PLC 控制系統(tǒng)在煤礦井下排水系統(tǒng)中的運(yùn)用

王 琳

（冀中能源股份有限公司邢東礦，河北 邢臺(tái) 054000）

煤炭作為我國的主體能源，在促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面提供了長足動(dòng)力，在社會(huì)發(fā)展過程中做出了重要貢獻(xiàn)。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展和完善，采礦界中對智能化和自動(dòng)化開采的呼聲越來越高。由于大量地下水、江河水、雨水對煤礦井的滲透作用，會(huì)有積水沿著采動(dòng)裂隙進(jìn)入采礦區(qū)和工作面，很容易導(dǎo)致礦井積水，若是不能及時(shí)排出，一旦礦井水積累過多極易形成水災(zāi)，引發(fā)設(shè)備受損、人員傷亡等安全生產(chǎn)方面的問題，嚴(yán)重威脅著礦井生產(chǎn)。煤礦井下排水系統(tǒng)作為確保煤礦生產(chǎn)安全的四大系統(tǒng)之一，主要功能是排出礦井水，可有效確保煤礦安全生產(chǎn)，同時(shí)還能保障工作人員生命安全。傳統(tǒng)排水系統(tǒng)大都是人工就地操作，工序復(fù)雜、效率低、經(jīng)濟(jì)效益差，工作人員很難第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)井下水泵運(yùn)行情況和故障問題，地面管理人員對現(xiàn)場狀況了解不夠全面，同自動(dòng)化礦井需求間還有一定差距存在。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，自動(dòng)控制和PLC 技術(shù)在各個(gè)行業(yè)中應(yīng)用頻率越來越高，尤其是煤礦行業(yè)中的應(yīng)用也愈發(fā)廣泛。在控制煤礦井下主排水系統(tǒng)的過程中，從傳統(tǒng)繼電器逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC 控制，為保證設(shè)備運(yùn)行達(dá)到最佳狀態(tài)，在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集控的過程中結(jié)合傳感器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、信息傳輸平臺(tái)等，預(yù)先設(shè)定相關(guān)程序，以對井下水泵和對應(yīng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動(dòng)化控制。

1 PLC 技術(shù)概況

自進(jìn)入21 世紀(jì)以來，我國計(jì)算機(jī)技術(shù)水平快速提升，并廣泛應(yīng)用到社會(huì)不同行業(yè)，而在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了PLC 技術(shù)的發(fā)展成熟。PLC 屬于邏輯控制器，可作為編程使用，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)繼電器控制的弊端，因PLC 技術(shù)的推動(dòng)，使控制過程更加高效、準(zhǔn)確和便捷[1]。可穩(wěn)定控制是PLC 技術(shù)的突出優(yōu)勢，外部不良環(huán)境基本不會(huì)對控制產(chǎn)生影響，因此，其在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。PLC 技術(shù)編制系統(tǒng)控制程序的應(yīng)用習(xí)慣選擇梯形圖系統(tǒng)，同其他計(jì)算機(jī)編程語言進(jìn)行比對，PLC 技術(shù)編程語言較為簡單，對操作人員沒有太高要求，在簡單技術(shù)培訓(xùn)后就能滿足PLC應(yīng)用要求。PLC 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)只需要芯片就能完善，無需占用過大空間，將其與傳統(tǒng)繼電器控制進(jìn)行比對，體積縮小，且運(yùn)行過程便捷，方便系統(tǒng)日后維護(hù)和搬運(yùn)組裝。計(jì)算機(jī)技術(shù)作為PLC 技術(shù)的基礎(chǔ)，可借助于編程軟件來控制外部系統(tǒng)，系統(tǒng)建立的過程中需利用數(shù)字運(yùn)算分析，應(yīng)用中對數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的收集、分析、計(jì)算和儲(chǔ)存，以為系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性提供技術(shù)方面的支撐。在煤礦井下排水系統(tǒng)中應(yīng)用PLC 技術(shù)，可縮減系統(tǒng)應(yīng)用空間，整個(gè)排水系統(tǒng)控制均能利用一臺(tái)終端實(shí)現(xiàn)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化，可顯著增強(qiáng)煤礦生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益、效率和安全性。

2 我國煤礦排水系統(tǒng)現(xiàn)狀及PLC 控制系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 我國煤礦排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

在日常采掘施工的過程中，有關(guān)水體，如地表水、構(gòu)造水會(huì)以通道作為媒介逐漸浸透到采掘工作區(qū)域內(nèi)，在不能第一時(shí)間將積水排出的情況下，將會(huì)有大量的積水出現(xiàn)在工作區(qū)域內(nèi)，嚴(yán)重的情況下會(huì)造成煤礦井下出現(xiàn)水災(zāi)事故。在統(tǒng)計(jì)分析相關(guān)數(shù)據(jù)后，因水災(zāi)引起的安全事故將近占所有煤礦生產(chǎn)事故的1/3，嚴(yán)重影響著煤礦的安全高效生產(chǎn)。因此，在煤礦井下選用安全穩(wěn)定的排水系統(tǒng)，對避免煤礦水害具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前，相較于發(fā)達(dá)國家自動(dòng)化排水系統(tǒng)，我國的自動(dòng)化水平不高的問題較為嚴(yán)重，排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)存在缺乏合理性、靈活性差、抗災(zāi)能力弱、可靠性不強(qiáng)等方面的問題，增大了系統(tǒng)排水故障概率。為了盡快排出積水，需要大量作業(yè)人員，在很大程度上增大了作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，投入排水系統(tǒng)中的維修費(fèi)用加大，一旦排水不當(dāng)，將會(huì)對后續(xù)排水效率產(chǎn)生影響，達(dá)不到礦井復(fù)雜的安全生產(chǎn)條件要求。因此，相關(guān)單位應(yīng)根據(jù)礦井實(shí)際，不斷優(yōu)化改造井下排水系統(tǒng)。[2]

2.2 PLC 控制系統(tǒng)在排水系統(tǒng)中的優(yōu)勢

2.2.1 PLC 控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性高

通常情況下，PLC 控制模式涵蓋了自動(dòng)、遠(yuǎn)程和本地三種不同的控制模式，為確保水泵安全穩(wěn)定的運(yùn)行，應(yīng)結(jié)合礦井實(shí)際情況選擇對應(yīng)的模式，而PLC 控制系統(tǒng)主要是在煤礦井下排水系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用。PLC 控制系統(tǒng)可開展自動(dòng)化監(jiān)測，根據(jù)最終結(jié)果，若是發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制通信模式運(yùn)行過程被阻斷，為確保井下排水系統(tǒng)的可靠性，需全方位監(jiān)測水下排水情況，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)成本地控制模式，一旦發(fā)現(xiàn)井下排水出現(xiàn)問題，可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

2.2.2 可有效控制成本

現(xiàn)階段，井下排水系統(tǒng)主要是選擇光纖環(huán)網(wǎng)通信方式作為主要的通信技術(shù)，將該技術(shù)應(yīng)用到排水系統(tǒng)中，在提升信息數(shù)據(jù)傳輸速率的同時(shí)，還能增強(qiáng)整個(gè)傳輸質(zhì)量。VC 和net 是PLC 模塊的主要編程技術(shù)，具有較好的操作性及可靠性，且編程操作中的步驟簡單，具有較高的通用性，為保證井下排水系統(tǒng)運(yùn)行的持續(xù)性，提升成本的控制效果，在PLC 模塊的幫助下可對系統(tǒng)進(jìn)行多次開發(fā)利用。系統(tǒng)還能結(jié)合水泵的啟動(dòng)計(jì)算和當(dāng)前電價(jià)，在經(jīng)濟(jì)最佳狀態(tài)的基礎(chǔ)上確保排水系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.2.3 監(jiān)測多種技術(shù)參數(shù)

對井下排水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制，可實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制電動(dòng)機(jī)電流、泵房水艙液位、軸承溫度、壓力、流量等參數(shù)信息，在匯總數(shù)據(jù)信息后來反映這些關(guān)鍵區(qū)域參數(shù)和長距離傳輸信息，對不良參數(shù)開展系統(tǒng)警示，確保排水系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。當(dāng)前，礦山生產(chǎn)中的井下泡水自動(dòng)化系統(tǒng)涵蓋了檢測子系統(tǒng)和設(shè)備的傳感器、信息采集裝置、泵房在線監(jiān)控模塊、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)等，可有效監(jiān)控運(yùn)行參數(shù)信息，并根據(jù)實(shí)際控制井下泡水設(shè)備，為井下排水系統(tǒng)的安全運(yùn)行創(chuàng)造良好條件。

3 PLC 控制系統(tǒng)在煤礦井下排水系統(tǒng)中的運(yùn)用

所謂的自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)就是通過應(yīng)用電氣自動(dòng)化技術(shù)對計(jì)算機(jī)、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接口等進(jìn)行有效控制，減少人力資源方面的投入，確保無人化操作的順利實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際的煤礦生產(chǎn)作業(yè)中，在實(shí)現(xiàn)水位和水泵的控制及故障自動(dòng)化檢測的過程中均需要引入自動(dòng)化排水系統(tǒng)。系統(tǒng)在對水位高度和水泵啟動(dòng)、停止功能進(jìn)行控制時(shí)需要應(yīng)用到計(jì)算機(jī)，一旦遇到超溫、過載、負(fù)壓等情況會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警提示，避免事故問題的出現(xiàn)，確保煤礦生產(chǎn)中的安全性。在第一時(shí)間獲取到有關(guān)數(shù)據(jù)后，并指導(dǎo)人員進(jìn)行操作可保證監(jiān)控的全方位和遠(yuǎn)程性特征。自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)工作方式較多，而計(jì)算機(jī)界面上內(nèi)容顯示極為簡單，可以根據(jù)實(shí)際來編寫程序，保證運(yùn)行程度不斷得到完善，增強(qiáng)運(yùn)行效益。[3]

3.1 自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 結(jié)構(gòu)分析

在自動(dòng)排水控制系統(tǒng)應(yīng)用之前，需要工作人員認(rèn)真處理離心泵，增強(qiáng)其的耐磨性，該過程中可選用射流或水環(huán)方式。在前者應(yīng)用中涉及真空管道閥門、控制閥門等以將泵內(nèi)的空氣抽干凈，為后續(xù)正常使用提供便利；后者需要配置控制閥門、水環(huán)真空泵等。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，為確保選擇的真空泵適宜，應(yīng)選擇科學(xué)有效的方法對真空體積進(jìn)行認(rèn)真估算，避免真空泵不匹配的狀況出現(xiàn)。自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)涵蓋了監(jiān)控硬件設(shè)備和軟件，可從不同角度來設(shè)計(jì)自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)。

3.1.2 監(jiān)控設(shè)計(jì)

1.地面控制中心。實(shí)際上，地面控制中心就是排水監(jiān)控軟件，可在工控機(jī)平臺(tái)上構(gòu)建。由于該軟件位于礦井指揮中心，可做好控制器參數(shù)的傳達(dá)工作，也是人機(jī)交互的核心所在。通過圖紙方式可顯示存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，同時(shí)還具有較強(qiáng)的檢測、維護(hù)和報(bào)警功能。當(dāng)管理者享有對應(yīng)的權(quán)限后就能訪問設(shè)備，并對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。根據(jù)屏幕顯示的內(nèi)容可對下倉運(yùn)行狀態(tài)全面掌握，以將遠(yuǎn)程監(jiān)視功能發(fā)揮出來，通過對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析進(jìn)行全面分析，方便后續(xù)日常更新和修正工作的順利開展。

2.水倉監(jiān)控系統(tǒng)。對于井下水倉監(jiān)控系統(tǒng)來說，其涉及小水倉、主水倉和中轉(zhuǎn)水倉。在排沙泵的作用下可將小水倉中的水抽取出來，同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)到中轉(zhuǎn)水倉中，最后在主水倉中匯集。在抽水操作中，可全面監(jiān)控所有水倉。

3.中轉(zhuǎn)水倉的監(jiān)控系統(tǒng)。在中轉(zhuǎn)水倉中都配備有250kW 或500kW 的離心泵，而排水開關(guān)以雙回路機(jī)制為主。只有準(zhǔn)確設(shè)置液位傳感器，才能保證最終的水位檢測結(jié)果完整可靠。在離心泵流量監(jiān)測中引入流量傳感器，可為監(jiān)測工作的開展提供便利。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測離心泵抽水壓力，需將壓力傳感器安裝到對應(yīng)管路上。為了保證流量調(diào)控的科學(xué)合理性，應(yīng)將電動(dòng)球閥布設(shè)到管路上。雙回路式排水開關(guān)的應(yīng)用，可借助于光纖線路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，通過地面控制中心來接收數(shù)據(jù)，操作人員只需要將相關(guān)數(shù)據(jù)信息詳細(xì)記錄下來，為日后操作提供數(shù)據(jù)參考。

4.主水倉監(jiān)控系統(tǒng)。主水倉監(jiān)控系統(tǒng)的智能性和便捷性均較強(qiáng)，工作人員可以利用手動(dòng)、自動(dòng)、遠(yuǎn)程法對傳感器、攝像頭等設(shè)備進(jìn)行操作，以實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控。同時(shí)還能根據(jù)檢修、遠(yuǎn)程、自動(dòng)控制次序開展一系列操作。在檢修控制中可同時(shí)斷開自動(dòng)與遠(yuǎn)程控制開關(guān)；若是選用遠(yuǎn)程控制方法，可斷開自動(dòng)控制開關(guān)；在遠(yuǎn)程控制不靈活時(shí)，可調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)為自動(dòng)方式。[4]

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 PLC 程序

在利用PLC 系統(tǒng)開展監(jiān)控的過程中，為了對程序不斷優(yōu)化，需要應(yīng)用到STEP7 軟件，可借助于模塊化編程技術(shù)對相關(guān)功能進(jìn)行修改和擴(kuò)展，維護(hù)運(yùn)行過程的可靠性。在程序主模塊中涵蓋了多個(gè)模塊，如監(jiān)控、顯示、通信等。

3.2.2 上位機(jī)程序

在對上位機(jī)應(yīng)用軟件進(jìn)行編寫的過程中需要應(yīng)用到WINCC 平臺(tái)，可確保數(shù)據(jù)信息及時(shí)呈現(xiàn)到操作人員面前，方便可視化及監(jiān)視功能的實(shí)現(xiàn)。在面向?qū)ο筮M(jìn)行開發(fā)的過程中實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)全過程的數(shù)據(jù)信息。編程結(jié)構(gòu)以客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)為主，可集成數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)共享，保證整個(gè)系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性。

3.2.3 操作系統(tǒng)

為了達(dá)到系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，操作終端在井下和調(diào)度中心均有安裝，而在PLC 控制箱內(nèi)安裝終端設(shè)備，[5]可對井下作業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，因其適應(yīng)能力強(qiáng)，可在不同惡劣環(huán)境下靈活作業(yè)。為了降低風(fēng)險(xiǎn)率，觸屏主要選擇的是直流電。為了方便技術(shù)人員直接觀察程序信息，可將報(bào)警、控制與監(jiān)督進(jìn)行有效結(jié)合，以有效控制水泵運(yùn)行情況，對異常數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)檢查。

3.3 PLC 控制系統(tǒng)在煤礦井下排水系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

以某煤礦的雙回路開關(guān)為例，在真空接觸器后，可對水泵啟停情況進(jìn)行有效控制，還能對控制電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)變，使其成為交流電。開關(guān)右側(cè)是交換器所在的位置，為周邊的交流溝通提供了便利條件。為避免開關(guān)受損，應(yīng)做好智能保護(hù)器安裝，防止出現(xiàn)故障方面的問題。在PLC 控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可保證控制效果達(dá)到最佳，運(yùn)行狀態(tài)可在顯示屏中顯示出來，具有明顯的記憶作用。設(shè)備還有多種通信口，在SMN 模塊中可將傳感器的模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，進(jìn)而監(jiān)測相關(guān)參數(shù)信息。在系統(tǒng)斷電的情況下，可通過啟動(dòng)備用電源的方式，為傳感器、路由器、PLC 控制系統(tǒng)供電，確保上位機(jī)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，還能實(shí)時(shí)監(jiān)控水倉情況。雙回路開關(guān)包含了數(shù)據(jù)、工作、故障、小水倉、中轉(zhuǎn)水倉等界面，可根據(jù)需求切換到所需界面。[6-7]

4 結(jié)論

綜上所述，礦井排水系統(tǒng)采礦的重要環(huán)節(jié)，采礦工作能否順利進(jìn)行受排水系統(tǒng)的影響較大。我國煤礦排水系統(tǒng)中，繼電器開采占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著政府部門對煤礦安全問題的重視度不斷加深，傳統(tǒng)繼電器不利于煤礦開采工作的安全性，而選用PLC 進(jìn)行煤礦開采是大勢所趨。PLC 控制系統(tǒng)在煤礦井下排水系統(tǒng)中的運(yùn)用，有助于開采工作順利開展，在很大程度上增強(qiáng)了采礦效率，同時(shí)還能確保作業(yè)人員安全，對煤礦開采極為重要。