基于PLC 技术的矿井中央排水系统改造

基于PLC 技术的矿井中央排水系统改造

马志国 高鹏阔 赵永波

赤峰柴胡栏子黄金矿业有限公司 内蒙古赤峰 024039

摘要：针对汾西矿业两渡煤矿矿井原排水系统存在的问题，基于 PLC 控制技术的中央排水系统进行硬件、软件控制系统优化改造，从信息处理、自动化监测、实时监控和故障防护等应用分析。此次改造实现了矿井排水系统的减员增效、早期预警、易排故障、节能高效地优化改造。

关键词：矿井排水系统 PLC 技术 优化改造

1、^{两渡煤矿原排水系统概况}

两渡煤矿 +315 m 水平井底车场附近的中央排水系统与中央变电所联合布置。其中，+315 m 水平中央排水泵房设有3台D500-80×8型矿用排水泵，配套电机1000kW、6 kV，1 套液压站及3台ZDYF 型液压闸阀，水仓分为主、副水仓，总容量2300m3；沿副斜井布置三趟主排水管路，每趟管设置有 2 台 ZB90-24/300 型电动闸阀，水泵真空管路配置 3 套电动球阀。矿井水从出水点通过小泵或者自流入采区水仓，采区水泵房将收集的矿井水通过管路排入到中央主副水仓，再由中央排水系统经副斜井排至崔家沟工业广场的矿井水处理站。

集水池的水位抵达第一开机位后，液位继电器传达第一开机的信号，并通过1KA中间继电器发出，1KA中间继电器的触点关闭，1*排水泵以及2*排水泵获取开机信号，然而，因为轮换自投继电器触点关闭2*排水泵的回路，因此仅有1*排水泵通过1KA中间继电器与2KA以及2KM连通开始工作。

两渡矿排水控制系统的人工操作困难，且经常出现故障，系统功能落后，电量消耗高，设施设备购买力不足。如果系统发生故障，相关设施设备不能进行及时修复，抢险能力不足，安全隐患较高。

^{2、排水系统总体改造方案}

在 +315 m 水平中央排水泵房旁边的中央变电所设置的矿用隔爆兼本安型 PLC 控制中心，在主副水仓吸水井中增设超声波水位计、浮球液位开关等， 在水泵机组设置电机轴温度、转速等传感器及电动球阀，组成井下智能排水控制系统，进行井下水仓的水位、水量等实时数据信息收集、分析、保护及报警和控制，同时通过工业以太网与地面控制主机进行通讯，将井下数据传递到地面控制中心显示器；同时将地面控制、反馈指令下达给井下 PLC 控制中心及相关排水设备。基于 PLC 控制技术与矿井数据网融合的排水系统结构组成。

^{3、硬件系统的优化}

3.1保护控制系统的优化

原水泵房采用继电器控制改为采用德国西门子S7-200 工业控制可编程控制器（PLC）控制，控制器作为矿井排水系统的核心，它的作用为：检测监控水仓水位、电机电流电压、管道的排水流量及出水口压力等，具有分析、储存、传输相关数据信息和控制下位机、接受上位机命令。

3.2传感器的增设

在水仓吸水井安装液位传感器，在水泵加设温度传感器，管路上配置流量传感器、压力传感器、负压传感器；传感器接入 PLC 控制器。

^{4、软件系统的优化}

4.1软件设计

和原有的中央水泵房通过继电器控制的排水系统比较，在+315米水平的中央变电所安装矿用隔爆兼本质安全型矿井自动排水控制箱，内部安置PLC和过程控制软件，能够将中央水泵房的各类排水信息进行集中收集与处理，并采取计算最佳的控制策略。

此类软件能够将显示信息，报警信息，统计报表传达给上位机井下排水监控系统，达成水泵房监控子系统PLC数据和全矿井监控系统之间的信息共享，监测以及控制。

4.2界面设计

地面控制中心电脑界面具有显示各设备运行参数、管道及节点走向的主界面；同时设置有水位、压力、温度等参数显示界面和报警记录界面。

^{5、控制系统的优化}

与原来复杂的人工启动水泵相比，该水泵房自动排水系统设置地面和现场自动、现场手动、检修三种工作方式。

自动：设立现场以及地面自动两种方式，按照优先级明确控制的权限；按照水位的高度，计算并分析每台水泵能够轮换的工作和水泵启动的工作的规制。根据水位，自动排水工艺以及排水储水量来收集并分析各类信号，对水泵开启数量，排水管路以及水泵的名称进行计算，达成开闸阀启泵排水和抽真空整个过程的自动化。

手动：启动排水泵的数量和顺序与排水管路，手动开启或停止水泵；人工开启电动球阀，并对水位和水量进行观测，开启增压泵来进行管道注水工作。

检修：在检修班进行检修的过程中，人工的操作要先于远程操作，实施自动解除闭锁，操作电动球阀以及水泵等有关设施；按照自动化排水系统的检测，确定排水系统存在的各类故障。

^{6、应用效益}

6.1系统组网，智能监测

PLC 控制系统作为矿井智能化监控平台的重要子系统，拥有监测水泵各工况参数、水仓水位等信息的收集、处理功能，通过 TCP/IP 的 RJ45 接口与矿井智能化监控系统连接，实现基于 PLC 技术和数据融合技术的智能化排水系统。

以上控制系统由一批继电器、接触器搭建，元器件较多，控制回路复杂，故障率高，维护不便，而且无法接入矿井远程监控系统。选用具有抗干扰能力强、可靠性高、系统灵活、维护简单等优点的基于 PLC 数字控制系统对传统系统进行改造势在必行。

6.2减少人员，增效节能

系统具有自动控制和地面控制两种工作手段；依靠PLC处理系统，地面调度中心以及水泵现场集控中心进行集中控制，能够做到无人值守以及效率提升的目的。

按照水仓储水量改变，井下用电负荷以及矿井工作规制的相关信息，在电量使用高峰的期间使水仓尽量蓄水，停水泵处于等待状态；在电量使用低峰的期间调度启动水泵的顺序和数量，降低电力的消耗，延长水泵的使用寿命，达成井下泵房躲峰填谷的应用。

6.3水量监测，早期预警

根据水位传感器和水泵监测数据传感器的监测数据，实时监测水仓水位、电机功率、管道流量、轴承温度、管道真空度等参数，CPU 运算、模拟量水位上涨速度，结合平时收集的涌水数据对比，模糊理论定出矿井单位涌水量，实现突水事故的提前预知、提早预警、迅速紧急排水。

6.4操作简单，易排故障

地面调度中心以及井下集中控制平台能够进行远程的检查和启动停止控制，并能操作水泵的顺序设置，减少现场人员的操作困难，并大大缩减了由人为误操作导致水泵误启动的概率。

检修人员依照地面调度控制中心和现场控制中心显示器传达的各类报警情况和故障讯息，能够精确、及时探查到故障的种类和地点，从而检查并维修诸如电动机停止、真空压力缺少以及水泵轴承超温等相关故障。

6.5 PLC 软件部分

程序分为 4个部分，一个主程序以及 3 个子程序，主程序按条件分别调用子程序运行。3 个子程序分别为 IO（信号采集传送程序）负责将现场采集的信号上传给上位机显示；Remote（远程操作程序）改造增加上位机远程控制，与现场手动操作类似； Lunxun（水泵轮询运转程序）负责水泵轮循运转。其中 IO 子程序始终执行，实时负责上传现场采集各类开关量信号。Remote 和 Lunxun 这 2个子程序，则由上位机通过 PLC 内部位变量（%mx0.1.6）间接控制，当上位机置位 PLC 内部变量%mx0.1.6 则主程序调用执行 Remote 子程序，当上位机复位 PLC 内部变量%mx0.1.6 则主程序调用执行 Lunxun 子程序。

监控上位机操作远程的控制方式，PLC主程序对子程序进行远程控制。远程子程序达到的功能和手动方式相同，只是远程子程序把操作的信号从上位机改到PLC内部的变量值。上位机传递一个两秒的脉冲信号，远程子程序也不受现场液位传感器控制。

PLC 主程序实时调用自动轮循子程序， Lunxun 自动轮询子程序实现的功能与改造前自动模式相同。程序采用梯形图语言，类似继电器电路，逻辑功能见原控制方案分析。

总结：

通过改造，简化现场电气控制，减少故障点，提高供电可靠性。将煤矿排水系统接入矿井监控中心，值班人员不用去现场即可了解现场设备运行工况，通过PLC反馈到监控系统的信息可以及时发现故障点，迅速排除故障，保证系统正常运行。

参考文献：

1. 史文超. 基于PLC技术的矿井中央排水系统改造[J]. 机械管理开发， 2020, v.35;No.209(09):221-222.

2. 韩少勇. 基于PLC-SCADA技术的排水系统在某煤矿中的应用[J]. 机械工程师， 2020, No.348(06):72-74.

3. 张哲. 基于PLC对煤矿电控系统改造与应用分析[J]. 商品与质量， 2019, 000(001):110.

4. 鲁叶云. 基于PLC的井下排水系统自动控制过程设计[J]. 山西焦煤科技， 2019, 043(012):52-55.