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基于PLC的矿井主排水泵控制系统研究

发表时间：2021/7/2 来源：《中国科技信息》2021年8月作者：张祥明

[导读] 在煤矿井下开采时，会涌入大量的地下水，而为了在避免井下做工人员生产安全的同时，确保煤矿的正常生产，则需要引入排水泵将涌出的地下水及时排出。

中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆市张祥明 400039

摘要：在煤矿井下开采时，会涌入大量的地下水，而为了在避免井下做工人员生产安全的同时，确保煤矿的正常生产，则需要引入排水泵将涌出的地下水及时排出。因此，在了解当前煤矿主排水泵使用现状的基础上，加强对其PLC自动控制系统的研究，为煤矿生产和人员安全提供可靠保障，已成为当前煤矿企业需要解决的关键问题。
关键词：PLC；矿井主排水泵；控制系统
        矿井排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程，透水事故通常发生在矿井建设和生产过程中，由于各种原因，地面水和地下水通过裂隙、断层、塌陷区等各种通道涌入矿井，当矿井涌水量超过正常排水能力时，就会造成矿井水灾，即煤矿透水。透水事故通常发生突然，人员来不及撤离，一旦发生，将严重影响矿井建设或煤炭开采工作，甚至淹没矿井，造成人员伤亡。目前，我国很多煤矿仍在使用传统的人工操作排水方式，这种方式排水效率低，可靠性差，人工劳动强度大，易发生误操作甚至重大伤亡事故，已成为阻碍矿井现代化发展的一个重要因素。另外，国内外一些机械化程度较高的矿井采用排水泵进行自动排水，排水泵大多采用以继电器为主的交流电器控制系统进行控制。但是这种排水系统复杂程度较高，继电器数量较多、节点布线难度较大、系统维护升级较为困难。
        随着自动化控制技术的发展，以PLC、计算机、互联网等技术为代表的控制方式在各个工业化领域中得到了广泛应用。基于PLC控制的矿井自动排水系统可对井下排水系统泵房的所有设备进行网络监视和控制，实现安全可靠的矿井主排水系统自动控制。
        1.PLC煤矿主排水泵自控系统功能及结构设计
        1.1系统功能
        基于PLC的煤矿主排水泵自控系统的设计应满足以下几方面的功能需求：控制功能，通过PLC程序设计实现自动排水功能；故障诊断功能，对电机温度、电流和电压实时动态监测，当超出设定警界值时，系统自动报警停止运行保护设备安全；参数显示功能，通过人机交互界面实时显示排水量、电机温度和管道压力参数；通信与监控功能，通过数据交互和通信光缆，实现井下PLC与地面工控机组连接，将数据传送到地面调度指挥中心，实时显示设备运行状态和信息。
        1.2结构设计
        PLC主排水泵自动控制系统原理如图1所示。

        由PLC负责对数据的采集、逻辑处理、故障诊断和存储等功能。系统根据采集到水位的变化情况对主排水泵进行远程启停，并对设备运行状态、电机温度和排水量进行收集，显示在触摸屏上，在通过数据交换设备传输到地面PLC控制中心。
        2.基于PLC的自动控制系统程序设计与应用
        2.1 PLC程序设计
        以STEP7软件编制对PLC程序进行设计，从而满足系统在梯形逻辑图以及功能模块图和语句方面的相关编辑需求。此外，对于主排水泵的不同工作环境，PLC的I/O模块和所连设备也不尽相同，可考虑将人机对话的接口模块引入到主排水泵的自动控制系统当中，以此来提高系统自身的操作性能，提高系统操作的便利性。整套控制程序流程如图2所示。为了使主排水泵各类参数和排水情况的信息能够更加快捷方便地传输至地面指挥中心，还应根据实际情况设置相应的网络接口模块，提高数据信息的流通性。需要说明的是，为使PLC输入端免受辐射或电磁干扰，可以光电耦合器作为系统电流的输入端，并以继电器、晶体管和晶闸管作为其输出端，确保自动控制系统的正常运行。

        2.2组态软件程序设计
        组态软件程序的设计是生成人机交互界面，便于开展实时动态监测。应用西门子的WINCC自动化监控软件设计程序，可生成标准化输出/输入域、棒图、趋势图和矢量图等，同时具有动态性能的属性，实现对系统运行的可视化监控，通过人机交互界面显示集成消息和故障诊断信息。水泵操作工只需通过设备显示触摸屏就可实现对系统的可视化控制。并通过光缆与地面上位机进行同步通信，达到远程监控的目的。
        2.3传感器的合理使用
        PLC作为专用工业控制核心，具有较高的可靠性，但其外围传感器在可靠性上的不足却会大大降低控制系统整体的可靠性。按照影响范围的不同，可以分成两大类，即全局性传感器和局部性传感器。
        ①全局传感器
        液位传感器是整个控制系统的控制依据，其采样信息是最重要的控制参数，因此对其可靠性的要求也更加苛刻。传感器采用超声液位仪，非接触时测量，具有较高的可靠性和测量精度，双传感器互为冗余。其冗余判断过程的逻辑判断是根据水泵的运行状态判断水位趋势，将两台传感器的测量值及传感器前后2个时刻的测量值分别进行比较，如比较结果异常应为传感器故障，则给出报警。
        ②局部传感器
        对于局部传感器，主要采取自诊断方式判断其是否正常工作，出现异常及时进行报警，提示工作人员进行维护或者更换。诊断方式主要根据采样值及其变化情况进行逻辑判断。每个周期对采样值进行判断，同时与前一采样周期的存储值进行比较，得出变化率，针对不同传感器的工作范围及工作特性进行逻辑判断，超限或突变时给出维护提示。
        结语：
        通过对我国煤矿主排水泵的使用现状进行分析，在对构建PLC主排水泵自动控制系统必要性的基础上，从系统功能、结构层次、PLC程序和组态软件程序等方面对基于PLC的煤矿主排水泵自动控制系统的设计方法做出了系统探究。研究结果表明，本文所设计的PLC煤矿主排水泵自动系统能够较好地满足对主排水泵工作状态进行实时监控的需求，对于预防井下水灾事故、保障煤矿作业人员安全具有重要的现实意义。
参考文献：
[1]袁媛,张然,李英辉.基于PLC的煤矿主排水泵自动控制系统设计[J].煤矿机械,2014,2(6):206-208.
[2]潘越，张朋飞，左光宇，等．基于PLC的矿井主排水泵变频调速系统设计[J]．自动化与仪表，2018，33（10）：28-32.