摘 要: 煤矿排水系统的安全性和可靠性是煤矿井下安全的重要保障。本文重点阐述了此套基于 PLC 的煤矿排水系统的功能实现。
关键词: PLC; 煤矿排水; 控制系统
煤矿事故在我国属于高发性事故，据统计我国 2016 年全年共发生煤矿水害事故 6 起，死亡 21 人，触目惊心的数字除了带给我们警醒之外，也给矿井排水提出了新的要求。
1 功能设计
传统井下排水技术要求高，且排水策略和控制方式也严重落后。设备无法集控，信息收集误差大，设备数据掌握不精确，导致故障无法得到及时解决。控制策略落后，主要依照人工经验判定，缺乏足够的科学依据，无法对水位、涌水量以及水泵运行状态进行精确控制，使得系统可靠性大大下降。系统运行效率低，设备不适应节能减排要求。因此煤矿排水系统的自动化程度、安全性和可靠性直接关系到井下工人人身安全，因此，考虑到相应和全时作业的需求，开发出基于 PLC 技术的煤矿井下排水自动控制系统，以期提高排水效率，减轻人员工作量，提升煤矿井下作业安全性的目的，将系统主要功能设计如下。
出于对煤矿排水重要性的考虑，设计了三种控制模式即: 远程控制、井下集中操控和原地控制。进行远程控制时，由监测设备对水仓水位等关键数据进行检测，并根据工作水泵数量，开启顺序及各泵工作持续工作时长等要素做出判定，有可编程控制器执行预设程序。与此同时，监控中心工作人员也可以通过监控界面，完成对相关设备的启闭控制。当水泵操作台设置为集中控制模式时，操作员可以按预设程序对各水泵进行半自动控制，即通过操作台按钮开关将命令传递至可编程控制器，并有后者执行控制命令，此为井下集中操控。而当水泵操作台设置为就地控制模式时，通过为每台水泵配置的就地操作按钮箱，操作员即可操作按钮开关完成对单台水泵及配套设备的启停处理。而对每台水泵而言，则设置成三种不同的工作模式，即在本次操作中被优先开启的工作模式，在本次操作中出于备用，当当已有水泵无法满足排水需要即可开启的备用状态和水泵出于检查维修，暂时停用的检修状态。系统根据水仓水位及升速信号判断涌水量，作出自动启停水泵动作及工作水泵数量。当仅需少数水泵工作时，系统根据单台水泵累计运行时间，对所有水泵进行适度轮换。
井下环境条件复杂，对排水设备整机的保护必须十分周全。电机是排水系统的核心元件，当其出于过流、欠压或超压、超载等故障时，井下电网监控系统会对以上参数进行监测，并根据故障状态借由上位机和 PLC 之间的通信发出报警并进行控制。作为自动抽水系统，水泵并非在任何时候都处于工作状态，必须先启动真空泵监测真空管路压力值大小，只有当压力达到预设值时，水泵电机方才开启，与此同时，真空管路阀门关闭，此时排水管内的水压成为监测元素。但如果此中有故障发生，管内压力无法达到固定值时，系统便会启动自动当在一定时间内压力没有达到设定值时，系统就会自动停止水泵运行，并发出报警信号。
水仓水位信号对井下排水自动自动化而言是一个十分重要的参数。本系统中一共在水仓内设置有两套水位传感器，模拟量液位传感器和开关量液位开关。前者用以连续监测连续水仓水位，并传输至地面控制中心。后者则根据测得低水位、高水位和上限水位并与预设值进行对比后，发出启闭泵控制信号并发出水位语音报警。除去这三种种主要保护以外，系统还设置有电动闸阀保护、保护水泵轴承免受高温破坏的温度的超温保护。
系统的自动化运行离不开对各要素的自动监测，因此本系统中设置了大量的自动监测设备。水位信号是水泵自动化的重要的参数之一，本系统中采用的是超声波液位计，对缺水、低水位、高水位、高水位报警等四种不同的信号进行监测，同时结合峰谷电价的具体安排对水泵的工作进行灵活的配置，既保证水位安全也起到节能减排低耗电的效果。水泵出口的闸阀开度、水压以及及电动机电流大小都是影响水泵流量的重要因素，而这些参数也能最大程度地反应水泵的工作状况，因此流量是排水系统中不可忽视的检测要素，本系统中同样采用的是超声波流量计，当水泵工作过程中流程不足，便会发出信号，启动配备的保护装置，自动切换至其他水泵。除以上自动监测设备外，本系统还配备使用压力传感器进行水压自动监测，红外温度传感器对轴温进行自动监测，智能电量采集模块对电动机电流、电压、功率等要素进行电流自动监测，真空度传感器第泵内压力值和真空度等进行真空度监测。
2 系统组成及设计简述
考虑到以上设计功能，除了配置前文所述自动监测设备和安全保护装置外，还包括以下硬件组成，如:地面上位机、远程视频监控系统、信息传输平台、隔爆兼本质安全型 PLC 控制箱、显示操作台等。PLC 是整部系统的大脑，在选择时主要从其结构、扩展性和通信能力等方面进行考虑，综上本系统选择了西门子 S7-200 CPU226 系列 PLC，其扩展模块如下表所示。而组态软件采用的也是西门子旗下的 WinCC。
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3 结语
煤矿排水系统是煤矿井下安全的重要保障，对改善井下工作条件，降低工人劳动强度，保障排水系统安全运行具有重要的实践意义，同时为井下无人值守和自动化反应触发奠定了物质基础。值得在更大范围进行推广。
参考文献:
[1]李亚哲.煤矿井下主排水系统工业流程及其自动控制系统设计[J].工矿自动化，2011( 5) .
