郭連敏

【摘 要】本文介紹了棗莊市留莊煤礦井下-320水平中央泵房排水系統(tǒng)在原有設(shè)施的基礎(chǔ)上進(jìn)行的自動(dòng)化改造，設(shè)計(jì)了基于PLC的井下排水泵房自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)礦井水倉水位等參數(shù)，根據(jù)水倉水位的高低、礦井避峰填谷用電信息等因素，建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)水泵的運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)化控制。系統(tǒng)綜合了工業(yè)控制技術(shù)和現(xiàn)代軟件技術(shù)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并利用以太網(wǎng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了礦井泵房的全自動(dòng)監(jiān)控管理。

【關(guān)鍵詞】煤礦排水；組態(tài)技術(shù)；PLC控制；遠(yuǎn)程監(jiān)控

0.緒論

棗莊市留莊煤業(yè)有限公司井田位于級(jí)索、濱湖兩鎮(zhèn)境內(nèi)。礦井于1988年開始組織建井，1993年試生產(chǎn)，1997年11月正式投產(chǎn)達(dá)標(biāo)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力30萬噸/年，核定生產(chǎn)能力65萬噸/年。井田地質(zhì)構(gòu)造屬中等型。水文地質(zhì)屬中等類型，主要充水含水層有三灰、五灰、十下灰、十二灰、十四灰、奧灰。礦井-320水平中央泵房排水系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著礦井主要的排水任務(wù)，各采區(qū)涌水排到-320中央泵房的水倉中，再由中央泵房的排水系統(tǒng)排出礦井。礦井最初設(shè)計(jì)時(shí)，采用傳統(tǒng)的繼電器控制排水系統(tǒng)，主排水泵是四臺(tái)多級(jí)離心泵型號(hào)為200D-43*9，揚(yáng)程為387m，每臺(tái)水泵的額定流量為280m3/h；水泵電機(jī)采用電抗器降壓起動(dòng)，電機(jī)型號(hào)為YB24004-4TH，電機(jī)額定電壓為6kV，額定功率為450KW。排水泵房的起停操作和判斷，完全依賴于工人的操作經(jīng)驗(yàn)和已有的操作規(guī)程。這種系統(tǒng)存在的主要問題是操作工序復(fù)雜，操作水平因人而異，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，不適合現(xiàn)代化的要求。另外，人工操作也存在著較大的安全隱患，容易損壞部件，不利于降低煤礦企業(yè)的運(yùn)行成本。

本課題針對(duì)留莊煤礦現(xiàn)有排水系統(tǒng)存在的問題和不足，對(duì)替代人工監(jiān)控的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)做了研究，應(yīng)用先進(jìn)的可編程控制器（PLC）控制系統(tǒng)來取代老式的繼電器控制的排水系統(tǒng)，并用現(xiàn)代化的通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了排水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程測(cè)控。

1.煤礦井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件由井下和地面兩部分組成。井下硬件設(shè)備主要包括礦用隔爆兼本安型可編程控制箱、本安控制顯示臺(tái)、礦用隔爆型以太網(wǎng)交換機(jī)、電動(dòng)閘閥、真空管路電動(dòng)球閥以及各種檢測(cè)傳感器。地面硬件設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、地面以太網(wǎng)交換機(jī)、監(jiān)控電視墻等設(shè)備。井下和地面通過光纜進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換及更新。圖1.1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

1.1.1井下設(shè)備：

（1）本安控制顯示臺(tái)：即井下操作臺(tái)，操作臺(tái)主要用于系統(tǒng)工作方式的選擇和井下就地控制水泵的啟停。操作臺(tái)可以選擇的操作方式有：①井下自動(dòng)方式，PLC通過對(duì)輸入?yún)?shù)的判斷，自動(dòng)控制水泵的啟停；②井下手動(dòng)方式，本系統(tǒng)保留了原有的操作方式，通過操作臺(tái)上的按鈕，按照原有開停水泵操作順序依次操作啟動(dòng)各設(shè)備；③遠(yuǎn)程控制方式，允許地面集控室通過計(jì)算機(jī)對(duì)水泵進(jìn)行控制。

（2）礦用隔爆兼本安型可編程控制箱：中央泵房設(shè)置礦用PLC控制箱一臺(tái)，PLC通過判斷各輸入模塊采集的各監(jiān)測(cè)傳感器的信號(hào)，按照程序要求自動(dòng)控制水泵的工作，并通過通訊接口與地面集控室各計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)地面計(jì)算機(jī)和操作臺(tái)的命令控制水泵的啟停。

（3）礦用隔爆型以太網(wǎng)交換機(jī)：內(nèi)有數(shù)據(jù)光端機(jī)和視頻光端機(jī)，將井下PLC數(shù)據(jù)與井下攝像頭視頻轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過光纜與地面集控室各設(shè)備進(jìn)行通訊。

（4）主要監(jiān)測(cè)傳感器：①負(fù)壓傳感器：選用礦用本安型壓力傳感器監(jiān)測(cè)水泵吸水管內(nèi)的真空度，每臺(tái)水泵安裝一臺(tái)。②正壓傳感器：選用礦用本安型壓力傳感器監(jiān)測(cè)水泵出水口水壓，每臺(tái)水泵安裝一臺(tái)。③水位傳感器：水位傳感器用于監(jiān)測(cè)水泵吸水井內(nèi)的水位高低，內(nèi)環(huán)水倉與外環(huán)水倉各安裝一臺(tái)。水倉水位的測(cè)量是排水控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。系統(tǒng)采用了2 套水位檢測(cè)裝置來監(jiān)測(cè)水倉中的水位，一套為 2 組浮球開關(guān)，分別用于檢測(cè)內(nèi)外環(huán)水倉幾個(gè)水位點(diǎn)，包括超低限水位，低水位、高水位、超高限水位。另外一套是超聲波水位傳感器檢測(cè)，用于探測(cè)水位細(xì)微變化，能夠用來判斷水位上升或者下降的趨勢(shì)。它屬于非接觸式傳感器，性能不受被檢測(cè)介質(zhì)的影響，精度較高。④流量傳感器：采用超聲波流量計(jì)監(jiān)測(cè)排水管路的流量，每條排水管路安裝一臺(tái)。

1.1.2地面設(shè)備

在地面設(shè)置集控室用于各設(shè)備的安裝及操作，主要設(shè)備有：地面交換機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、視頻服務(wù)器、電視墻等設(shè)備。

1.2系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)選用了PLC作為中心控制器，完成模擬量輸入、數(shù)字量輸入輸出、與上位機(jī)通信等功能。其中，需要處理的模擬量輸入信號(hào)包括水倉水位高度，水泵出水口壓力，真空度，水泵軸溫，排水管流量，電機(jī)運(yùn)行電流等。數(shù)字量輸出控制信號(hào)包括各離心泵電動(dòng)球閥的開關(guān)信號(hào)，各水泵電機(jī)的開關(guān)信號(hào)，排水管電動(dòng)閘閥的開關(guān)信號(hào)等。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊檢測(cè)各傳感器狀態(tài)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過通訊模塊傳送至監(jiān)控計(jì)算機(jī)，PLC控制水泵自動(dòng)排水工作流程如圖2.2所示。PLC控制器還對(duì)電機(jī)電流、水泵軸溫、電機(jī)溫度、排水管流量等變量進(jìn)行檢測(cè)，如果變量值超過設(shè)定范圍，則進(jìn)行超限報(bào)警。

PLC控制器通過以太網(wǎng)接口連接上位監(jiān)控主機(jī)。主排水系統(tǒng)運(yùn)行的模擬圖可動(dòng)態(tài)地顯示在監(jiān)控主機(jī)上，同時(shí)顯示出4臺(tái)水泵的運(yùn)行參數(shù)。系統(tǒng)自動(dòng)記錄井下主排水系統(tǒng)設(shè)備的所有檢測(cè)數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，運(yùn)行和故障數(shù)據(jù)，并可顯示排水系統(tǒng)的故障點(diǎn)，便于操作人員查找問題。

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有兩條排水管路，用四臺(tái)離心式排水泵進(jìn)行排水，并且每一臺(tái)排水泵都通過電動(dòng)閘閥分別和兩個(gè)排水管路相連接，這樣，當(dāng)其中一個(gè)管路出現(xiàn)故障或需要維修時(shí)，可以繼續(xù)通過另外一個(gè)管路排水，排水工作不會(huì)中斷。

系統(tǒng)的控制方式以PLC集中程序控制為主，控制器根據(jù)水倉的水位的高低，以及涌水量的大小，通過操作電動(dòng)閥，實(shí)現(xiàn)開啟或關(guān)閉排水泵。水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)包括自動(dòng)、手動(dòng)兩種方式。自動(dòng)控制方式工作時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)程序設(shè)定條件和各設(shè)備之間的聯(lián)鎖關(guān)系，對(duì)排水系統(tǒng)的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并依據(jù)控制邏輯設(shè)定，完成對(duì)水泵及其它關(guān)聯(lián)設(shè)備的開停控制。當(dāng)出現(xiàn)涌水量異常增大的情況時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，并緊急啟動(dòng)水泵。當(dāng) PLC控制器發(fā)生故障，或者設(shè)備檢修后需要單機(jī)試車的情況，可選擇手動(dòng)控制模式，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。操作員可以根據(jù)各設(shè)備的聯(lián)鎖關(guān)系，依照操作規(guī)程按順序控制水泵及其關(guān)聯(lián)設(shè)備的開?？刂?。