基于PLC的煤矿自动排水控制系统的设计

基于PLC的煤矿自动排水控制系统的设计

彭中卫

（临矿集团上海庙矿业有限责任公司山东临沂276000）

摘要：在煤矿企业的机电系统中，煤矿井下排水系统占据着重要地位，对于煤矿企业具有至关重要的意义。安全可靠的煤矿井下排水系统，有利于确保矿井高效率的安全生产，有利于切实保障煤矿工人的生命安全。本文浅析了基于PLC的煤矿自动排水控制系统的设计，以期为我国煤矿排水系统问题的解决提供借鉴。

关键词：PLC技术；煤矿自动排水；控制系统

前言：在煤矿矿井中，常会发生地下水和地面水对矿井的涌入。当煤矿矿井的排水能力，不足以将涌水排除矿井时，就会导致矿井水灾的发生。矿井水灾就是所谓的透水。在我国煤矿企业中，矿井透水事件普遍发生，对煤矿工人和煤矿资源造成了严重的损害。为确保煤矿矿井安全，必须加强对矿井排水系统的建设。传统的矿井排水系统大多采用人工操作，具有较大的局限性，相对落后。本文基于PLC提出了煤矿自动排水控制系统的设计，以增强煤矿企业的矿井安全。

一、硬件结构设计与控制

1、硬件结构组成

基于PLC的煤矿自动排水控制系统的设计，以实现排水系统的无人化操作为主要目标，其操作控制系统能实时监测矿井水位变化，并能实现及时预报与自动排水，避免矿井出现积水过多的情况，以减少矿井透水事故。基于PLC的煤矿自动排水控制系统的设计，主要有以下三种控制方式，即手动控制方式、半自动控制方式以及全自动控制方式。全自动控制方式是对煤矿矿井排水全过程的自动控制。全自动控制方式包括一系列的过程，诸如对矿井水位进行监测，及时报警、自动排水、对故障进行诊断和预报等[1]。为满足上述要求，煤矿自动排水系统要实现以下功能：（1）对煤矿排水系统运行的全自动控制。PLC控制系统能实时监测矿井水仓的水位变化情况，能根据实际情况，采用不同的工作方式设定。当出现设备故障，或者是运行参数失常的情况，相应的控制单元会对故障进行及时判断，并自动发出警报。（2）实时状态监测。PLC系统能通过对其检测单元的利用，实时监视煤矿矿井排水系统中各设备的实际运行。当检测到运行参数不正常的设备时，会进行自动报警，提示相关工作人员对之进行及时处理，实现对煤矿矿井顺利排水的有效保障。（3）安全稳定组态软件。PLC系统通过对人机交互界面的利用，实现对排水系统的实时监视，以对排水系统中各设备的运行动态实现实时显示。为满足这一工作需要，需要对安全稳定组态软件进行设计。（4）故障诊断与报警功能。基于PLC的煤矿自动排水控制系统，对各种排水故障，设置了相应的检测单元。通过这些检测单元，自动排水控制系统能对故障发生以及故障位置进行及时的准确判断，并能自动进行报警提示。对于关键设备的故障，自动排水控制系统能实现对设备运行的自动停止，并对故障进行处理以实现对事故的避免。

根据以上功能，基于PLC的煤矿自动排水控制系统主要包括以下硬件结构：PLC控制柜、上位机、排水设备以及传感器。PLC控制柜，是煤矿自动排水控制系统的控制核心。PLC控制柜对工业以太网络的连接主要通过应用光缆。PLC控制柜与上位机相连实现通信，连接并控制排水设备，形成煤矿矿井排水自动控制系统，实现对煤矿矿井水的自动抽排[2]。基于PLC的煤矿自动排水控制系统的结构，如下图所示：

2、系统主水泵的控制环节

（1）水位自动监测

系统主水泵对水位的自动监测，就是实时监测煤矿矿井的水仓水位，以为启、停泵程序命令提供参考依据。基于PLC的煤矿自动排水控制系统监测矿井水仓水位的设备是投入式传感器。传感器将水位情况转化为模拟量数据，由PLC控制单元实现对模拟量数据的采集接收和分析处理，进而准确判断矿井水仓的水位。根据水位的信号，通过PLC程序，实现对水泵自动启停的控制。

（2）真空度自动检测

对水泵入口处真空度的自动监测，有赖于矿用本安压力传感器。要将该传感器安装在排水泵的入口处。只有矿井中的水完全淹没水泵的叶轮时，叶轮在高速旋转中才会对水泵内部造成满足开泵的真空度，实现启泵排水的正常运行。如果水泵泵体缺乏足够的内部真空度，将无法实现启泵排水的正常运行。当水泵泵体缺乏足够的内部真空度时，泵体内部残存的空气会对水泵的抽水和转动造成阻碍，导致“干烧”等故障[3]。

（3）电动和闸阀电动机的自动操纵

在对离心式水泵进行启动时，要对出水闸阀启动进行关闭，实现对水泵启动功率的有效减小；当对离心式水泵进行停泵操作时，要对出水闸阀进行关闭，实现对流速的缓慢减小，然后实施停泵操作，实现对水锤事故的有效避免。

（4）对设备运行参数进行实时检测

要对主水泵系统主要的运行参数，诸如水泵泵体内部真空度、进水管的水流量、出口压力以及电机温度等进行监测。另外，要实时监测水泵在启动过程、运行过程等工作过程中的运行参数。对于不正常的运行参数，要对之进行及时报警，在情况必要时，要对不正常工作的水泵进行停止操作，同时对备用水泵进行启用。

3、系统主水泵的控制过程

基于PLC的煤矿自动排水控制系统，以矿井水仓的水位，作为控制系统主水泵组中水泵启停的条件。煤矿矿井井下水仓水位的划分依据是水仓的涌水量，由深入浅可将水位分为超限水位H1、报警水位H2、启泵水位H3、停泵水位H4四个水位段。其中，停泵水位H4就是水位的下限。同时，要对煤矿矿井峰谷用电量进行考虑，对水泵的运行台数和水泵的启停进行优化调控。要利用探测器对矿井水仓水位进行检测。水泵组在水位值为H1时，不应投入运行：在某时段，矿井水仓水位达到启泵水位时，首先对水泵泵体内部真空度进行检测，真空度足够时，实时启泵操作。当矿井水仓水位在H3时，要检测并判断矿井井下用电量的负荷值。在用电低谷，即矿井井下电网负荷较低时，可以实施立即启泵的操作；在用电高峰，即矿井井下电网负荷较高时，要暂缓对水泵的启动。当矿井水仓水位在H1时，无论电网负荷呈何种状态，都要立即启泵实时排水。基于PLC的煤矿自动排水控制系统对水泵开启台数的控制，主要以煤矿矿井水仓涌水量为依据。通过检测单元对水位进行检测，当矿井水仓水位到安全水位后，会实施对水泵机组的停泵操作[4]。

二、基于PLC的煤矿自动排水控制系统的软件设计

基于PLC的煤矿自动排水控制系统的软件程序，要实现对以下模块的控制：煤矿矿井井下水仓水位自动探测的模块，故障监测模块，自动报警模块，水泵的自动启停模块，水泵的优先启用模块等。通过对模块化结构设计的采用，实现对软件程序的逐条运行，当满足某运行阶段时，PLC控制系统对相应的功能模块进行调用，按程序指令实现功能动作的发生。全自动流程控制，如下图所示：

结语

基于PLC的煤矿自动排水控制系统，其控制核心，就是PLC系统。该自动排水系统能实现对煤矿矿井涌水有效的实时监控，并能及时发现并解决自动排水过程中的故障，实现矿井的自动排水，最终实现对矿井透水事故的有效减少。通过基于PLC的煤矿自动排水控制系统，实现对煤矿工人生命安全的有效保障，确保煤矿企业的资源优化配置和经济效益。

参考文献：

[1]丰永军.基于PLC的煤矿自动排水控制系统的设计[J].科技传播,2014(10).

[2]顾春禄,贾姝娟.基于PLC的煤矿排水系统的自动控制系统设计[J].煤矿机械,2014,35(2):180-181.

[3]杜正威,刘羽.基于PLC的煤矿排水系统的自动控制系统设计[J].工程技术:全文版,2017(2):00291-00291.

[4]李辉,孙越洋,于丛笑.基于PLC的煤矿自动排水控制系统的设计[J].神州旬刊,2016(1).