央處理器、開關(guān)量模塊、模擬量模塊、通訊模塊和以太網(wǎng)通訊模塊，并且具有良好的自我診斷功能，充分利用了其工作可靠、編程簡(jiǎn)潔、使用方便、易于維護(hù)、開發(fā)周期短、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足本系統(tǒng)的功能和性能需求?？紤]到煤礦現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的特殊性，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備必須具備高度的可靠性和安全性。水泵電機(jī)由控制箱進(jìn)行控制，為保護(hù)內(nèi)部的PLC芯片，控制箱礦用煤礦專用隔爆型綜控箱，同時(shí)具備手動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制功能。電機(jī)啟動(dòng)控制需要啟動(dòng)器設(shè)備來完成，為提高系統(tǒng)的安全性，水泵電機(jī)由煤礦專用的隔爆型軟件啟動(dòng)器進(jìn)行控制。為了完成控制系統(tǒng)中各設(shè)備的互連，系統(tǒng)采用了LFSSII-40綜合連接器，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，提高系統(tǒng)性能。

3.3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)井下排水的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了水位傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、電壓與電流傳感器等檢測(cè)模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水倉液位、管道流量、出口或入口水壓、井下溫度、以及電機(jī)電壓電流等物理量的采集，基本可以為整個(gè)自動(dòng)排水系統(tǒng)的科學(xué)運(yùn)行提供完整的基礎(chǔ)參數(shù)。采用XFH-D9000型超聲波液位計(jì)對(duì)水位進(jìn)行連續(xù)采集，輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，通過線性變換后轉(zhuǎn)換成水位值；采用TC-ZND型電磁流量計(jì)來實(shí)時(shí)采集水管內(nèi)的流量，經(jīng)線性變換后轉(zhuǎn)換成流量值，通過RS485接口與主控單元進(jìn)行通信；環(huán)境溫度檢測(cè)選用了目前工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的 PT100 熱電阻溫度傳感器；溫度采集用GWP200-M表面式溫度傳感器；壓力檢測(cè)采用GYD60-Y2型壓力傳感器，作為電動(dòng)閘閥的基本控制信號(hào)，該傳感器也輸出4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.4.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序是對(duì)所有元器件和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)，通過內(nèi)容邏輯的設(shè)計(jì)完成井下排水流程。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)了豐富的控制功能和人機(jī)交互功能，包括設(shè)備地址的設(shè)置、運(yùn)行參數(shù)的設(shè)備、預(yù)警上下限的設(shè)置、“避峰填谷”節(jié)能算法、水泵調(diào)度與輪換、開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)、故障報(bào)警等等，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

3.4.2 “避峰填谷”算法設(shè)計(jì)

“避峰填谷”就是要避開水位高峰，迅速排水以保證井下作業(yè)安全，但水位過低時(shí)則無需立即啟動(dòng)水泵缺水，以節(jié)約能源。因此井下水位參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)“避峰填谷”的重要前提。本文把井下水倉劃分為5個(gè)水位節(jié)點(diǎn)，也就是6個(gè)水位區(qū)段，其中1號(hào)節(jié)點(diǎn)位于倉底，5號(hào)節(jié)點(diǎn)位于倉的上部作為預(yù)警上限值。將6個(gè)區(qū)段的水位平均上升速度預(yù)先寫入PLC內(nèi)存中，供程序查表使用，同時(shí)把井區(qū)的水文資料一同存入PLC內(nèi)存，作為各區(qū)段水位上升速率限值的依據(jù)。當(dāng)水位位于2號(hào)節(jié)點(diǎn)以下時(shí)，此時(shí)無需開啟水泵，以實(shí)現(xiàn)“填谷”。當(dāng)監(jiān)測(cè)到當(dāng)前水位已達(dá)3號(hào)節(jié)點(diǎn)，可開啟1臺(tái)水泵正常排水；當(dāng)水位上升到4號(hào)節(jié)點(diǎn)，需開啟兩臺(tái)水泵排水，以實(shí)現(xiàn)“避峰”；如果水位達(dá)到5號(hào)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)開啟全部水泵排水，同時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提醒井下作業(yè)人員做好安全措施，直到水位下降到2號(hào)節(jié)點(diǎn)以下才解除預(yù)警。

3.4.3 水泵輪換算法設(shè)計(jì)

實(shí)際應(yīng)用中，井下一般至少配備三臺(tái)水泵可同時(shí)用于排水作業(yè)，但正常情況下，為了節(jié)約能源，不需要三臺(tái)水泵同時(shí)排水。若反復(fù)開啟同一臺(tái)水泵，另外兩臺(tái)水泵處于閑置狀態(tài)，會(huì)造成資源利用的不均衡，反復(fù)使用的水泵其壽命將迅速下降，因此設(shè)計(jì)了水泵輪換算法，使各臺(tái)水泵輪流工作，保證設(shè)備壽命水平。為了實(shí)現(xiàn)該方案，每臺(tái)水泵需要占用PLC內(nèi)部的2個(gè)寄存器，分別存儲(chǔ)該水泵的運(yùn)行時(shí)間和次數(shù)，每次需要啟動(dòng)時(shí)，只需要啟動(dòng)時(shí)間和次數(shù)最少的水泵即可。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)在某煤礦進(jìn)行了為期一年的試運(yùn)行，各項(xiàng)功能均保持正常，實(shí)現(xiàn)了井下排水的自動(dòng)控制，同時(shí)通過避峰填谷”和“水泵輪換”的算法，使系統(tǒng)耗電量減少了12%。該系統(tǒng)還能在沒有人干預(yù)的情況下滿足較復(fù)雜的涌水情況，大大提高了井下作業(yè)的安全性，實(shí)現(xiàn)了井下排水系統(tǒng)的可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。