煤矿井下泵房自动排水监控系统设计与改造

【摘 要】本文介绍了枣庄市留庄煤矿井下-320水平中央泵房排水系统在原有设施的基础上进行的自动化改造，设计了基于PLC的井下排水泵房自动排水监控系统。系统自动检测矿井水仓水位等参数，根据水仓水位的高低、矿井避峰填谷用电信息等因素，建立数学模型，对水泵的运行进行自动化控制。系统综合了工业控制技术和现代软件技术，保证了系统的稳定性和可靠性，并利用以太网通信技术，实现了矿井泵房的全自动监控管理。

【关键词】煤矿排水；组态技术；PLC控制；远程监控

0.绪论

本课题针对留庄煤矿现有排水系统存在的问题和不足，对替代人工监控的水位监测系统做了研究，应用先进的可编程控制器（PLC）控制系统来取代老式的继电器控制的排水系统，并用现代化的通讯技术实现了排水系统的远程测控。

1.煤矿井下排水自动控制系统的设计

1.1自动化系统的硬件设计

本系统的硬件由井下和地面两部分组成。井下硬件设备主要包括矿用隔爆兼本安型可编程控制箱、本安控制显示台、矿用隔爆型以太网交换机、电动闸阀、真空管路电动球阀以及各种检测传感器。地面硬件设备主要包括数据服务器、工业控制计算机、地面以太网交换机、监控电视墙等设备。井下和地面通过光缆进行通信，实现数据交换及更新。图1.1为系统结构示意图。

1.1.1井下设备：

（1）本安控制显示台：即井下操作台，操作台主要用于系统工作方式的选择和井下就地控制水泵的启停。操作台可以选择的操作方式有：①井下自动方式，PLC通过对输入参数的判断，自动控制水泵的启停；②井下手动方式，本系统保留了原有的操作方式，通过操作台上的按钮，按照原有开停水泵操作顺序依次操作启动各设备；③远程控制方式，允许地面集控室通过计算机对水泵进行控制。

（2）矿用隔爆兼本安型可编程控制箱：中央泵房设置矿用PLC控制箱一台，PLC通过判断各输入模块采集的各监测传感器的信号，按照程序要求自动控制水泵的工作，并通过通讯接口与地面集控室各计算机进行数据交换，根据地面计算机和操作台的命令控制水泵的启停。

（3）矿用隔爆型以太网交换机：内有数据光端机和视频光端机，将井下PLC数据与井下摄像头视频转换为光信号，通过光缆与地面集控室各设备进行通讯。

（4）主要监测传感器：①负压传感器：选用矿用本安型压力传感器监测水泵吸水管内的真空度，每台水泵安装一台。②正压传感器：选用矿用本安型压力传感器监测水泵出水口水压，每台水泵安装一台。③水位传感器：水位传感器用于监测水泵吸水井内的水位高低，内环水仓与外环水仓各安装一台。水仓水位的测量是排水控制系统的关键环节。系统采用了2 套水位检测装置来监测水仓中的水位，一套为 2 组浮球开关，分别用于检测内外环水仓几个水位点，包括超低限水位，低水位、高水位、超高限水位。另外一套是超声波水位传感器检测，用于探测水位细微变化，能够用来判断水位上升或者下降的趋势。它属于非接触式传感器，性能不受被检测介质的影响，精度较高。④流量传感器：采用超声波流量计监测排水管路的流量，每条排水管路安装一台。

在地面设置集控室用于各设备的安装及操作，主要设备有：地面交换机、数据服务器、视频服务器、电视墙等设备。

该系统选用了PLC作为中心控制器，完成模拟量输入、数字量输入输出、与上位机通信等功能。其中，需要处理的模拟量输入信号包括水仓水位高度，水泵出水口压力，真空度，水泵轴温，排水管流量，电机运行电流等。数字量输出控制信号包括各离心泵电动球阀的开关信号，各水泵电机的开关信号，排水管电动闸阀的开关信号等。数据监测模块检测各传感器状态，并将检测数据通过通讯模块传送至监控计算机，PLC控制水泵自动排水工作流程如图2.2所示。PLC控制器还对电机电流、水泵轴温、电机温度、排水管流量等变量进行检测，如果变量值超过设定范围，则进行超限报警。

PLC控制器通过以太网接口连接上位监控主机。主排水系统运行的模拟图可动态地显示在监控主机上，同时显示出4台水泵的运行参数。系统自动记录井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态，运行和故障数据，并可显示排水系统的故障点，便于操作人员查找问题。

本系统中设计有两条排水管路，用四台离心式排水泵进行排水，并且每一台排水泵都通过电动闸阀分别和两个排水管路相连接，这样，当其中一个管路出现故障或需要维修时，可以继续通过另外一个管路排水，排水工作不会中断。

系统的控制方式以PLC集中程序控制为主，控制器根据水仓的水位的高低，以及涌水量的大小，通过操作电动阀，实现开启或关闭排水泵。水泵自动控制系统包括自动、手动两种方式。自动控制方式工作时，系统根据程序设定条件和各设备之间的联锁关系，对排水系统的各种参数进行实时监控，并依据控制逻辑设定，完成对水泵及其它关联设备的开停控制。当出现涌水量异常增大的情况时，系统发出报警，并紧急启动水泵。当 PLC控制器发生故障，或者设备检修后需要单机试车的情况，可选择手动控制模式，进行系统测试。操作员可以根据各设备的联锁关系，依照操作规程按顺序控制水泵及其关联设备的开停控制。 1.3系统监控软件

地面计算机后台监控系统系统采用最近常用的组态王最新版本，以强大得Windows2000Server为平台，基于SQLServer 2000数据库处理系统，通过图形动态显示水泵运行状态，水井水位状态，采用改变图形颜色和闪烁功能进行事故报警。

井下操作台采用可视化操作界面，上位机采用组态软件WINCC进行开发，该应用软件为用户提供了数据获取和监视控制等功能。采用客户/服务器的结构体系，能够将数据全面集成和共享，为企业管理系统提供数据，提高监控系统的可靠性。

1.4系统的控制过程

自动排水系统通过信号检测、PLC集中控制、执行机构动作完成对水泵的启动、停止以及水泵运行状态的在线监测。

水泵启动过程：

（1）水位传感器侧得相对较高水位或准备开泵，并把信号传给PLC。

（2）PLC输出信号开启射流泵或真空泵，打开真空管路电动球阀，对选择水泵排真空。

（3）负压传感器监测真空度达到开泵要求，将信号传给PLC控制器。

（4）PLC输出信号开启水泵启动柜，启动电机，电机正常启动后返回信号。

（5）水泵出水口正压传感器监测水压达到要求，并返回信号。

（6）PLC控制器输出信号打开水泵出水口电动闸阀进行排水，并返回信号。

（7）PLC控制器输出信号关闭射流泵或真空泵、真空管路电动球阀，完成开泵过程。

水泵停止过程：

（1）水位传感器返回低水位信号或PLC控制器接到停泵操作。

（2）PLC控制器输出信号驱动电动闸阀关闭。

（3）PLC控制器输出信号关闭水泵机组。

2.总结

本文介绍了基于PLC的煤矿井下自动控制排水监控系统的软硬件的设计。排水系统在原来的设施基础上进行自动化改造后，运行良好，具有遥控、自动、就地、手动等多种工作方式。通过工业计算机的决策控制，对设备的运行状态、运行过程进行自动检测、自动控制，使设备达到最佳工作状态，从而达到有效地节约能源、降低劳动强度、降低运行成本和延长设备使用寿命等目的。系统综合了工业控制技术和现代软件技术，保证了系统的稳定性和可靠性，并可与全煤矿自动化系统进行联网，作为全煤矿自动化系统的一个子系统。上位机监控系统可由地面控制室监测水泵运行参数和控制开停。排水系统集中控制，实现了泵房的无人值守，具有较好的经济效益。 [科]

【参考文献】

[2]袁秀英.组态控制技术[M].北京：电子工业出版社，2003.