基于PLC 的矿井水泵自动化控制系统探究

2022-01-27赵辉

机械管理开发 2021年12期

赵辉

（西山煤电集团有限责任公司镇城底矿，山西太原 030000）

引言

随着煤矿开采深度的不断加大，巷道顶板承压水治理成为矿井开采重要的难题，承压水不能及时得到释放极易造成大面积涌水事故。同时矿井地下水与地面水通过断层、裂缝等涌入矿井，造成矿井透水，一旦发生矿井透水事故，极易造成人员伤亡，影响矿井正常生产[1]。煤矿主排水泵是矿井重要的排水设施。传统的主排水泵系统依靠人工操作，无法实现排量与涌水量的自动匹配，所以实现矿井主排水泵自动化控制成为了重要的研究课题。此前刘国香对矿井主排水泵的选型进行研究，考虑到涌水量较大，所以选用流量相对较大的水泵，并给出了水泵选型过程中各种参数的计算方法。郝玉辉[2]提出了一种新型的多功能水泵联动阀门，通过仿真分析，发现多功能水泵联动阀结构简单，结构效果良好，为煤矿井下排水系统的结构优化及矿井排水系统工作的可靠性奠定了基础。本文基于PLC 控制器对矿井主排水泵控制系统进行设计研究，实现了矿井主排水泵系统自动化控制的目的，为矿井防水做出一定的借鉴。

1 控制系统的硬件设计

在矿井排水泵系统中，一台排水泵往往不能满足矿井排水需求，多台排水泵虽能满足矿井的开采需求，但会造成管路资源浪费，所以一般情况下，矿井会采用一台排水泵正常工作，当出现矿井涌水量较大时，会启用另外一台排水泵，实行双泵工作模式。在此之外还需在矿区备用一台水泵，所以在整个排水系统中共需三台水泵，其中每台排水泵都拥有自身的电控系统和离心排水设备。

基于PLC 的矿井主排水控制系统一般有如下功能组成：控制功能，通过PLC 控制实现自动化排水的功能；通讯监控系统，通过传感器及传输光缆进行数据的交互，实现井上对井下的指挥调度；故障诊断功能，通过温度传感器、电流传感器等对系统的温度、电压、电流等进行动态监管，出现温度、电压、电流超过限定值时，立即发出报警，避免出现事故；参数监控系统，通过人机界面对温度、排水量及管道压力等参数进行监控[3]。由于设备在矿井内使用，所以在选定水泵的配套设备时需要考虑防爆，本文选定3 台三相异步电机，电动机的型号为YB25604-8900kW，电动机的功率为900 kW，转速为1 480 r/min，电动机的额定电压为10 kV。

对矿井主排水泵系统的检测元件进行设计，系统中的检测单位包含有水位传感器、温度传感器、压力传感器、超声波流量计等。水位传感器选用超声波传感器，其工作原理为利用探头发送超声波，从而得到不同超声波数据，根据声波在空气中的传播差，给出水位距离探头的距离，将超声波传感器布置在2个配水箱内，防止水位过高。温度传感器选用PT100无源接触式传感器。压力传感器将水管内部的压力信号进行转化，得出压力信号，将压力信号传输至PLC 控制器，从而提供电动阀启动、停止的判断。

中央水泵的控制系统由自动控制、故障报警、自动监测及动态显示组成。系统通过自动监测得出水仓水位、电机温度、排水管压力等数据，将数据传输至PLC 控制器，PLC 将接收到的信号进行判断，发出控制命令，对3 台排水泵进行自动化控制。同时水仓水位、电机温度、排水管压力等参数会在上位机的界面进行显示，如若系统检测出故障后会对故障进行报警，同时弹出故障界面，并留存故障数据，以备故障分析。中央水泵自动化控制系统硬件结构如下页图1 所示。

图1 水泵自动控制系统硬件结构图

如图1 所示，PLC 作为系统的核心部件，主要对监控数据进行处理及存储，通过运算逻辑输出控制命令，达到水泵的启停控制。充分考虑现场设备较为分散的特征，选定I/O 的方式进行控制及数据采集，选用CPU315-2DP 带SINECL2-DP 接口的CPU，本文选定西门子ET200M 为远程处理核心。数字量输入模块对设备状态进行采集，开关量包含球阀到位信号、断路器状态、闸阀到位信号、控制命令等，在PLC 控制器两侧配置32 路开关输入模块2 块。I/O部分配置32 路开关量输入模块1 块。在现场实际应用过程中，通过RS-232、RS-485 串联通讯模块实现通讯。

2 软件设计

对PLC 软件进行设计，系统的设计需要具备如下的功能：自动解除功能和备用选用功能，3 台排水泵可以任意选定备用机组，同时在水泵没有实际运行过程中可以进行切换，当一台泵机发生故障时可以迅速解除备用，保持正常运行；手动启动，提供人工操作界面，可以对某台设备进行人工启动；顺序启动，通过设动启动间隔时间实现电机的顺序启动；水位显示，当水仓水位低于后高于某一数值时，及时显示水位；自动控制，在无人监管时可以自行运转，当出现水位过高时及时抽排，当水位过低时及时补水。系统自动控制软件流程如图2 所示。

图2 系统自动控制软件流程图

开始时先进行系统检测，当存在故障时，系统进行手动操作，当无故障或者故障排除后方可进行自动、半自动操作。系统启动后，第一步需要与开关柜进行联通，启动I/O 处理程序，通过判断选定三种运行方式，操作人员可以通过控制板按钮位置判断运行模式，当处于自动操作模式时，自动进行系统运行，完成轮换工作，出现故障时，及时停止报警，当处于半自动操作模式时，需要人工选定排水泵运行，后续进行自动模式，选定手动模式时，PLC 不参与系统的整体运行。

传感器是矿井主排水泵系统的重要部件，其精度不足会大大降低系统的可靠性，传感器按照范围可分为全局传感器和局部传感器，全局传感器采用超声液位仪对全系统的数据进行检查，同时采用双传感器冗余配合，使得可靠性及精度都有一定幅度的提升。局部传感器是通过自我诊断对系统进行检测，将每个阶段的数据与上个阶段数据进行对比，形成数据曲线。