摘要：本文对煤矿井下主排水泵自动控制系统作了简介介绍，分析论述了煤矿井下主排水泵自动控制系统设计思路、煤矿井下主排水泵自动控制系统的主要功能、PLC应用井下主排水泵自动控制的功能、煤矿井下主排水泵自动控制系统硬件和软件的设计、煤矿井下主排水泵自动控制系统工作原理，以及主排水自动控制系统应用情况。
关键词：煤矿井下；主排水系统；PLC技术；自动控制系统
引言：煤矿井下生产作业期间，随着煤层的持续向前开采，其地层结构也会伴随发生改变，使得采区便贯通了地下储水层，以至于大量的水涌出。这些涌水若不及时地通过排水系统排出，就会诱发井下透水事故，并威胁着井下生产的安全。因此，井下主排水系统则是煤矿保证矿井安全的关键性设备之一，它在安全生产中发挥着举足轻重的作用。为了增强排水设备安全运行的可靠性，并提高设备的自动化控制程度，对煤矿井下排水系统就要设计成自动化控制系统。对此，可根据矿井实际情况和一些性能要求，采用PLC控制器为核心的自动化控制系统，以实现排水的全自动控制。
1 煤矿井下主排水泵自动控制系统简介
计算机控制已逐步被应用到工业生产和生活的方方面面，并为其各领域的发展注入了巨大的推动力。PLC可编程控制器，作为一种全新的高效自控装置，更是替代传统继电器应用的良好选择。传统的井下排水系统依靠继电器控制，主排水泵的一些动作又必须由工人手动控制来完成。该方式相较于PLC控制技术存在明显劣势。如将PLC技术应用到此主排水泵控制之中，这可通过控制中心的显示器实现对水泵运行的水位、流量、温度等状态参数实时监控。还可依据实际需求，通过通讯设施和控制主机实现对主排水泵的远程操控，使系统不仅灵活了，且安全性也更高了，能切实保障排水的安全。图1为主排水泵自动控制示意图。
2 煤矿井下主排水泵自动控制系统设计思路
1）控制系统结构分析。控制系统分五大部分构成（信息采集模块、自动轮换模块、自动控制模块、数据显示模块、故障报警和通讯模块），系统结构见示意图2。各模块的功能：①信息采集模块：它包括模拟量检测采集和数字量检测采集，前者针对水泵水位、水流量、电机电流大小和各机械装置工作温度等信息采集；后者用于对各机器工作状态信息检测采集（如启动柜断路器高压工作状态、真空泵工作状态、电抗器工作状态等）。②自动轮换模块：为避免主排水泵发生意外状况故障停机，常配备备用排水泵和相关电器。但是，长期备用泵若不启动运行，容易受潮等原因造成自身工作性能降低。对此，PLC系统自动轮换模块可依据以往运行参数按照一定顺序依次自动开启和关停这两种水泵，以保证平均使用。③自动控制模块：它的功能实现的关键在于能否准确检测井下水文情况。为了可靠起见，系统布设多套传感装置（包括多台水文传感器、开关量传感器和模拟量传感器），均布设在排水仓内，以实时监控水文变化，并将检测信息传输到PLC中。PLC则会依据接收的信息将水文信号划分为多个时段，分别计算不同时段内的水文增长速率，从而真实的进行涌水情况判定，并以此为依据控制水泵开闭。同时，也实现了“避峰填谷”的目的，能有效减少电耗。④显示模块：若选用国外最先进的触摸式显示技术，则能在显示屏上实现对主排水泵各组成部分工作状态相关数据的实时、准确、动态显示，并且根据显示图像色彩变化和闪烁标识等对设备故障或意外情况实施报警。⑤通讯模块：PLC系统能实现实时双向通讯（既可让操作人员借由控制端将操作指令实时传递到PLC控制系统中，实现对排水泵远程操作，又可以由PLC系统将监控设备运行状态信息通过显示屏展示给控制中心的工作人员）。其功能是通过通讯接口、通讯协议和触摸屏相互合作共同完成。
2）控制系统程序组成。其PLC系统控制程序包含命令程序和数据处理程序，前者用于控制命令发布和处理（记录打印、数据查询等）；后者用于数据文件创建（打印故障数据信息、打印运行日志并对数据长期存储等）。
3 煤矿井下主排水泵自动控制系统的主要功能
1）主要控制功能。①在无人值守情况下，系统通过监测水井水位和峰谷电价时机，按设定规则，合理调度三台水泵自动启停；②在地面集控室，可通过计算机鼠标或键盘实现水泵的启停；③可保留现有的分步手动控制方式。
2）主要显示功能。①在地面控制计算机上可显示并记录：各水泵工作状态、水位、每台泵出水口压力、入口真空度、各电动阀位置、电机工作电流、重要位置的温度等参数；②泵房操作台或现场仪表上能显示：水泵运行状态、电机电流和水井水位等参数。
3）主要信息管理功能。①记录各水泵的运行时刻和累计运行时间等参数；②有效记录水位、排水口压力、进水口真空度和阀门位置等历史资料(过去)；③能记录过去某时刻系统所处的运行状态，以及操作员的操作过程。
4）自动报警功能。若被检测参数超限或设备工作不正常时，在井下操作台和地面计算机显示屏上均有报警显示。
4 PLC应用井下主排水泵自动控制的功能分析
1）PLC系统程序设计。其主排水泵PLC控制程序，可通过STEP7软件编制实现。像西门子系列专用的标准编程软件，即可编制功能模块与语句表，还能进行逻辑图的编制。
2）系统所具备的功能。
运用模块化结构组合，使系统能依据实际需要对各模块功能进行分时、分段运行调试或维护，确保了程序操作的快速和精准；系统具备通讯模块，能实现控制显示屏和地面管理的实时通讯，为信息沟通提供便利，并具备远程操控功能；能依据水位或其它参数变化适时自动轮换水泵，对延长水泵使用期有利；能实时自动监测排水仓水位，并对增长速率进行计算分析，进而开闭水泵，实现能耗优化；具备良好的自保护功能，包括流量、高温、电机故障和电动阀故障保护等；具备自动、半自动和手动操控模式，可依据具体情况在自动和半自动模式下自动切换。
5 煤矿井下主排水泵自动控制系统硬件和软件的设计
1）硬件部分。系统硬件主要由井下和地面两部分组成，通过光纤环网和光电设备连接传输信号。地面部分包括监控计算机和监视器等，井下部分包括PLC控制器、本安型操作台、真空传感器、压力传感器、流量传感器、水位传感器、电机磁力启动器控制、出水闸阀开关控制、射流电磁阀控制和真空电磁阀控制等。①井下设备：排水泵房内设矿用PLC控制箱一台。任务：通过可编程控制器PLC的输入模块采集各监测传感器的信号，按程序要求自动控制水泵的启停；通过通信接口(RS-485)把信息传送给地面控制计算机，或操作台的命令控制水泵启停。在泵房安设本安操作台一个，主要用于系统工作方式的选择和就地控制排水泵的启停，并可设置三种操作方式中的一种。②主要监测传感器：水位传感器用于监测吸水井里的水位高低。压力传感器在排水泵出口安装，用于监测水泵出口处的压力。在每排水泵入口处安装本安压力传感器，用于监测水泵入口处的真空度。③地面监控设备：包括通信设备和控制计算机。主要由光信号接收转换器、西门子中继器、电源模块等组成。计算机选用IBM工控机，光信号接收转换器选用CVR/T单模光端机。
2）软件部分。①PLC程序:井下PLC监控系统是基于STEP7软件编写的，采用模块化结构编程，包括监测模块、数据模块、控制模块、显示模块和通信模块等。该编程方式能使系统运行安全可靠，修改方便，且易于扩展。②上位机程序：采用组态软件WINCC开发，可提供可视化过程、数据获取和监视控制功能。采用面向目标的开发方法，可快速容易按照操作设计处理、显示生产过程的数据。采用客户服务器体系结构，能提供数据在网络上的全面集成和共享，并提高监控系统的性能。使用WINCC组态软件还可根据生产系统和工艺流程的变化，进行制作和修改监控画面，也可随时修改界面上设备的颜色、形状、尺寸和位置等。
6 煤矿井下主排水泵自动控制系统工作原理
1）水泵的工作环节控制。排水泵的工作四个关键环节：即水位自动监控、射流抽真空控制、电机和闸阀操纵、设备运行参数监测。①水位自动监控环节：任务是对吸水井的水位进行实时监测，以便根据水位的高低监测情况自动发启、停水泵命令。系统采用投入式水位传感器监测水位，采集信号以模拟量形式输送给PLC控制器，PLC控制器根据采集的水位信号和设置的控制程序自动控制水泵的启停。②射流抽真空控制环节：排水泵只有在其叶轮完全淹没于水中的情况下，泵体内部才能靠叶轮高速旋转造成必要的真空度实现正常排水。假如真空度不够，泵内就有空气存在，将会造成不上水和转动部件“干烧”等故障。③电动闸阀电动机自动操纵环节：为减小排水泵电动机启动功率，其排水泵操作规程规定离心式水泵一定要关闭出水闸阀启动。当水泵停车时，为避免出现水锤事故，必须先关闭闸阀，再缓慢减小流速，最后停泵。启动过程：打开射流泵和抽真空控制阀—进行抽真空—真空度达到要求—启动水泵电机—水泵电机电流降至正常值，水泵出口压力达到设定值—打开闸阀，进行排水—关闭射流泵和抽真空控制阀。停泵过程：关闭电动闸阀，再关闭水泵电机。④设备运行参数监测环节：在水泵启动或运行过程中，要实时监测设备运行的相关参数。监测的主要参数为：入口真空度、进水管流量、出口压力、电机电流和电机温度等。参数不正常时，要及时停泵，转为启动另台水泵运行。
2）自动排水系统控制过程。通过传感器信号检测、PLC程序控制、执行机构动作完成排水泵启动、停止及水泵房的在线监测。启泵过程：①水位传感器监测得设定水位，并把信号传给PLC控制器。②PLC控制器输出信号启动射流泵和抽真空电磁阀，并对排水泵抽真空。③真空传感器监测真空度达到要求，传送信号给PLC控制器。④PLC控制器输出控制信号起动电机。⑤排水泵电动机起动，返回信号。⑥排水泵电动机电流降至正常值，水泵出口压力达到正常值，返回信号给PLC控制器。⑦启动闸阀进行排水，并返回信号给PLC控制器。⑧关闭抽真空设备。排水泵停泵过程：①水位传感器监测到吸水井低水位。②PLC控制器输出信号，驱动闸阀关闭。③关闭排水泵电动机。自动排水系统控制过程，详见图3所示。
7 主排水自动控制系统应用情况
该自动控制系统设计，应用在煤矿井下排水，运行比较稳定可靠，充分完全满足了现场的实际要求，并具有操作非常简单方便，安全可靠性高等诸多优点。其真正实现了水位检测的实时性和准确性，并且大大减轻了操作人员的劳动强度和降低了排水成本，又实现了泵房的无人值守的效果。
结束语：煤矿井下主排水系统，应用西门子S7型PLC系统为核心设计控制，其水泵的自动控制系统具有广阔的应用前景。期间通过有效和合理的设计，能使整个系统自动依据水位和流量的变化等参数跟随变化进行自动调节，这不仅有助于提升矿井排水的安全性，还能大幅降低电耗，使排水成本得以有效降低。借助通讯模块，又可实现对井下设备的远程操控。它能为实现矿井各生产系统设备的自动控制和现代化管理提供良好的技术保障，利用此可编程控制器PLC组成的监控平台，也可实现矿井各环节的全自动控制。
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