阳 天

（西山煤电 东曲矿运输科 运输一队，山西 古交 030200）

0 引言

煤炭开采的过程中，井下涌水必须及时排出以保证煤矿的安全，要求排水系统可靠、安全、高效地将涌水排出地面［1］。作为井下排水系统的核心设备，水泵控制系统的自动化水平与矿井排水工作密切相关。然而传统井下水泵仍然以人工控制为主，使用的控制手段还是以前的继电器控制，连线复杂、功耗大、低效，而且对排水系统的监测水平低，不能实时掌握排水系统的运行状况，导致启动和关闭水泵不能依据水位或其他参数实行自动化操作，极大地损耗人力、物力资源。因此，保证井下水泵系统的安全高效运行至关重要［2-3］。

为此，本文基于计算机控制技术、传感器检测技术、微控制技术、网络技术、人机组态技术等，设计了一套新型的矿井水泵自动化控制系统，该系统实现了检测、通信、显示、自动控制的四位一体，大大提高了井下排水系统的自动化、信息化、网络化水平，提高了煤矿的工作和效率。

1 水泵自动化控制系统总体方案设计

煤矿井下水泵自动化控制系统的总体方案如图1所示。整个系统由上位机监控系统、触摸屏、PLC控制系统、声光报警装置、传感器检测单元、执行单元、机械单元等部分组成。其中，传感器检测单元由各类矿用传感器组成，负责对水位、水泵抽水能力、进出水口压力、各进水口水量、重要零部件的温度、电机电压电流等重要参数进行检测，并传输给PLC控制器；声光报警装置负责对排水系统及周边环境出现的故障情况进行预警；PLC控制器负责对传感器检测单元传来的数据进行分析计算和智能处理，通过工业以太网与上位机监控系统进行通信，将处理后的结果上传给上位机，同时接收上位机下达的控制指令，对执行单元进行自动化控制；上位机监控系统采用组态王技术，工作人员可通过图形化界面对现场工作状况进行监视和指令的下达，同时，还可以实现参数实时显示、历史曲线趋势和报表输出、报警等多种功能。

图1 水泵机械单元自动化控制系统总体方案

2 硬件方案设计与选型

2.1 PLC控制器选型

PLC是控制系统中最重要的部分，其可靠性直接影响着整个系统的正常运行［4］，本系统选用西门子公司S7-300系列PLC，中央处理单元为CPU 315-2PN／DP，基于其极强的扩展能力以及系统的需求，该系统分别扩展了数字量输入SM321、数字量输出SM322、模拟量输入SM331和模拟量输出SM332，这些模块可将传感器检测到的数据通过智能的方式转换成标准的PLC信号。PLC之间以及PLC与上位机之间通过以太网进行通信。

2.2 各类检测传感器选型

为实现对排水系统性能参数及周围环境参数的检测，本系统选用传感器来作为检测信号的主要元件，为此，对各类传感器进行了严格的选型：①温度传感器：选用PT100热电阻温度传感器检测电机外壳温度和水泵轴承温度；②压力传感器：选用GYD60-Y2矿用压力传感器作为压力的检测元件，用于检测水泵入水管处和出水管处的压力变化，为电动闸阀的开关和水泵的启停提供信号；③流量传感器：选用TC-ZND电磁流量计来检测排水管的流量；④液位传感器：选用CL-EVA-05数字式传感器，安装于水仓中，目的是为了防止水位过高；选用XFH-D9000超声波液位计，安装在水仓水位之上，用于保证连续水位的监测；⑤电压电流传感器：选用输出为0A～5A的电流互感器和0V～5V的电压互感器，将电流与电压经过倍数降低转换后，变为0V～5V的电压信号，送入PLC中；⑥真空度检测传感器：采用ZDY-I型真空计对真空度进行测量，将其安装在与水泵内部接通的真空管道上［5－6］。

2.3 电动闸阀、电磁闸阀设计

为实现排水过程的自动控制，本系统将手动闸阀改为电动闸阀，通过闸阀上的接线端口与PLC相连，PLC可直接控制它的开关状态，同时在上位机监控系统界面，工作人员可直观地看到每个电动闸阀的开关状态。

本系统中，排水管路的出水阀选用兰陵MZ941H-25-DN300型电动闸阀；止回阀选用 H44H-40-DN300型矿用电动闸阀；控制抽真空的闸阀选用兰陵MGQ-40-DN25型真空阀与射流泵配套使用。

3 软件方案设计

3.1 PLC下位机监控程序设计

本系统采用STEP7软件编制水泵自动化控制系统控制程序。STEP7编程软件布局清晰、操作方便，用户可将复杂的程序构造化、模块化，即把程序划分成多个独立的子程序，简单、快速、顺利地设计出自动化控制流程［7］。

整个系统的监控流程如下：PLC软件启动后，首先对整个系统初始化，工作人员将控制指令输入到PLC进行控制方式选择，自动化控制系统实现了手动、半自动、自动三种控制方式；控制方式选择完成后，对煤矿井下的各类环境参数及设备性能参数进行检测，并选择水泵的启动台数；系统在运行过程中，通过水位传感器将水位变化信号发送至PLC，由PLC对水位变化数据进行检测和判断，从而对水泵进行启停控制。PLC自动控制模式选择流程图如图2所示。

3.2 上位机监控系统设计

为实现对水泵自动化控制系统的全面监控，使现场工作人员对井下排水系统以及周边环境有整体的了解，采用MCGS组态软件开发了一款具有友好人机交互界面的上位机监控系统，将它作为用户与水泵自动化控制系统交流的工具。

根据功能的需要，上位机监控系统包括用户登录界面、参数设置界面、配置生成界面、历史数据存储界面、实时数据报表曲线显示界面、历史数据曲线显示输出界面、远程控制界面等。上位机监控系统可选择自动化控制系统的工作模式，在自动化控制模式下，工作人员可对液位高低、水泵的投退进行自动选择，它的数据存储功能为工作人员提供了极大的方便，可对任何历史操作记录进行查询，为设备的维护、控制带来了极大的方便。本软件采用数据库储存的方式进行数据的保存［8］。图3为上位机监控系统的结构框图。

图2 水泵自动化控制系统控制模式选择流程

图3 上位机监控系统结构框图

4 结论

本文在分析煤矿井下传统水泵控制系统存在诸多不足的基础上，基于计算机技术、微控制器技术、传感器检测技术、组态王技术等提出一种新型的基于PLC的水泵自动化控制系统，实现了对井下排水系统的有效检测和自动化控制。该系统设计方案目前已在煤矿投入使用，运行结果表明，其改善了原有系统的不足，从技术和管理上保障了排水系统的稳定运行，降低了主排水泵的故障率，提高了水泵的使用效率，具有较高的经济性和可靠性。