PLC在煤礦主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

邊 晉

（西山煤電集團(tuán)公司古交給排水分公司， 山西 太原 030200）

引言

當(dāng)前，部分煤礦的主排水系統(tǒng)和設(shè)備還依靠傳統(tǒng)人工操作，不能根據(jù)礦井涌水量大小進(jìn)行自動(dòng)排放，主排水泵的管理操作完全依靠水泵操作工人的責(zé)任心[1]。人工操作主排水泵的啟停沒有根據(jù)水倉水位的變化情況和用電峰谷期進(jìn)行科學(xué)的自動(dòng)化管理，不但增加了安全隱患和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，還增加了生產(chǎn)成本，降低了工作效率。采用PLC可編程邏輯控制器系統(tǒng)對原有的礦井主排水泵設(shè)備和控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造非常必要。

1 礦井概況

西山煤電集團(tuán)東曲礦位于山西古交市東南0.5 km，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為450萬t/年，主要開采8號(hào)、9號(hào)煤層，設(shè)有+897水平和+960水平兩個(gè)開采水平。8號(hào)煤層處于超越水位，涌水量大，最大涌水量達(dá)320m3/h。由于工作面涌水量大，采取分段式集中排水方式將水泵設(shè)置低洼處，匯流后進(jìn)行排放。泵房安裝的多級泵沒有實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停，運(yùn)行時(shí)需人工進(jìn)行閥門排氣、灌水和啟停，增加工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，如未對水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，還會(huì)導(dǎo)致礦井突水事故的發(fā)生。結(jié)合東曲礦的實(shí)際水文地質(zhì)情況，采用PLC技術(shù)對礦井的主排水泵系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)啟?？刂聘脑?，根據(jù)礦井水倉水位高度、水位升降速度和用電峰谷，實(shí)現(xiàn)對礦井主排水泵的自動(dòng)啟停[2-3]。

2 PLC集中控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

結(jié)合東曲礦的涌水量和主排水泵的配備使用情況，基于PLC技術(shù)的礦井主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要具有：控制功能，通過PLC程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排水功能；故障診斷功能，對電機(jī)溫度、電流和電壓實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，當(dāng)超出設(shè)定警界值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警停止運(yùn)行保護(hù)設(shè)備安全；參數(shù)顯示功能，通過人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示排水量、電機(jī)溫度和管道壓力參數(shù)；通信與監(jiān)控功能，通過數(shù)據(jù)交互和通信光纜，實(shí)現(xiàn)井下PLC與地面工控機(jī)組連接，將數(shù)據(jù)傳送到地面調(diào)度指揮中心，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和信息[4]。

3 PLC集中控制系統(tǒng)架構(gòu)層次

基于PLC的礦井主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)采用分布式集中控制方式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)信息采集和邏輯處理系統(tǒng)、通信傳輸系統(tǒng)、CPU處理主站和監(jiān)控系統(tǒng)五部分構(gòu)成。

PLC集中控制系統(tǒng)采用三層分布式架構(gòu)自上而下依次為：第一層地面監(jiān)控設(shè)備層、第二層通信和邏輯層和第三層設(shè)備層。

1）第一層地面監(jiān)控設(shè)備層主要由工控機(jī)、監(jiān)控組態(tài)軟件和可集成的工業(yè)電視系統(tǒng)等構(gòu)成，采用光纜與各工作面站點(diǎn)PLC組件和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行連接。工控機(jī)組態(tài)軟件對主排水泵的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，處理傳輸至地面調(diào)度指揮中心。

2）第二層通信和邏輯層作為PLC集中控制系統(tǒng)的核心，由PLC負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的采集、邏輯處理、故障診斷和存儲(chǔ)等功能。系統(tǒng)根據(jù)采集到水位的變化情況對主排水泵進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停，并對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)溫度和排水量進(jìn)行收集，顯示在觸摸屏上，在通過數(shù)據(jù)交換設(shè)備傳輸?shù)降孛鍼LC控制中心。PLC主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 PLC主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖

3）第三層設(shè)備層主要由主排水泵、電機(jī)、管道和閥門等組成。通過在原有的礦井排水系統(tǒng)設(shè)備加裝傳感器，將傳統(tǒng)的手動(dòng)控制閥門替換為電控閥門，加裝真空泵滿足對水泵的自動(dòng)啟?？刂啤轭A(yù)防PLC控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)不能自動(dòng)啟停，閘閥應(yīng)更換為真空射流手動(dòng)閘閥和電動(dòng)兩用閘閥，并增加一套真空泵，提高系統(tǒng)的運(yùn)行安全穩(wěn)定性[5]。

4 基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用

4.1 PLC程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)PLC程序首先對硬件模塊組態(tài)和軟件進(jìn)行調(diào)試。生成網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)模塊，并對各模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)確定硬件模塊組態(tài)的輸入/輸出模塊 （I/O模塊）地址,奠定良好的順序控制程序編制基礎(chǔ)。啟動(dòng)PLC后應(yīng)先進(jìn)行初始化設(shè)置，再進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)控制設(shè)計(jì)，最后進(jìn)入系統(tǒng)控制程序流程?？刂瞥绦蛄鞒逃伤畟}水位與運(yùn)行狀態(tài)檢測、水泵機(jī)組啟停、故障診斷與報(bào)警、故障啟停等模塊構(gòu)成，整套控制程序流程如圖2所示。應(yīng)用STEP7軟件采取在線連接方式對下載編制好的程序進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)對程序運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測、對數(shù)據(jù)強(qiáng)制更新和輸入/輸出信號(hào)的強(qiáng)制開/關(guān)等功能。

4.2 組態(tài)軟件程序設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件程序的設(shè)計(jì)是生成人機(jī)交互界面，便于開展實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測。應(yīng)用西門子的WINCC自動(dòng)化監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)程序，可生成標(biāo)準(zhǔn)化輸出/輸入域、棒圖、趨勢圖和矢量圖等，同時(shí)具有動(dòng)態(tài)性能的屬性，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行的可視化監(jiān)控，通過人機(jī)交互界面顯示集成消息和故障診斷信息。水泵操作工只需通過設(shè)備顯示觸摸屏就可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的可視化控制。并通過光纜與地面上位機(jī)進(jìn)行同步通信，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

5 結(jié)語

基于PLC的煤礦主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過科學(xué)的程序設(shè)計(jì)以及對礦井原有的主排水系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，結(jié)合礦井水倉水位高度、水位升降速度和“避峰填谷”用電管理規(guī)定，實(shí)現(xiàn)對礦井主排水泵的自動(dòng)啟停，水泵房操作工人由原有的5人減少為3人，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)信息顯示直觀，便于巡視和管理，大幅降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升礦井排水系統(tǒng)的自動(dòng)化和機(jī)械化水平，同時(shí)對主排水泵的科學(xué)合理調(diào)配運(yùn)行，不但提高礦井排水的穩(wěn)定可靠性，還提高效率達(dá)到降本增效的目的。

圖2 控制程序流程圖