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關鍵詞：井下排水系統 PLC 自動控制 可靠性
0 引言
在煤礦開采過程中會連續不斷地涌出礦井水，為保證煤礦生產安全，必須及時將涌出的礦井水快速地排放到地面，煤礦主排水系統能否正常運行直接關系到礦井的安全生產。礦井排水系統
一般由水倉、吸水井、多臺排水泵（包括其抽真空引水裝置）、閘閥、配水閥以及多路排水管路組成，這些設備具有電機功率大、電壓高、啟動復雜、故障多發等特點。目前，礦井排水系統普遍采
用人工操作，人員勞動強度大、電機啟停時間長、水泵運行效率低等諸多問題，如何實現煤礦井下排水泵的自動控制和無人值守，并滿足煤礦生產調度綜合自動化的要求，便成為當前急需解決的問
題。針對當前煤礦排水系統的實際情況，本文提出一種實現煤礦井下主排水系統的設計方案，并付諸實踐。系統在某煤礦投入運行后，取得了良好的應用效果。
1 控制設備配置設計
煤礦井下排水系統通常為多臺水泵水平布置方式，依據現場情況，煤礦井下中央泵房水平布置了4臺礦用多級耐磨泵，并配套4臺6kV異步電動機，采用兩趟并行排水管路將井下水倉礦井涌水
排至地面。系統中每臺水泵配有一臺射流泵用于實現本臺水泵的啟動。排水系統管路設計見圖1所示。
為保證排水泵遠程自動控制功能的實現，要求設備運行的所有重要參數都應具備遠程監測功能，需要對水泵流量、壓力、負壓、溫度、電流、電壓等參數進行采集處理，因此，必須對原有
排水泵進行了改造，在水泵本體和拖動電機上增加溫度傳感器，在主排水管道上增加了壓力傳感器和電動閘閥，在射流泵管道上設計了負壓傳感器及兩個電動球閥，在吸水管上設計了流量傳感器，
在吸水井內設計了液位傳感器。
2 控制系統結構設計
2.1 系統總體結構
系統采用現場層(遠程IO)、控制層(PLC)和管理層(上位機)組成的三級控制系統來實現排水系統的自動控制。上位機利用友好的人機界面實現人機對話和遠程監控功能，PLC作為控制器完成
邏輯處理和控制任務，遠程IO實現現場數據的采集和上傳，通過專門的控制網絡實現數據交換和統一調度控制。其中控制層主要由PLC控制柜構成，是整個排水系統的控制核心，PLC控制柜由PLC、觸
摸屏、檢測部分(模擬量和開關量監測采集)、執行部分等組成，其硬件結構框圖
PLC控制柜中的核心部分是PLC模塊，用于完成對于監測量的處理、運算和存儲，并根據監測結果進行邏輯處理，控制水泵及附屬設備啟停。為保證控制器的可靠性，系統選用德國西門子生
產的S7-300系列PLC作為主要控制單元，考慮到現場設備比較分散，就地控制箱采用遠程I/O的方式進行數據采集及控制，并通過現場總線同CPU模塊進行數據交換。系統為實現對設備狀態、就地控制
命令采集、輸出控制指令、設備邏輯控制等功能，主PLC配置了2塊32路數字量輸入模塊和2塊16路數字量輸出模塊，遠程I/O配置1塊32路數字量和1塊16路數字量輸出模塊。主PLC還配置了1塊模擬量
采集模塊完成對水位的監測，遠程I/O部分配置1塊模擬量采集模塊完成對壓力、負壓及流量的監測。為便于現場對水泵的半自動控制，系統配置了觸摸屏，可實現實時動態顯示水泵當前狀態，并為
用戶提供水泵控制的平臺。
2.2 系統控制網絡設計
2.2.1 現場級控制網絡 排水系統監測參數及參控設備較多，采用傳統的PLC控制系統接線復雜、可靠性低且維護困難。因此，系統采用現場總線實現設備層和控制層的連接。系統設計了現
場總線網絡，主要用于數字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出等小數量級的快速循環通信，將現場網絡配置成Profibus-DP網絡，采用西門子的ET200分布式I/O進行現場設備的數據采集及控制。
2.2.2 遠程監控網絡 在PLC控制柜與設在礦調度室的上位機之間建立了工業以太網，用于實現現場控制層與上位機之間的數據交換。控制層PLC統一采用了西門子的S7-300系列PLC進行配置
，網絡結構簡單清晰，避免了異構網絡互連時必須安裝相應網關的缺點。系統選取西門子的S7-300系列以太網通信模塊CP343-1，利用該模塊可以方便地實現PLC與監控中心之間的以太網通信。為保
證信號的可靠傳遞和防止電氣干擾對通信的影響，系統采用以太網與光纖傳輸技術實現控制PLC與調度中心上位機之間的通信。
3 控制系統功能設計
3.1 系統具有靈活多樣的控制方式。①就地控制：操作員通過就地箱上的按鈕及指示燈完成對執行機構的直接控制，主要用于設備檢修維護；②井下集控：操作員通過觸摸屏實現對水泵的
半自動控制，控制命令由觸摸屏下發至PLC，后者完成整個控制過程；③遠程集控：操作員在地面遠程上位機，通過鼠標電機控制控件，實現對于井下水泵機組的遠程控制；④全自動控制：該控制方
式下，用戶無需操作，PLC根據水位等參控信息合理調度水泵機組，完成排水。還可根據水倉水位、用電峰谷等參數選擇合理的控制方案，自動控制水泵機組的投入和退出。
3.2 實現設備的遠程監測監控，可以通過圖、表、曲線等方式進行數據顯示及分析處理。
3.3 根據水位、供電峰谷時段劃分等情況，合理調度水泵，節省運行費用。
3.4 系統可實現在故障出現時自動采取停機等保護措施，并提示故障類型，保護類型包括溫度保護、流量保護等多種類型。
3.5 系統故障時能提供聲光報警，報警記錄可查詢。
3.6 系統留有網絡接口和分站擴展功能。
4 控制系統可靠性設計
排水系統是否能可靠運行直接影響著煤礦生產和人員安全，為提高控制系統的可靠性，針對傳統控制系統的不足，系統從設備本身、傳感器、通信網絡等各方面設計了可靠性保障措施。
4.1 設備可靠運轉保障 設備可靠運轉是安全排水的前提，針對現場實際情況，該系統開發了排水系統控制軟件的輔助管理模塊，對設備進行統一的管理。依據設備運行情況，監控軟件的設
備輔助管理模塊讀取相應數據后進行邏輯處理，給出維護意見，從管理上來彌補設備本社在可靠性上的不足。
4.2 傳感器可靠性保障 排水系統采用了多種傳感器，傳感器的可靠性直接影響著系統的整體可靠性。不同的傳感器對系統的影響也不盡相同，根據影響范圍的不同，系統將傳感器分為全局
型和局部型。其中全局型傳感器為液位傳感器，它的可靠性關系到整個系統安全排水的實現，其余傳感器主要反映單臺泵的運轉工況，屬于局部型。系統中的全局型傳感器采用冗余設計，而對于局
部型傳感器則采取自診斷方式確定其故障類型并報警，提示工作人員進行維護或者更換。
4.3 通信可靠性保障 控制PLC與上位機之間的通信故障判別采用校驗碼與狀態位相結合的方式，其中校驗碼判斷數據傳輸的正確性，狀態位判斷傳輸通道的通暢性，如果狀態位不正常時表
明通信通道中斷，啟用備用通訊網絡。
5 結束語
本文詳細講述了基于S7-300系列PLC的煤礦井下排水泵自動控制系統的設計方法和思路，該系統已經在煤礦投入使用，通過現場的實際運行結果表明，系統是有效可靠的。本系統優越性在于
采用先進的通信網絡技術，實現PLC與上位機之間的通行，控制執行功能主要由PLC完成，上位機則完成信息處理和圖像顯示，PLC和上位機實現優勢互補、分工合作，使得系統運行可靠穩定。系統特
別針對排水系統的高可靠性要求，給出相應的可靠性設計方案，解決了由于通信、傳感器的不穩定導致控制系統不能穩定運行的問題，顯著地提高了排水自動控制系統的穩定性，實現了煤礦排水系
統的無人值守和減員提效，有利于排水自動控制系統的推廣應用。
