贺磊
陕西涌鑫矿业有限责任公司 陕西榆林719000
摘要：针对传统井下排水作业采用人工方式，无法科学、合理地控制排水量和排水时间，手工开启水泵和阀门工作量大，无法保证操作的准确性和及时性等问题，设计了一种基于PLC的排水自动化控制系统，实现了远程监控、保护等功能，最终达到了减人提效的目的。
关键词：井下排水；PLC；自动化控制
1系统总体设计思路
系统以PLC为中央处理器控制核心，以数据采集监测监控装置为载体，采用稳定可靠的传感器和执行器，在组态软件平台的支持下，利用已有的工业以太环网，建立自动化排水监控系统，实现地面远程监控、现场自动（手动）和检修控制，准确测量水位、水压、水泵状态、流量等参数，并根据相关策略通过高、低压启动装置合理调度水泵运行，实现数据上传、存储、数据共享，达成矿井排水系统的自动化和无人化。
系统可以划分为3层结构：①管理层为地面监控中心，放置2台服务器（1主1备）和1台工控计算机。监控中心是整个系统的大脑，它的任务是向井下控制层的处理器发送控制指令和运行参数设置，收集控制层采集到的数据，从而完成对整个系统运行状态的实时掌握，同时对数据进行分析处理，并进一步生成各种形式的报表或表格，针对系统各设备的状态自动生成维护保养建议、报警等。同时作为协调东、西区泵房排水时段的指挥中心，会根据地面水处理站的实际情况分配合理的排水方案；②传输层由环网交换机、光纤等组成，实现数据可靠传输，采用现有主干以太环网，可编程控制箱与网络实现对接；③控制层由可编程控制箱、传感器、电动闸阀、电动球阀、云台、摄像机等组成。
2自动化排水系统功能分析
自动排水控制系统功能包括数据采集功能、系统控制功能、节能功能、故障诊断功能以及实时多任务功能。
2.1数据采集功能
需要控制系统通过安装在管道以及水泵上的传感器采集开关量和模拟量。不同传感器为控制系统提供不同的信号数据，控制系统通过安装在水泵电机上的开停传感器传输开停信号，控制电动机的开停状态，通过安装在水泵内的压力传感器监测水泵内部的压力情况，根据压力监测值控制水泵开停状态。在水泵开启之前要进行吸水管路的真空度，通过安装在吸水管路内的真空压力感应器监测管路内部的真空度，控制系统根据监测值控制电动机的开停状态。液位传感是控制系统通过液位感应器监测水仓内部的水位变化情况，根据水位高低决定水泵开停状态。
2.2信息管理功能
井下排水自动控制系统通过PLC的编程能够实现水位信号的自动收集和识别功能，根据实时收集的水位信号，通过既定的计算程序计算单位时间内不同水位段的水位上升速率，并且通过各个部位传感器采集的压力、流量、温度、电流、电压等数据，综合分析排水系统运行状况，并对各类数据信息进行集中管理和处理，同时还会对整个排水系统中各设备的运行参数进行实时的记录，供检修或故障检查时使用。与此同时，有条件的地区可增加视频监控探头，实现信息的实时采集和图像化管理，提升井下排水信息管理的时效性和形象化程度。在进行视频监控管理中，应建立更大规模的数据储存系统，储存大量的视频信号。
2.3自动排水控制系统的控制功能
可以分为远控、于动以及集控三种方式，采用于动的方式是在水泵房的几种控制平台上，操作人员根据实际情况控制每个水泵的开停顺序以及相关设备的工作情况。集控方式同样也是在水泵房的操作平台之上实现控制操作，但是控制系统会根据预先设定的开停水泵条件，决定水泵的开停状态。远控方式对于水泵及其关联设备的开停控制则是在上位机水泵监控界面上完成，系统可根据操作人员的配置设置控制权限。
2.4故障诊断功能
自动控制系统通过各个感应器实现对于各个子系统运行状态的监测，查找运行故障。当系统根据水位监测情况开启水泵的时候，控制系统会在此之前提前启动射流泵或者是真空泵，对管路内的真空压力进行检测，当压力匾符合开启要求时则开启水泵电动机，同时将真空管路的阀门关闭。如果在水泵开启之后的一段时间之内，排水管路压力监测情况不满足测定值要求时，这时控制系统就会关闭排水泵，并发出故障报警信号。
3排水点监控系统硬件设计
通过分析系统任务，初步确定采用PLC为监控分站的主控制器，辅以流量、压力、液位传感器和行程开关等电子元件作为信息采集的第1阶段，从而完成对控制层及整个系统最底层的信息收集，配合控制器作为初步的信息处理工具进行数据的预处理，从而实现系统的底层控制。
控制层的实现方式：①根据系统中涉及的管路和受控器件的布置情况，确定各种不同传感器的安装数量和安装位置；②通过传感器和行程开关等，实时采集各个点的模拟量和开关量信号，并通过通信电缆，上传至监控分站，由监控分站内部的微处理单元进行数字化处理，并显示在就地显示屏上，同时通过井下现有的工业环网，上传至地面的监控中心；③监控分站根据各传感器的信息及内部的程序逻辑关系，做出对应的启停、报警等输出响应。
4排水点监控系统软件设计
系统软件采用模块化结构，包括1个主程序和多个子程序，主程序根据当前的运行模式，判断并决定应执行的子程序。运行模式：
（1）就地控制该模式主要用于检修维护，其功能主要包括控制启停，并且需要操作人员在就地控制箱上进行操作完成对水泵的控制。当某台水泵处于就地控制模式时，主程序在执行过程中会调用其就地控制子程序，并根据操作人员在就地控制箱的操作指令进行相应的动作输出。
（2）全自动模式主程序在每个执行周期都会对全自动子程序进行调用，并根据水位等信息实时地控制水泵的启停。该模块内置了1套优化控制策略，能够根据系统运行情况和水仓的工况进行智能决策，降低运行成本；同时，该模式具备水位变化率的识别能力，当水位突然发生较快的变化时，能够提前启动相应的水泵，提高事故的主动预防能力，同时还可以根据这种突发情况进行报警；另外，当具备启动水泵的条件时，系统还可以根据水泵的累计运行时间和水泵工作状态的历史数据，在主水泵和备用水泵之间进行选择，从而实现水泵的寿命周期管理，使2台水泵的磨损情况保持在相对均匀的水平。
（3）半自动控制模式该模式下，操作人员可以单独控制单台水泵的启停，同时水泵也可以根据系统监测到的当前运行情况、水仓水位变化情况等进行自动启停，以保障水仓排水工作的安全开展。半自动模式是本系统的基本控制模式。
5组态设计
组态设计主要是指地面监控中心中工控上的软件设计，其作用是远程监控井下设备的运行状态、存储其运行参数、自动生成报表和运行曲线并进行汇总保存；在井下设备或现场出现异常情况时，能够以声光形式进行报警，并记录报警信息。
6结语
煤矿排水系统是决定煤矿安全生产的主要环节之一，对于排水系统的控制将会对整个煤矿的安全生产带来十分现实的意义。而传统的人工排水系统控制方法不仅操作繁琐，并且对于操作人员的工作经验要求过高，同时也会给操作人员和控制人员的工作增加很多压力。采用自动化的控制系统不仅有效的避免了这些问题，同时还大大的提高了控制效率，另外自动化的控制系统通过PLC以及各个设备上的感应器能够实现整个排水系统的监测、检查、数据收集和管理以及故障报警和保护等功能，降低了排水系统运行成本和工作人员的工作强度，提高了排水系统的运行效率，确保了煤矿安全生产工作。
参考文献：
[1]温晓军.煤矿井下排水系统装置的自动化控制应用[J].石化技术,2020,27(02):308-309.
[2]王春进,赵玮烨.井下排水自动化控制系统研究与应用[J].煤矿机械,2019,40(05):136-138.