矿井主排水泵自动控制系统的设计

左彩彪

（晋能控股煤业集团挖金湾煤业公司，山西 大同 037003）

引言

目前，矿井主排水泵的自动化程度不高，导致其安全可靠性较低，许多研究人员针对此进行了相关方面的探索。李霞等[1]研究了一种新型水泵联动阀门，其系统结构合理、设计巧妙，通过程序可调节控制克服了矿井主排水泵自动化程度低的不足，对煤矿井下排水系统结构优化和安全运行作出进一步努力。刘国香[2]提出一种基于PLC、在合理的结构设计基础上来进行程序编写进行井下排水系统的控制；在此过程中，水泵如何进行选型和设计水泵的计算方法也已给出。本文中基于PLC 系统来对以往自动化程度较低的矿井主排水泵进行优化，使改进后的排水系统能够实时有效地控制水仓水位、涌水速率、供电区间。

1 控制系统具备功能

1）控制功能。矿井主排水泵采取3 种控制模式，即手动、半自动及自动。手动控制即通过人工实时操控满足设备运转，半自动控制需人工提前设定各种运行参数，自动控制则通过自主检测完全按照程序执行。本文设计目标为自动排水。

2）远程通信及监控功能。井下系统与地上控制中心的上位机通过信号传输等装置连接传输井下监测的信号，地上人员可发送指令远程操控系统。

3）故障诊断功能。各种传感器对系统中的电流、电压、温度等参数进行实时收集并通过控制系统进行判断是否存在故障行为，一旦系统中有异常参数存在，立即进行报警程序并做出相应的指令，避免出现危害人身安全的危险事故。

4）参数监控功能。将传感器所采集的参数通过一系列运算处理反馈到图形用户界面，对轴承温度、排水流量、管道压力等相关信息进行显示。

2 控制系统硬件开发

2.1 基于PLC 的主排水系统

矿井主排水泵控制系统在PLC 控制器基础上开发，主要有五种功能，分别为监控、逻辑处理、数据采集、信息传输、CPU 处理。系统采用分布式集中控制，自上而下分为三层：地面监视设备层、通信和逻辑层、地下设备层。

地面监控层由三部分构成，分别为工控机、监控组态软件和电视系统。工控机通过信号传输装备与监视电视系统进行连接，信号传输后，监控组态软件对井下主排水泵的信号进行采集并存储，井上人员通过监视电视系统进行观测和判断。通信和逻辑层对收集传输和监控组态软件存储的信号进行处理判断，通过对数据进行分析处理得知水位的情况，从而对设备的下一步做出指示。通信和逻辑层是主排水系统的核心。地下设备层包括电机、管道、阀门等。为了实现水泵的自动控制，需对其加装传感器来控制阀门，同时真空泵的使用也增加了主排水系统的稳定性，更好地满足水泵的自动启停。

2.2 检测单元

矿井主排水泵系统的检测元件的选取按照其实际要求来进行考虑。在主排水泵工作中，水位监测、泵的温度监测、水泵压力监测和排水管路流量监测是必不可少的。选用超声波传感器来进行水位的监测，超声波从传感器探头中发射出来，不同的超声波数据在空气中具有不同的传播差，当探头接收到反射回波后可根据接收信号的时间差计算出水仓的水位。将两个超声波传感器分别安装在两个水箱中，时刻监测水箱中的水位，一旦水位超出预定值，传感器就会把信息及时传递给处理器，发出警告并执行相应的操作。压力传感器用来测量水管中的压力，通过换算可以得出流速，流量等信息，水压通过传感器转换为电信号，电信号再通过信号传输设备发送到PLC 控制器，控制器对其分析判断电动阀门的启停。

2.3 控制系统

本文主要针对排水泵的控制系统进行优化设计，控制系统作为排水作业的核心，主要具有设备故障报警、设备状态显示、智能化控制等功能。传感器采集的水仓水位、流速、流量、关键部件温度等参数传输给PLC 控制器，该控制器会对采集的数据进行处理判断并做出反应，实现对3 台排水泵的自动控制。控制中心的上位机可对水仓水位、电机温度、排水管压力进行实时显示。一旦出现错误，动态显示部分还可对此时的状况细节进行保存以便事后分析，并进行报警，引起相关人员注意。

图1 是水泵自动控制系统的详细配置图。PLC 主要对数据进行存储、分析和运算，并对相关信息进行判断，再向外发送指令。矿井下方设备分布不集中，使用远程输入/ 输出模式。本设计选择Siemens 的ET200M 当做远程处理核心，中央处理器选择CPU315-2DP。使用传感器完成设备参数的采集，包括但不限于合闸状态、球阀位置、流速流量等。参控模拟量数据通过模拟量输入模块传输。数字量输出模块输出PLC 指令。在具体的使用过程中，运用RS-232 和R-5485 这两个模块完成交互。

图1 水泵自动控制系统配置图

3 程序设计

3.1 PLC 软件设计

STEP7 是一种常用的PLC 程序编译工具，其具有功能强大、逻辑清晰、使用广泛的特点，本设计就是使用该工具进行编译的。按照设计预期，本程序需要具有备选功能和自动切除功能，系统中的3 台水泵需要能够使用任一备选机组，与此同时，在水泵闲置时，可以选择下一次进行作业的水泵，当正在作业的水泵遇到紧急故障时，系统会立即启用备用水泵，同时把故障水泵断电；人工模式功能，系统提供人机交互界面，可以切换到人工模式，对于较复杂的工作状况进行手动控制；顺位工作功能，系统内可以预设电机的工作时间间隔以实现多个电机的顺位工作，达到精准控制的目的；实时水位显示功能，通过传感器采集水位参数，将数据实时地显示在显示屏上，当水位高于设定水位时，可触发报警功能；智能控制功能，系统可以切换到智能控制模式，这时系统将自动工作，动态维持工作水位，确保水位始终处于预设的区间内。图2 是控制系统的具体的流程图。

图2 系统自动控制程序流程图

首先需要对系统进行一系列的检测，若是发现问题，系统应当切换到人工模式，进行人工操作；当问题被解决后，检测系统无任何异常后方可切换到智能控制模式。电源开启后，首先会接通电源柜，工控机开机，运行控制程序，完成自我检测，等待下一步指令。操作人员通过人机交互界面清楚地看到系统的工作状态以及工作模式，当系统处于智能控制模式时，根据预设程序自动完成一系列工作，一旦发生故障，系统会进行报警，同时切断故障部位的供电；在人工模式时，程序不参与工作，主要通过机械过程完成运作。

3.2 系统传感器

在本系统的开发设计中，为了能够实时地把握各个设备的具体工作状况，用到了较多的传感器。其中本系统中的全局传感器为超声波液位仪，为了保证精度和可靠性，使用了两个超声波液位仪对全局的信号进行采集。本系统中的局部传感器有多个，他们是通过不断地自我诊断、自我检测，通过较长时间尺度范围内的大量数据进行对比，绘制时间曲线来判断系统参数是否正常，实现对系统的自动监测。

4 应用效果分析

本文提出的基于PLC 编程的矿井排水泵智能控制系统，经过井下实际测试，能够胜任井下排水作业，保障煤炭开采，而且本系统智能控制模式功能强大，操作简单，及时地反馈可以保证其能够应对突发状况，在工况单一的时候可以使用智能控制模式，它能够稳定的维持运行，只需派人定期检查维护即可，大大降低了人工成本；人工模式可以应对更加复杂多变的工况，大大增加了本系统的适用范围。

5 结语

PLC 控制器的矿井主排水泵智能控制系统的应用，可以通过人机交互界面对系统进行二次开发，根据具体的工况以及其他外界影响因素来更大自由度地实现矿井水泵的工作时间的调整，以达到人性化、智能化、高效化的目的。同时系统可以连接局域网进行数据的传输或者进行远程操控，尽最大限度地保证人员安全，工作高效开展。