基于PLC的井下采區(qū)泵房自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

于 剛

（山西潞安礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司五陽煤礦，山西 長治 046200）

0 引言

該自動(dòng)排水控制系統(tǒng)基于PLC自動(dòng)化控制，通過環(huán)網(wǎng)將泵房現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，并通過攝像頭、電腦組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場水泵、開關(guān)、環(huán)境狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程操作、故障診斷查詢、報(bào)表記錄等功能，實(shí)時(shí)掌握水泵運(yùn)轉(zhuǎn)情況，達(dá)到無人值守、實(shí)時(shí)監(jiān)控、定期巡查、減人提效的目的，且成本低廉，操作更加簡單、人性化。

1 自動(dòng)排水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)前提

采區(qū)泵房使用的是多級(jí)離心式排水泵，排水管安裝有底閥，啟動(dòng)電機(jī)前，需提前打開排氣閥，用水灌滿泵體從排氣閥溢出后，方可關(guān)閉排氣閥運(yùn)行水泵；停泵時(shí)，需先將排氣閥打開，待泵體吸空后，再停止電機(jī)運(yùn)行，防止泵體突然停止工作后而產(chǎn)生的水錘沖擊現(xiàn)象，造成底閥的損壞，確保排水系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

如果實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排水，需解決4個(gè)問題：①水位監(jiān)測問題；②灌泵問題；③泵體是否灌滿水判斷問題；④停泵瞬間水錘沖擊底閥問題。

圖1 自動(dòng)排氣泄壓閥剖視圖

為解決以上問題，首先增加水位傳感器，監(jiān)測水位狀態(tài)；其次，將截止閥并聯(lián)1個(gè)24 V DC電磁閥，實(shí)現(xiàn)PLC控制灌泵；第三、也是最重要的環(huán)節(jié)，如圖2，在抽水管上增加泄壓排氣閥裝置，在該裝置上安裝2個(gè)水位傳感器，傳感器的位置在泵體表面以上。該裝置類似于單向閥，當(dāng)灌泵時(shí)水充滿泵體后會(huì)沿著該裝置溢出，傳感器檢測到水后，判斷可以啟動(dòng)水泵電機(jī)；當(dāng)停泵瞬間如果存在水錘效應(yīng)，水流也會(huì)沿著該裝置溢出，保護(hù)底閥。至此，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排水的所有難題均已解決。

圖2 自動(dòng)控制水泵安裝配置圖

2 排水監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理

新的排水監(jiān)控系統(tǒng)以PLC為控制核心，利用CPU處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的邏輯判斷和處理，從而取代現(xiàn)有的人工判斷、人工干預(yù)的排水控制方案，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)排水監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和無人化值守，還需要將PLC接入井下環(huán)網(wǎng)，通過網(wǎng)絡(luò)連接到地面監(jiān)控中心內(nèi)，同時(shí)，為了更好的與泵房系統(tǒng)融合，需將水泵開關(guān)與PLC實(shí)現(xiàn)信息傳輸，在信息傳輸時(shí)選擇R S485串行通訊協(xié)議?；赑LC的煤礦井下排水監(jiān)控系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 基于PLC的井下排水監(jiān)控系統(tǒng)框圖

首先，通過水位傳感器對(duì)水倉狀態(tài)進(jìn)行判斷，高水位得到信號(hào)后，判定為需要排水，此時(shí)，PLC控制灌泵電磁閥進(jìn)行灌泵，當(dāng)泵體灌滿水后，通過泄壓排氣閥溢出，在泄壓排氣閥上安裝的水位傳感器動(dòng)作，此時(shí)，滿足開泵條件，PLC給開關(guān)發(fā)出合閘信號(hào)，水泵電機(jī)啟動(dòng)，開始正常排水。在泵體上設(shè)置電接點(diǎn)壓力表保護(hù)來檢測水泵排水壓力，同時(shí)電機(jī)電流也檢測水泵是否上水，振動(dòng)傳感器可以檢測電機(jī)運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)情況，溫度傳感器檢測軸溫。當(dāng)水泵發(fā)生吸空或堵管故障、壓力降低或超過至設(shè)定上下限值、當(dāng)控制開關(guān)的工作電流降至空載電流以下或超過工作電流以上、振動(dòng)過大、溫度過高，以上故障情況都被PLC采集，超過設(shè)定故障延時(shí)時(shí)間，自動(dòng)停止水泵運(yùn)行。在無故障的時(shí)候，當(dāng)水倉低水位傳感器動(dòng)作，PLC給開關(guān)發(fā)出分閘信號(hào)，水泵停止運(yùn)行。停泵時(shí)，如果產(chǎn)生水錘效應(yīng)，泄壓排氣閥能自動(dòng)泄壓，減小對(duì)水泵以及底閥的沖擊，保護(hù)系統(tǒng)。

3 井下排水系統(tǒng)水泵啟動(dòng)方案

為了滿足井下排水系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)的工作要求，根據(jù)井下排水系統(tǒng)實(shí)際布置情況及積水區(qū)域的水位理論分析數(shù)據(jù)，針對(duì)性的制定了以下水泵啟動(dòng)方案：

1）將水倉區(qū)域的水位高度劃分為低水位、高水位、危險(xiǎn)水位3個(gè)等級(jí)，低水位到高水位之間為正常水位，高水位到危險(xiǎn)水位之間為警戒水位。

2）井下采區(qū)泵房全部采用雙回路模式，排水管路2趟、水泵2套、電源供電2回路，自動(dòng)排水時(shí)，雙回路全部投入使用，2個(gè)泵之間交替工作，這樣可以最大限度的減少故障率，增加運(yùn)行效率。

3）由于水溝運(yùn)行能力有限，所有泵房同時(shí)只能開啟1臺(tái)水泵，否則可能造成淹巷，井下共有3個(gè)采區(qū)泵房，各個(gè)泵房之間通過井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)建立聯(lián)系，1個(gè)泵房有泵在運(yùn)行時(shí)，其他泵房獲取信息，此時(shí)其他泵房水倉高水位接收到信號(hào)后不啟動(dòng)水泵。當(dāng)水倉區(qū)域的水位高度達(dá)到危險(xiǎn)水位時(shí)，開啟水泵同時(shí)通過環(huán)網(wǎng)停止其他泵房的水泵運(yùn)行，確保同一時(shí)刻只有1臺(tái)泵運(yùn)行。

若水倉區(qū)域的水位繼續(xù)上升，并且水泵無法運(yùn)行，則表明水泵出現(xiàn)故障，則開啟警報(bào)系統(tǒng)，通知井下檢修人員去往現(xiàn)場檢修水泵，排除故障。

4 基于PLC的井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

目前該井下排水監(jiān)控系統(tǒng)已投入應(yīng)用了1年半，運(yùn)行效率極高，故障率低，平時(shí)只需要簡單的巡查，對(duì)泵體軸承注油及壓盤根等工作即可，而且，3個(gè)采區(qū)泵房的同時(shí)實(shí)行，減少了12名泵房崗位工人員。改造后在地面監(jiān)控中心即可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下排水系統(tǒng)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，圓滿的實(shí)現(xiàn)了最初對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造時(shí)的目標(biāo)，其井下監(jiān)控畫面如圖4所示。

圖4 井下排水監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控畫面

5 結(jié)論

本文針對(duì)井下排水系統(tǒng)采用人工控制，自動(dòng)化程度低、應(yīng)急性不足的缺陷，從改造可行性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，提出了一種基于PLC的煤礦井下排水監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)工作原理及在礦的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

1）本文將PLC技術(shù)應(yīng)用于井下自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)，其具有成本低、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，能夠最大限度的利用現(xiàn)有排水控制系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，改造成本低，經(jīng)濟(jì)性好。

2）針對(duì)井下排水系統(tǒng)的實(shí)際情況，設(shè)定了專門的排水控制邏輯，能夠在確保排水安全的情況下大幅降低排水系統(tǒng)的工作成本。

3）通過在礦井的實(shí)際運(yùn)行表明了該控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，具有較大的應(yīng)用推廣價(jià)值。