趙美麗， 武小波

（1.山西科達(dá)自控股份有限公司， 山西 太原 030006；2.山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 035300）

引言

傳統(tǒng)的礦井排水系統(tǒng)依賴于繼電器技術(shù)運(yùn)行工作，因而以人工的方式來開動(dòng)水泵開關(guān)，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換控制，這種控制形式是無法達(dá)到自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制水位需求的，為井下采煤工作的開展造成了一定的阻礙，其一方面需要人力來完成設(shè)備操作，形成了較大的人力成本，同時(shí)工作人員的作息制度也在一定程度上影響了生產(chǎn)流程，加之人工測(cè)量的精確性無法得到保證，造成了一定的安全隱患，對(duì)于行業(yè)管理水平和技術(shù)發(fā)展造成了一定的影響。因而基于PLC 技術(shù)的礦井排水系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)費(fèi)的引入可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井排水的全方位監(jiān)控。

1 礦井排水控制系統(tǒng)和PLC 集控功能分析

1.1 礦井排水控制系統(tǒng)

礦井排水控制系統(tǒng)包括操作員站和歷史站這兩個(gè)部分。其中前者的功能在于及時(shí)監(jiān)控當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，在需要時(shí)即可進(jìn)行檢修，一旦發(fā)生涌水情況則可及時(shí)發(fā)布報(bào)警信息；而歷史站則可以對(duì)于以往的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行儲(chǔ)存，可以實(shí)現(xiàn)查詢功能；而最大電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則可以收集用電負(fù)荷情況，水泵控制站則可以對(duì)水泵進(jìn)行相關(guān)控制操作，具體見圖1。

1.2 PLC 集控系統(tǒng)功能要求

一般來說，PLC 集控系統(tǒng)的功能有以下幾點(diǎn)：第一，控制功能，該功能的實(shí)現(xiàn)可以借助于PLC 程序?qū)τ谂潘δ苓M(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)；第二，故障診斷功能，可以結(jié)合所獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析，診斷水泵運(yùn)行狀態(tài)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，具體數(shù)據(jù)包括有電流、電壓以及溫度等；第三，參數(shù)顯示，借助無人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示的水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)來讓工作人員掌握水泵運(yùn)行情況；最后，通信監(jiān)控功能，該功能需要借助于光纖通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，將井下水泵和地面控制中心進(jìn)行連通[1-2]。

2 PLC 集控系統(tǒng)架構(gòu)層次

本設(shè)計(jì)中的PLC 控制技術(shù)井下主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成形式為分布集控式，具體可以分為三個(gè)層級(jí)，分別是地面監(jiān)控層、通信邏輯層以及設(shè)備層。組件方面則包括了四個(gè)部分，分別是CPU 主站、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。下面分別對(duì)三個(gè)系統(tǒng)層級(jí)進(jìn)行介紹。

2.1 地面監(jiān)控層

地面監(jiān)控層的設(shè)備包括有工況機(jī)、工業(yè)電視和監(jiān)控組態(tài)組件，經(jīng)由覆蓋整個(gè)礦井的網(wǎng)絡(luò)來和井下不同作業(yè)面中的PLC 組件進(jìn)行連接。其中工況機(jī)和監(jiān)控設(shè)備的相關(guān)軟件可以及時(shí)采集主排水泵的作業(yè)參數(shù)，并且將相關(guān)信息傳輸?shù)降孛婵刂普旧?，讓技術(shù)人員可以基于所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)操作。

在本系統(tǒng)的設(shè)備選型上，傳感器應(yīng)用SIEMENS公司的超聲波液位計(jì)，該設(shè)備具有較高的精確度，且安裝簡(jiǎn)單該設(shè)備可以分別設(shè)置在兩個(gè)水倉，可以及時(shí)實(shí)現(xiàn)井下水位監(jiān)控的功能，傳感器探頭發(fā)射超聲波，并采集反射超聲波數(shù)據(jù)，通過計(jì)算時(shí)間差來判斷液面和探頭之間的高度差，進(jìn)而完成液面的測(cè)算，同時(shí)借助于網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳播出去。

2.2 通信邏輯層

通信邏輯層在PLC 集控系統(tǒng)當(dāng)中處于核心位置，主要經(jīng)由PLC 技術(shù)來收集水泵的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過邏輯分析來完成對(duì)故障的判斷。在作業(yè)過程中，PLC 系統(tǒng)可以結(jié)合所采集的水倉水位變化情況來遠(yuǎn)程操作水泵的開關(guān)。同時(shí)還可以收集水泵和配套設(shè)施的其他數(shù)據(jù)，如管壓、設(shè)備溫度等，這些信息都會(huì)在工況機(jī)顯示屏上得到顯示，讓地面技術(shù)人員可以更好地掌握井下排水泵的運(yùn)行情況。

2.3 設(shè)備層

設(shè)備層主要是井下排水設(shè)備，如主泵、電機(jī)、管道和閥門等?？梢栽谂潘到y(tǒng)中裝設(shè)傳感設(shè)備，并且將手控閥門改換為電控閥門，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操控水泵開關(guān)，還要替換真空泵。除此之外，為確保PLC 系統(tǒng)避免出現(xiàn)故障，則要將閘閥替換為電動(dòng)手動(dòng)兩用閘閥，讓系統(tǒng)安全穩(wěn)定性得到保證。

3 集控系統(tǒng)程序和組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

3.1 集控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)PLC 程序的過程中，還需要通過對(duì)硬件模塊和軟件系統(tǒng)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)配套模塊，并且還要具備實(shí)時(shí)輸入模塊數(shù)據(jù)的功能，明確組態(tài)I/O 模塊地質(zhì)，這樣才能進(jìn)一步開展系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制。在PLC 設(shè)備的啟動(dòng)過程中，其操作步驟如下：首先，對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，之后選擇是否進(jìn)行自動(dòng)控制，進(jìn)而進(jìn)入系統(tǒng)控制程序。在控制程序流程當(dāng)中還包括有不同類型的功能模塊，可以隨使用需求的不同來自行選用，如水泵控制、水位檢測(cè)、故障判斷等。圖2 為控制程序流程圖。

在作業(yè)過程中，可使用STEP7 工具進(jìn)行工作，并通過在線連接的形式來調(diào)試程序，這樣一來，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)強(qiáng)制更新、I/O 數(shù)據(jù)信號(hào)的啟閉等一系列功能都成為現(xiàn)實(shí)。

3.2 組態(tài)軟件功能設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中的軟件功能設(shè)計(jì)主要是指設(shè)計(jì)人機(jī)交互UI 界面，該界面需要友好易懂，從而讓工作人員能夠迅速掌握相關(guān)信息。該軟件設(shè)計(jì)是基于WINCC智能監(jiān)控軟件來完成的，在作業(yè)的過程中，可以及時(shí)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將其總結(jié)為趨勢(shì)圖和矢量圖，讓工作人員可以及時(shí)掌握設(shè)備的工作情況。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)也處于動(dòng)態(tài)變化之中，可以在可視化監(jiān)測(cè)技術(shù)的支持下遠(yuǎn)程查看系統(tǒng)的工作情況，掌握故障類型、方位。除此之外，在人機(jī)交互界面選擇觸摸屏設(shè)備，可以讓工作人員能夠更好地掌握水泵的情況并進(jìn)行及時(shí)控制，有效地提高了程序的易用性和有效性，為信息的處理帶來了便利。

4 結(jié)語

礦井排水系統(tǒng)直接關(guān)系到煤礦開采工作的順利開展，在過去的礦井排水系統(tǒng)當(dāng)中，其操作方式為繼電器，但是隨著國家對(duì)于煤礦安全問題重視程度的不斷提升，傳統(tǒng)的繼電器已經(jīng)無法適應(yīng)企業(yè)開采需求，PLC 技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為了一種趨勢(shì)。PLC 全自動(dòng)礦井排水技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)開采科學(xué)化、信息化，讓采礦效率得到了保證，更確保了工作人員的安全，因而針對(duì)其進(jìn)行分析有一定的現(xiàn)實(shí)意義。本文簡(jiǎn)要介紹了PLC 系統(tǒng)的作用和應(yīng)用于礦井排水系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)過程，總而言之，將自動(dòng)化排水系統(tǒng)應(yīng)用于礦井開采工作當(dāng)中優(yōu)勢(shì)較為明顯，對(duì)現(xiàn)有的煤礦開采技術(shù)進(jìn)行革新有一定的現(xiàn)實(shí)意義。