基于PLC的煤礦自動化排水控制系統(tǒng)設計

鄭華華

（陽煤集團一礦機電工區(qū)， 山西 陽泉 045008）

引言

傳統(tǒng)的煤礦通常依靠人為操控水泵的運行及關閉來完成井下排水任務，這種方式存在效率低、耗能大、水泵啟停不及時等問題，且操作過程復雜，人工勞動強度大[1]；而國內現(xiàn)有的自動化排水系統(tǒng)，排水參數(shù)檢測精度低，排水過程中無法實現(xiàn)對水泵的科學調度[2-3]，同時在監(jiān)測過程中未能充分利用手機等智能便攜設備的通信優(yōu)點，在遠程監(jiān)控排水系統(tǒng)方面仍有較大提升空間。因此本文針對目前排水系統(tǒng)存在的問題，提出了一種基于PLC的煤礦自動化排水控制系統(tǒng)，可遠程操控水泵的自動運轉并實現(xiàn)水泵的科學調度。

1 控制系統(tǒng)結構

1.1 系統(tǒng)結構組成

自動化排水控制系統(tǒng)主要由四部分組成，即地面監(jiān)控中心、蓄水池監(jiān)測分站、工業(yè)以太網(wǎng)與井下泵房監(jiān)控單元，系統(tǒng)結構組成如圖1所示。井下泵房監(jiān)控單元作為排水控制系統(tǒng)的核心，由井下監(jiān)控主站、傳感器和信號接收裝置等構成。井下監(jiān)控主站以西門子S7-300系列PLC作為核心控制部件，負責井下涌水量、水倉容積、水位變化率、電壓、電流等參數(shù)的接收、處理與控制，同時利用以太網(wǎng)將井下數(shù)據(jù)傳遞給上位機。其中，為保證較高的水位檢測精度，系統(tǒng)采用了投入式液位傳感器和超聲波液位計來完成水位的檢測。

圖1 控制系統(tǒng)結構組成

1.2 系統(tǒng)硬件連接

硬件部分主要包括PLC模塊、上位機、傳感器、電機及閥門等電動設備，硬件連接如圖2所示：

圖2 硬件連接圖

1）PLC模塊處理單元，作為系統(tǒng)的核心組件，具備數(shù)據(jù)運算、存儲、處理功能，依據(jù)運算結果，完成水泵的運行和關閉。

2）高壓柜綜保模塊單元，對電機的電壓、電流等運行參數(shù)進行收集，并通過通訊接口將運行參數(shù)傳遞至PLC處理模塊，實現(xiàn)對電機的故障保護。

3）執(zhí)行部分，由就地控制箱、閥門控制柜和系統(tǒng)控制柜組成，具有操控放水閘閥、配水閥、電動球閥等設備運行的功能。

4）監(jiān)測部分，包括監(jiān)測設備和開關量信號等，開關量信號是由放水閘閥、配水閥以及電動球閥等設備提供。

5）上位機監(jiān)控系統(tǒng)，具有操作記錄、故障報警、信息查詢等功能，將排水系統(tǒng)中水泵、電動球閥、放水閘閥等設備的運行及井下排水情況進行直觀的顯示，也是工作人員操控排水系統(tǒng)的平臺。

2 控制系統(tǒng)功能

2.1 兩種控制方式

控制系統(tǒng)分為就地、遠程兩種控制方式。就地控制包括手動和自動兩種工作方式，手動工作方式下，水泵系統(tǒng)中相關設備的運行和關閉由井下泵房的人員通過就地操作臺上的相應按鈕進行操作；自動工作方式下，通過操作臺上的啟動或關閉按鈕，水泵系統(tǒng)中相關設備按照設定好的PLC程序進行運行或關閉。遠程控制流程如圖3所示，包括手動、半自動、全自動三種運行方式，該方式下水泵系統(tǒng)中相關設備的運行和關閉由地面監(jiān)控中心控制，工作人員可實時監(jiān)測設備運行中的各種參數(shù)。

圖3 遠程控制原理流程圖

2.2 數(shù)據(jù)采集與展示

上位機監(jiān)控畫面可以直觀地顯示排水系統(tǒng)中水泵、電動球閥、放水閘閥等設備的狀態(tài)參數(shù)，同時以動畫的形式模擬水倉水位、管路水流的運行情況。當系統(tǒng)運行發(fā)生故障時，上位機監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出故障報警信息并將故障情況進行自動存檔。還可以分別統(tǒng)計排水系統(tǒng)中相關設備的運行時間和用電量等信息。

2.3 智能控制

為達到減少煤礦電費支出的目的，該系統(tǒng)通過建立合適的數(shù)學模型獲得了更準確的涌水量數(shù)值，依據(jù)“避峰就谷”原則，對水泵實行科學調度，合理安排水泵的運行和關閉，減少電網(wǎng)高峰期下的煤礦排水系統(tǒng)用電量。

2.4 保護功能

為減少排水過程中相關設備的損壞率，該系統(tǒng)設有真空度監(jiān)測保護、PLC故障保護、電機參數(shù)保護、電流電壓保護與超溫保護等功能。當排水系統(tǒng)發(fā)生故障時，上位機監(jiān)控系統(tǒng)及煤礦井下現(xiàn)場發(fā)出故障報警信息，工作人員依據(jù)報警故障信息可快速找出故障源，及時進行故障的處理。

3 手機監(jiān)控端系統(tǒng)

該系統(tǒng)利用手機等智能便攜設備的通信優(yōu)點，在遠程監(jiān)控系統(tǒng)方面增設了手機監(jiān)控端系統(tǒng)。在遠程監(jiān)控系統(tǒng)服務器中設置數(shù)據(jù)庫，排水系統(tǒng)中井下水位、電壓、電流等參數(shù)通過組態(tài)軟件傳遞到數(shù)據(jù)庫中；手機客戶端以輪詢的方式讀取數(shù)據(jù)庫中的相關排水參數(shù)，并將這些參數(shù)與安全值進行比對，如果在規(guī)定的時間內存在較大差值，則該客戶端就會以手機振動的形式通知工作人員有潛在故障發(fā)生[4]。手機監(jiān)控端系統(tǒng)實現(xiàn)了井下排水參數(shù)易于監(jiān)測及快速傳遞等功能。

4 結論

本文設計的使用S7-300PLC作為井下控制核心的一種自動化排水控制系統(tǒng)，通過實時監(jiān)測最大涌水量、水倉容積、水位變化率、電流、電壓等參數(shù)，可遠程操控水泵的自動運轉并實現(xiàn)水泵的科學調度，同時增設手機監(jiān)控端系統(tǒng)，解決井下排水參數(shù)監(jiān)控與傳遞過程中受時間和地點的限制問題，實現(xiàn)排水參數(shù)易于監(jiān)控和快速傳遞等功能。該系統(tǒng)安全穩(wěn)定、便于操作，在保證煤礦安全生產(chǎn)的前提下，提升了煤礦排水系統(tǒng)的自動化水平。

（編輯：李媛）