基于PLC 的礦井水泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)探究

趙 輝

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 太原 030000）

引言

隨著煤礦開(kāi)采深度的不斷加大，巷道頂板承壓水治理成為礦井開(kāi)采重要的難題，承壓水不能及時(shí)得到釋放極易造成大面積涌水事故。同時(shí)礦井地下水與地面水通過(guò)斷層、裂縫等涌入礦井，造成礦井透水，一旦發(fā)生礦井透水事故，極易造成人員傷亡，影響礦井正常生產(chǎn)[1]。煤礦主排水泵是礦井重要的排水設(shè)施。傳統(tǒng)的主排水泵系統(tǒng)依靠人工操作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)排量與涌水量的自動(dòng)匹配，所以實(shí)現(xiàn)礦井主排水泵自動(dòng)化控制成為了重要的研究課題。此前劉國(guó)香對(duì)礦井主排水泵的選型進(jìn)行研究，考慮到涌水量較大，所以選用流量相對(duì)較大的水泵，并給出了水泵選型過(guò)程中各種參數(shù)的計(jì)算方法。郝玉輝[2]提出了一種新型的多功能水泵聯(lián)動(dòng)閥門(mén)，通過(guò)仿真分析，發(fā)現(xiàn)多功能水泵聯(lián)動(dòng)閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)效果良好，為煤礦井下排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及礦井排水系統(tǒng)工作的可靠性奠定了基礎(chǔ)。本文基于PLC 控制器對(duì)礦井主排水泵控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)了礦井主排水泵系統(tǒng)自動(dòng)化控制的目的，為礦井防水做出一定的借鑒。

1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在礦井排水泵系統(tǒng)中，一臺(tái)排水泵往往不能滿足礦井排水需求，多臺(tái)排水泵雖能滿足礦井的開(kāi)采需求，但會(huì)造成管路資源浪費(fèi)，所以一般情況下，礦井會(huì)采用一臺(tái)排水泵正常工作，當(dāng)出現(xiàn)礦井涌水量較大時(shí)，會(huì)啟用另外一臺(tái)排水泵，實(shí)行雙泵工作模式。在此之外還需在礦區(qū)備用一臺(tái)水泵，所以在整個(gè)排水系統(tǒng)中共需三臺(tái)水泵，其中每臺(tái)排水泵都擁有自身的電控系統(tǒng)和離心排水設(shè)備。

基于PLC 的礦井主排水控制系統(tǒng)一般有如下功能組成：控制功能，通過(guò)PLC 控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化排水的功能；通訊監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)傳感器及傳輸光纜進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，實(shí)現(xiàn)井上對(duì)井下的指揮調(diào)度；故障診斷功能，通過(guò)溫度傳感器、電流傳感器等對(duì)系統(tǒng)的溫度、電壓、電流等進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)管，出現(xiàn)溫度、電壓、電流超過(guò)限定值時(shí)，立即發(fā)出報(bào)警，避免出現(xiàn)事故；參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)人機(jī)界面對(duì)溫度、排水量及管道壓力等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控[3]。由于設(shè)備在礦井內(nèi)使用，所以在選定水泵的配套設(shè)備時(shí)需要考慮防爆，本文選定3 臺(tái)三相異步電機(jī)，電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為YB25604-8900kW，電動(dòng)機(jī)的功率為900 kW，轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，電動(dòng)機(jī)的額定電壓為10 kV。

對(duì)礦井主排水泵系統(tǒng)的檢測(cè)元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中的檢測(cè)單位包含有水位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、超聲波流量計(jì)等。水位傳感器選用超聲波傳感器，其工作原理為利用探頭發(fā)送超聲波，從而得到不同超聲波數(shù)據(jù)，根據(jù)聲波在空氣中的傳播差，給出水位距離探頭的距離，將超聲波傳感器布置在2個(gè)配水箱內(nèi)，防止水位過(guò)高。溫度傳感器選用PT100無(wú)源接觸式傳感器。壓力傳感器將水管內(nèi)部的壓力信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，得出壓力信號(hào)，將壓力信號(hào)傳輸至PLC 控制器，從而提供電動(dòng)閥啟動(dòng)、停止的判斷。

中央水泵的控制系統(tǒng)由自動(dòng)控制、故障報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)測(cè)及動(dòng)態(tài)顯示組成。系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)得出水倉(cāng)水位、電機(jī)溫度、排水管壓力等數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸至PLC 控制器，PLC 將接收到的信號(hào)進(jìn)行判斷，發(fā)出控制命令，對(duì)3 臺(tái)排水泵進(jìn)行自動(dòng)化控制。同時(shí)水倉(cāng)水位、電機(jī)溫度、排水管壓力等參數(shù)會(huì)在上位機(jī)的界面進(jìn)行顯示，如若系統(tǒng)檢測(cè)出故障后會(huì)對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)彈出故障界面，并留存故障數(shù)據(jù)，以備故障分析。中央水泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

如圖1 所示，PLC 作為系統(tǒng)的核心部件，主要對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理及存儲(chǔ)，通過(guò)運(yùn)算邏輯輸出控制命令，達(dá)到水泵的啟停控制。充分考慮現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備較為分散的特征，選定I/O 的方式進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)采集，選用CPU315-2DP 帶SINECL2-DP 接口的CPU，本文選定西門(mén)子ET200M 為遠(yuǎn)程處理核心。數(shù)字量輸入模塊對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行采集，開(kāi)關(guān)量包含球閥到位信號(hào)、斷路器狀態(tài)、閘閥到位信號(hào)、控制命令等，在PLC 控制器兩側(cè)配置32 路開(kāi)關(guān)輸入模塊2 塊。I/O部分配置32 路開(kāi)關(guān)量輸入模塊1 塊。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)RS-232、RS-485 串聯(lián)通訊模塊實(shí)現(xiàn)通訊。

2 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)PLC 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要具備如下的功能：自動(dòng)解除功能和備用選用功能，3 臺(tái)排水泵可以任意選定備用機(jī)組，同時(shí)在水泵沒(méi)有實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中可以進(jìn)行切換，當(dāng)一臺(tái)泵機(jī)發(fā)生故障時(shí)可以迅速解除備用，保持正常運(yùn)行；手動(dòng)啟動(dòng)，提供人工操作界面，可以對(duì)某臺(tái)設(shè)備進(jìn)行人工啟動(dòng)；順序啟動(dòng)，通過(guò)設(shè)動(dòng)啟動(dòng)間隔時(shí)間實(shí)現(xiàn)電機(jī)的順序啟動(dòng)；水位顯示，當(dāng)水倉(cāng)水位低于后高于某一數(shù)值時(shí)，及時(shí)顯示水位；自動(dòng)控制，在無(wú)人監(jiān)管時(shí)可以自行運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)出現(xiàn)水位過(guò)高時(shí)及時(shí)抽排，當(dāng)水位過(guò)低時(shí)及時(shí)補(bǔ)水。系統(tǒng)自動(dòng)控制軟件流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)自動(dòng)控制軟件流程圖

開(kāi)始時(shí)先進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)，當(dāng)存在故障時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)操作，當(dāng)無(wú)故障或者故障排除后方可進(jìn)行自動(dòng)、半自動(dòng)操作。系統(tǒng)啟動(dòng)后，第一步需要與開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行聯(lián)通，啟動(dòng)I/O 處理程序，通過(guò)判斷選定三種運(yùn)行方式，操作人員可以通過(guò)控制板按鈕位置判斷運(yùn)行模式，當(dāng)處于自動(dòng)操作模式時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行，完成輪換工作，出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)停止報(bào)警，當(dāng)處于半自動(dòng)操作模式時(shí)，需要人工選定排水泵運(yùn)行，后續(xù)進(jìn)行自動(dòng)模式，選定手動(dòng)模式時(shí)，PLC 不參與系統(tǒng)的整體運(yùn)行。

傳感器是礦井主排水泵系統(tǒng)的重要部件，其精度不足會(huì)大大降低系統(tǒng)的可靠性，傳感器按照范圍可分為全局傳感器和局部傳感器，全局傳感器采用超聲液位儀對(duì)全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，同時(shí)采用雙傳感器冗余配合，使得可靠性及精度都有一定幅度的提升。局部傳感器是通過(guò)自我診斷對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，將每個(gè)階段的數(shù)據(jù)與上個(gè)階段數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，形成數(shù)據(jù)曲線。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以PLC 控制為核心對(duì)礦井主排水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，通過(guò)合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)礦井排水泵控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制，給出了中央水泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件配置結(jié)構(gòu)及自動(dòng)控制軟件流程，以保障傳感器運(yùn)行的可靠性及精度性，為礦井防治水害事故的出現(xiàn)提供一定的解決途徑。