PLC技术下煤矿井下排水自动控制系统的设计与实现

PLC技术下煤矿井下排水自动控制系统的设计与实现

贾雪

神华神东煤炭集团公司柳塔煤矿内蒙古鄂尔多斯017209

摘要：为加快矿井自动化、智能化建设步伐，神东柳塔煤矿通过改造实现了矿井排水泵房的无人值守，改变了原有传统的固定场所安放岗位工的管理模式，实现了设备运行状态及运行参数远程监测与控制。本文主要介绍了罗克纬尔公司AB－PLC在井下排水泵房控制系统中的应用，介绍了在排水泵房中的设备配置、工作原理、实现方法及主要环节控制程序，使排水泵房实现远程自动化控制，从而达到降低劳动强度、降低运行成本、延长设备使用寿命、提高了工作效率及安全性等目的。在新常态下煤矿面临新的发展趋势值得推广使用。

关键词：柳塔煤矿；排水泵房；PLC；自动化控制

1引言

柳塔煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内，井田面积13.62平方公里，年生产能力300万吨/年。井下共有7座排水泵房，其中22煤2座，12煤1座，西盘区4座。过去的管理模式中，每一个排水泵房每班都需要安放一名岗位工进行现场监测与控制，鉴于此情况，柳塔煤矿通过自动化升级改造，实现了只需要安设两名流动巡视工进行流动巡查即可，各水泵房的监测与控制信息通过自动化三层网络传送到矿调度室和机电队监控室。值班人员通过监控主机可以查看各个水泵房的相关信息。现就西部2#中转泵房为例介绍罗克纬尔公司AB－PLC在柳塔煤矿井下排水泵房控制系统中的应用。

图一：工控机上泵房监控画面

2概述

该排水泵房设置工作、备用、检修三台水泵[1]，此处选用卧式多级离心泵，配套电机160kW，二趟DN200管路，一用一备。正常涌水时，一趟工作，一趟备用；最大涌水时，二趟同时工作。水泵工作制为：正常涌水时，一台工作，一台备用，一台检修，最大涌水量时，两台工作，一台备用或检修。排水泵房的控制为自动化排水集中监控。装设电动机电流、电动机温度、轴承温度、启动水泵时真空度、排水管流量、水仓水位等监测装置，并应就地及集中显示，同时能超限报警。自动化排水集中监控，根据水仓水位监测信号控制排水泵启停。此系统中三台水泵及其附属的管路电动阀、传感器等装置实现PLC自动化控制及运行自动检测，并通过人机操作界面及上位机以图形、图像、文字、数据等方式，形象、直观、实时的反映系统工作状态以及水仓水位、电机温度、轴承温度、两趟排水管流量等参数，并通过工业以太网将这些参数传至地面生产调度中心，与综合监测监控主机实现数据交换，以便进行实时监测监控水泵运行状态、水泵启停控制方式选择、水泵自动轮换及故障报警等控制。实现本系统集中监控、显示、通讯为一体的集中自动化控制系统。

2.1集中控制系统的工作原理

数据的自动采集主要由PLC实现，PLC模拟量输入模块通过传感器连续检测水仓水位，通过监测的水仓水位信号，来控制排水泵的启停。排水管流量、水泵轴温、电机温度、电机电流等传感变送器，主要用于监测水泵和电机的运行状况以及超限报警，以避免水泵与电机损坏。而PLC的数字量输入模块则把各种开关量信号采集到PLC中作为逻辑处理判断的条件及依据，控制排水泵的启停。

2.2控制过程说明

2.2.1水仓水位检测。整个控制系统都是围绕水仓水位为核心进行的，因此，保证精确的水位检测至关重要。为此，本系统特采用水位传感器监测水位的变化，从而控制整个排水系统。

2.2.2启动水泵。水仓水位上限传感器传送PLC输出控制指令，PLC检测返回的出水口压力信号，PLC检测水泵泵组设备的信息，在确定无故障的情况下，输出启动水泵电机信号，电机返回启动信号，水泵出水压力大于设定值，启动排水泵闸阀，启动水泵电机。

2.2.3出水口压力检测。通过在水泵出水口处设置压力传感器，用以检测水泵的水口压力。当水泵已启动但排水闸阀尚未打开时，要求压力必须大于设定值才能打开闸阀，否则说明水泵未上水，需要立即停泵。正常运行，通过实时监测出水口压力值来判断水泵排水是否正常。

2.2.4停机。为了防止水锤效应的产生，当水仓水位下降到设定的低水位时，首先关闭排水管的电动闸阀，然后关闭水泵电机，使其停止工作。

3控制系统硬件设计

控制系统硬件主要包括PLC控制柜及柜内模块配置、就地控制箱配电柜、液位传感器、流量传感器、压力传感器、电动阀等。系统的主要被控对象为：水泵电机、电动闸阀等。

PLC柜安装于井下配电点内。可编程逻辑控制器选用罗克韦尔公司旗下AB的ControlLogix系统PLC产品，并选用1756系列相应的模块配置与之配合工作。ControlLogix控制器采用了模块化的设计，无源数据总线背板结构。包括处理器在内所有单元，根据功能设计成各种模块，典型的处理器模块如Logix5000处理器，所有的模块都安装于标准的ControlLogix机架内。为实现水泵监控子系统与全矿井监控系统可通讯，PLC柜通过工业以太网模块接入全矿井自动化控制系统。

3.1集控电源系统设计

集控电源（AC660V）引自井下泵房组合开关，进入PLC柜后，通过变压器DG-0.5-660/220V，将660V电压变为220V，再经电源滤波器PUIIIR230V6KV滤波变化等变换，最终处理为AC220V和DC24V电源，分别向机架电源、仪器仪表、传感器、PLC模块、Flex等供电。

3.2PLC柜内模块配置

根据模块点位统计，PLC柜内安装13槽机架1756-A13一个，机架电源选用1756-PB72一个，CPU处理器选用1756-L61一块，机架号为000，以太网通讯模块1756-ENBT一块机架号为001，DeviceNet通讯模块1756-DNB两块，机架号分别为002、003、16点开关量输入模块1756-IB16两块，机架号分别为004、005，16点继电器输出模块1756-OW16I一块，机架号为006，模拟量输入模块1756-IF16一块，机架号为007，温度模块1756-IR6I三块，机架号为008、009、010，机架空槽余量为两个。与输入/输出模块相对应的20P接线臂1756-TBNH五块，36P接线臂1756-TBCH两块。

3.3井下排水泵房监测仪表的选择[1]

水仓中安装两只DB1010-5m液位计，离心泵的吸水管上装设DY1151GP真空表又称压力计，水泵排出管上装设流量计装置。以上仪表均具有防冲击功能。

4控制系统软件设计

4.1水位监控

水位信号是水泵控制一个非常重要的参数，本系统采用双水位计测量水仓水位的变化。水位信号为Hi，最低水位点为H1，高水位点为H2，警戒水位点为H3，极限水位点为H4。当Hi<H1时，不需要启泵；当Hi>H2时，可立即启动工作水泵排水；当Hi>H3时，必须启动一台水泵排水；当Hi>H4时，开启两台水泵同时排水。

4.2单台水泵启停的逻辑实现

首先，PLC进行初始化，各泵组处于停机状态，PLC接受来自各传感器的数字量、模拟量进行计算分析，若无故障且水位信息超过了水位的允许波动范围，即检测到水位值大于或等于设定的水位高度时，PLC检测水泵出水口压力，若压力值大于或等于设定值，则打开出水口电动阀进行正常排水。

5监控系统概述

本系统借助工业以太网和网络交换机完成控制器与触摸屏、上位机的通讯，并最终实现其自动化；从人机界面设计和上位机组态两方面完成监控系统的设计，并做出人机交互界面，通过触摸屏和上位机组态的实际应用，很好的提高了矿井自动化。

监控系统部分主要由上位机组态来完成。组态软件是运行于PC平台的一个通用工具软件，和PC机或工控机一起可组成HMI（人机操作界面）产品，PLC同时将水泵的运行状态与参数经安全生产监测系统分站传至地面调度指挥中心，与全矿井生产监控系统共网，管理人员在地面可实现对井下水泵房的操作、监控和管理工作。

组态软件的选择：组态软件是排水监控系统的远程监控中心、数据收集处理中心和数据转发中心，它与各种检测、控制设备共同构成快速影响控制中心。在本系统中选用RSView32作为工业监控组态软件，与PLC建立通讯连接，建立广阔的监控应用。能够在工控机上运行，可远程看到现场的画面，参数值，报警等。

6结束语

煤矿井下排水泵房PLC控制系统，实现对井下排水系统的远程自动化控制，减轻了员工劳动强度，提高了劳动效率和工程质量，有效提高了安全系数。

参考文献：

[1]GB50451-2008.煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范[S]

[2]李泽松.井下水泵房自动排水系统研究[J].2005.