白 飞

（山西大同大学机电工程学院，大同 037009）

在煤矿开采过程中，往往会涌出大量地下含水，地表水在渗透作用下也会在井下汇集，井下水量过多不但会影响正常的煤矿开采作用，更会带来严重的安全隐患，危及作业作业人员的生命安全。因此，井下排水是煤矿生产过程中的重要安全措施，开发一套可靠、节能的井下排水系统具有非常重要的现实意义。

1 井下排水系统发展现状

早期采用手动的排水设备来对井下的水进行抽除，但落后的排水方式只能适用于小型煤矿或才矿井水量较小的情况，无法应对透水等突发事件[1]。现今各种自动化设备和智能化系统开始广泛应用煤矿井下排水，大大提高了煤矿开采的安全性[2]。在集成电路和各种可编程逻辑器件的发展下，数据采集、数据分析、自动预警、智能预测等更加先进完善的功能，现代控制理论、模糊控制、专家系统等应用到井下排水系统中，提高了系统的智能化水平[3]。

2 当前井下排水系统的不足

当前广泛采用的井下排水系统以手动操作为主，所有的运作都需要人的控制来完成，各种操作手柄和机械仪表较多，智能化程度极低。具体而言，当前的煤矿井下排水系统存在以下不足：（1）可靠性差。由于当前的井下排水系统需要频繁的人工干预才能完成排水作业，受人的经验和熟练程度影响较大。系统中大量的机械触点在长期使用中容易出现拒动或误操作。（2）效率低。现有的井下排水系统以人工操作为主，可实现自动控制的功能不多，依赖于人的手工操作来完成各种复杂的排水作业，其工作效率自然不高。（3）成本高。在缺乏自动化控制的条件下，排水系统的所有关键操作都需要由人来操作，占用大量人才物力，维护费用也居高不下。（4）智能程度低。现有的井下排水系统仅具备基本的排水功能，对于一些较高级的状态监测、数据采集、数据分析、故障诊断、报警预警等功能还未涉及。

3 基于PLC的井下自动排水控制系统设计

3.1 总体结构设计

本系统由井下水泵自动控制系统和井上调度中心两大部分构成，其中前者又包括了水泵综合控制箱、井下水仓、离心泵、射流泵、强排潜水泵、吸水管路、排水管路、传感器、电动闸阀、种类通信设备、供电系统等模块，主要负责执行井下排水与数据采集任务；井上高度中心则由工控机、服务器、交换机等组成，主要负责系统控制、数据分析与存储、数据显示与预警等功能。各采集、处理与显示设备之间采用TCP/IP通信协议进行数据交换。根据煤矿井下排水的具体需求，本系统设计了水泵控制、数据自动采集与监测、自动注水、闸阀控制、电机自动控制、强排设备控制、参数显示、数据通讯、系统保护、工作方式切换和远程管理等丰富的功能。

3.2 自动排水控制设计

系统的启动与停止主要受井下水位的控制。井下水位传感器会实时监测水位的动态变化，并不断地把数据发送给PLC主控单元，PLC接收到数据后会进行实时计算与分析，与系统内的预设值进行对比，如果水位高度大于预设值，PLC将发送一条启动指令，水泵电机开始运转，整个系统开始排水作业。系统在排水过程中，井下水位持续下降，水位信息实时传送给PLC主控单元，当水位低于预设值时，PLC将向水泵电机发出一条停止指令，水泵电机接收到命令后停止运行。系统同时具备手动控制与自动控制功能，当有人值守的时候，可由值班人员手动控制系统的启动与停止。当系统出现故障或者井下出现特殊情况需要启停系统时，须通过手动控制来实现。

3.3 系统硬件设计

3.3.1 关键设备选型

本系统的关键设备包括PLC芯片、水泵电机控制箱、软启动控制器和综合连接器。采用了西门子S7-1200作为主控芯片，该芯片内部集成了中央处理器、开关量模块、模拟量模块、通讯模块和以太网通讯模块，并且具有良好的自我诊断功能，充分利用了其工作可靠、编程简洁、使用方便、易于维护、开发周期短、体积小、功耗低等优点，完全可以满足本系统的功能和性能需求。考虑到煤矿现场环境的特殊性，现场设备必须具备高度的可靠性和安全性。水泵电机由控制箱进行控制，为保护内部的PLC芯片，控制箱矿用煤矿专用隔爆型综控箱，同时具备手动控制和远程控制功能。电机启动控制需要启动器设备来完成，为提高系统的安全性，水泵电机由煤矿专用的隔爆型软件启动器进行控制。为了完成控制系统中各设备的互连，系统采用了LFSSII-40综合连接器，使系统的结构更加紧凑，提高系统性能。

3.3.2 数据采集系统设计

根据井下排水的特点，本文设计了水位传感器、流量传感器、压力传感器、温度传感器、电压与电流传感器等检测模块，可以实现对水仓液位、管道流量、出口或入口水压、井下温度、以及电机电压电流等物理量的采集，基本可以为整个自动排水系统的科学运行提供完整的基础参数。采用XFH-D9000型超声波液位计对水位进行连续采集，输出4～20mA标准电流信号，通过线性变换后转换成水位值；采用TC-ZND型电磁流量计来实时采集水管内的流量，经线性变换后转换成流量值，通过RS485接口与主控单元进行通信；环境温度检测选用了目前工业领域广泛采用的 PT100 热电阻温度传感器；温度采集用GWP200-M表面式温度传感器；压力检测采用GYD60-Y2型压力传感器，作为电动闸阀的基本控制信号，该传感器也输出4～20mA的标准电流信号。

3.4 系统软件设计

3.4.1 主程序设计

主程序是对所有元器件和设备状态进行统一协调，通过内容逻辑的设计完成井下排水流程。系统软件设计了丰富的控制功能和人机交互功能，包括设备地址的设置、运行参数的设备、预警上下限的设置、“避峰填谷”节能算法、水泵调度与轮换、开关状态检测、故障报警等等，大大提高了系统的自动化水平。

3.4.2 “避峰填谷”算法设计

“避峰填谷”就是要避开水位高峰，迅速排水以保证井下作业安全，但水位过低时则无需立即启动水泵缺水，以节约能源。因此井下水位参数的实时监测是实现“避峰填谷”的重要前提。本文把井下水仓划分为5个水位节点，也就是6个水位区段，其中1号节点位于仓底，5号节点位于仓的上部作为预警上限值。将6个区段的水位平均上升速度预先写入PLC内存中，供程序查表使用，同时把井区的水文资料一同存入PLC内存，作为各区段水位上升速率限值的依据。当水位位于2号节点以下时，此时无需开启水泵，以实现“填谷”。当监测到当前水位已达3号节点，可开启1台水泵正常排水；当水位上升到4号节点，需开启两台水泵排水，以实现“避峰”；如果水位达到5号节点，应开启全部水泵排水，同时发出预警信号，提醒井下作业人员做好安全措施，直到水位下降到2号节点以下才解除预警。

3.4.3 水泵轮换算法设计

实际应用中，井下一般至少配备三台水泵可同时用于排水作业，但正常情况下，为了节约能源，不需要三台水泵同时排水。若反复开启同一台水泵，另外两台水泵处于闲置状态，会造成资源利用的不均衡，反复使用的水泵其寿命将迅速下降，因此设计了水泵轮换算法，使各台水泵轮流工作，保证设备寿命水平。为了实现该方案，每台水泵需要占用PLC内部的2个寄存器，分别存储该水泵的运行时间和次数，每次需要启动时，只需要启动时间和次数最少的水泵即可。

4 结语

本系统在某煤矿进行了为期一年的试运行，各项功能均保持正常，实现了井下排水的自动控制，同时通过避峰填谷”和“水泵轮换”的算法，使系统耗电量减少了12%。该系统还能在没有人干预的情况下满足较复杂的涌水情况，大大提高了井下作业的安全性，实现了井下排水系统的可靠、经济运行。