朱信龍，李小剛，謝沛

（1.陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司,陜西榆林，719000；2.陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司,陜西神木，719300）

1 煤礦排水系統(tǒng)的組成和工作原理

1.1 煤礦排水系統(tǒng)整體組成

系統(tǒng)的組成部分主要由：變頻器、PLC、大功率三相水泵（2臺(tái)）、壓力變送器及其他控制組組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)中的變頻器功能主要是對(duì)水泵進(jìn)行軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速處理；水位傳感器的功能是將水位信號(hào)實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)(4～20Ma)，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊將其送入PLC中，進(jìn)而比較實(shí)際檢測(cè)與設(shè)定的水位信號(hào)是否存在異常；然后進(jìn)行邏輯運(yùn)算，再將最終結(jié)果傳送至變頻器上，變頻器再根據(jù)實(shí)際情況改變水泵轉(zhuǎn)速，其主要是根據(jù)上述所得結(jié)果控制變頻器的輸出頻率；同時(shí)，水位值通過(guò)PLC傳送至上位機(jī)，然后實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示；上位機(jī)發(fā)送信號(hào)至PLC上，就可以智能啟停同時(shí)控制水泵。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成

1.2 系統(tǒng)的工作原理分析

由于煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，排水模式的選擇尤為重要，尤其是在進(jìn)行排水系統(tǒng)上的自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制。在進(jìn)行排水模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，主要是通過(guò)連續(xù)閉環(huán)的PID進(jìn)行操控。基于實(shí)際水位與給定的水位值，對(duì)排水模式進(jìn)行比較，通過(guò)PLC的PID邏輯運(yùn)算發(fā)送系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號(hào)，從而對(duì)變頻器的輸出頻率以及水泵電動(dòng)機(jī)組的控制，最終實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)中排水量的調(diào)節(jié)。

從工作原理圖2所示可知：水位傳感器將煤礦井下的當(dāng)前實(shí)測(cè)水位情況反饋給地面時(shí)，首先將水位實(shí)際值傳送至水位傳感器的輸入端，將其與給定的水位值進(jìn)行比較。當(dāng)比較結(jié)果顯示煤礦井下的水位偏高時(shí)，通過(guò)運(yùn)算，調(diào)整PID參數(shù)，進(jìn)而根據(jù)差值相應(yīng)地提升變頻器的頻率。當(dāng)排水量隨著水泵轉(zhuǎn)速的增加而加大時(shí)，煤礦井下的水位也隨之降低。相反地，降低變頻器的頻率，排水量隨著水泵轉(zhuǎn)速的降低而水位下降速度減緩，那么礦井內(nèi)的水位也就下降緩慢。對(duì)此，需要保證變頻器頻率在穩(wěn)定值，這樣才可以保證自動(dòng)排水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 工作原理圖

2 煤礦井下排水模式自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件選擇

PLC是一種三項(xiàng)技術(shù)為一體的數(shù)字運(yùn)算操作系統(tǒng)，三項(xiàng)技術(shù)包括：計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和通信三種技術(shù)。三者高效融合可以使煤礦井下模式轉(zhuǎn)換得以自動(dòng)控制。

在型號(hào)選擇過(guò)程中，主要基于系統(tǒng)的I/O標(biāo)準(zhǔn),文本顯示器選擇的是帶防爆功能的TP04型號(hào)；上位機(jī)組態(tài)軟件選擇的是KingView軟件硬件系統(tǒng)中PLC控制核心采用SIMATICS7-200系列、EM223CN-I/O擴(kuò)展模塊、SIMATICS7-200模塊、CP243-1通訊模塊和EM231模擬量輸入擴(kuò)展模塊。

關(guān)于煤礦設(shè)計(jì)的文件中明文規(guī)定，基于系統(tǒng)需求,礦井水泵具備三種工作方式：正常狀態(tài)工作、發(fā)生事故時(shí)備用工作、自動(dòng)檢測(cè)修復(fù)。對(duì)于主排水控制系統(tǒng)中的PLC信號(hào)通常包括三種：模擬信號(hào)輸入、數(shù)字信號(hào)的輸出和輸入信號(hào)。這三種輸出信號(hào)輸出、輸入方式還包含很多工作方式以及運(yùn)行指示。因此，PLC中各個(gè)模塊之間都有著各自獨(dú)立的信號(hào)連接方式，PLC各模塊之間的信號(hào)連接見(jiàn)圖3。

圖3 PLC各模塊之間的信號(hào)連接圖

2.2 控制系統(tǒng)硬件連接

對(duì)于硬件設(shè)施，其設(shè)備外部的控制箱選擇的是可編程的防爆箱，外部電源通過(guò)變壓器的作用將其轉(zhuǎn)換成220V電壓，供電設(shè)備主要是開(kāi)關(guān)電源和PLC的CPU模塊。本安電源板一共包括6路24V直流電壓信號(hào)，開(kāi)關(guān)電源為其提供工作用電源，本安電源板中包括上述提到的很多重要設(shè)備，其中包括傳感器、繼電器、操作臺(tái)上的指示燈和文本顯示器等；排水自控系統(tǒng)顯示閥門(mén)開(kāi)關(guān)到位、輸入、傳感器電流等信號(hào)全部接入防爆箱裝置的喇叭嘴，然后連接數(shù)字量和模擬量傳輸至模塊中，其連接方式是通過(guò)航空電纜；同理，數(shù)字量輸出模塊的傳輸方式是將信號(hào)通過(guò)上述方式連接到執(zhí)行設(shè)備中；文本顯示器的功能是為顯示器提供該設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，是與CPU-226CN模塊上的RS485接口相連接。將光纖分線盒與CP243-1模塊的以太網(wǎng)接口相互連接，這樣就保證以太網(wǎng)的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，地面監(jiān)控室再經(jīng)過(guò)反向處理，光纖與地面光纖接線盒相連接，光信號(hào)又一次經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換成為以太網(wǎng)信號(hào)，再將經(jīng)過(guò)處理的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)列入工業(yè)范圍的以太網(wǎng)交換機(jī)，再將其連接至上位機(jī)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

啟停泵在執(zhí)行時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)嚴(yán)格，必須嚴(yán)格按照上述順序來(lái)執(zhí)行，否則會(huì)發(fā)生意外事故，如水錘效應(yīng)，一旦發(fā)生事故最輕的后果就是導(dǎo)致水泵故障，重則淹沒(méi)城池巷港、危及生命。所以，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的時(shí)候，一定要思考認(rèn)真、全面，不能有分毫的差錯(cuò)。對(duì)此，本文在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，引入多臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制法，當(dāng)單臺(tái)水泵在啟動(dòng)工作時(shí)是獨(dú)立的，各自有獨(dú)立的輸出控制，單臺(tái)水泵的運(yùn)行性能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的整體性能造成直接的影響；反之，當(dāng)為多臺(tái)水泵啟動(dòng)工作為多臺(tái)聯(lián)動(dòng)時(shí)，通過(guò)啟動(dòng)整體控制器，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。而在組態(tài)軟件的編程過(guò)程中，主要是人機(jī)交互的界面設(shè)計(jì)，通過(guò)這個(gè)軟件設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。此系統(tǒng)能夠進(jìn)行輸入域、輸出域、矢量圖等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的生成，并且基于其動(dòng)態(tài)性能可以進(jìn)行可視化監(jiān)控，也可能會(huì)出現(xiàn)集成消息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程記錄并監(jiān)控。

4 仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)煤礦井下排水模式自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)的有效性，在MATLAB仿真平臺(tái)，采用文獻(xiàn)3系統(tǒng)與文獻(xiàn)2系統(tǒng)為對(duì)比系統(tǒng)，以控制精度為指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果如圖表1所示：

由表1可知，在實(shí)驗(yàn)次數(shù)逐漸增加的情況下，采用文獻(xiàn)2系統(tǒng)時(shí)，其控制精度隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加而提高，控制精度約為79.09%；采用文獻(xiàn)3系統(tǒng)時(shí)，其控制精度前期增長(zhǎng)較慢，后逐漸增加，控制精度約為71.69%，將比文獻(xiàn)2系統(tǒng)控制精度降低了7.4%；采用本文系統(tǒng)時(shí)，其控制精度后期增長(zhǎng)較慢，但整體較高于文獻(xiàn)2系統(tǒng)和文獻(xiàn)3系統(tǒng)，控制精度約為90.1%，相比文獻(xiàn)2系統(tǒng)和文獻(xiàn)3系統(tǒng)分別提高了約11.01%，18.41%，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

表1 不同系統(tǒng)控制精度對(duì)比結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

近些年以來(lái)，我國(guó)礦山業(yè)迅速發(fā)展，自動(dòng)化生產(chǎn)已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，然后排水系統(tǒng)在安全生產(chǎn)保障中不容忽視。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化且集中控制對(duì)我國(guó)礦山企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行意義重大，其最終目標(biāo)就是要把井下的排水系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，再將其歸納至礦山中整體的控制中去，使礦山在各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都能夠集中控制，完成整體上的飛躍。PLC控制器不僅低成本、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且可以保證其運(yùn)行的可靠性能。與此同時(shí)PLC結(jié)合變頻器的方式實(shí)現(xiàn)了水泵可以平穩(wěn)啟動(dòng)，避免了傳統(tǒng)形式對(duì)電網(wǎng)的沖擊。運(yùn)行過(guò)程中可以對(duì)水泵進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，在一定程度上延長(zhǎng)閥門(mén)以及水泵的使用壽命，在節(jié)約電能方面具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。