基于P L C的煤矿井下排水自动控制系统的研究

梁 涛 徐金秀 于进杰

（1.淮南矿业集团 张集煤矿，安徽 淮南 232007；2.安徽鸿路集团，安徽 合肥 231131；3.中国人民解放军装甲兵学院，安徽 蚌埠 233000）

0 引言

煤矿在开采时，地层中可能有大量的水涌出，大量的矿井水持续不断地汇集到井下，而且，突发的突水事故会让涌水量显著增加，积水如果不能立即排送到地表，井下开采会受到严重阻碍，甚至会造成重大的煤矿安全事故，所以及时有效的把井下积水排出至关重要。

1 系统原理及组成

1.1 系统原理

系统有自动和手动相互切换功能，可实现无人值守。自动控制指系统按照编好的程序自动实现对水泵、真空泵以及其它一些与之关联设备的启动和停止，各设备之间均可实现连锁控制；手动控制由操作人员根据实际需求，按照一定顺序来控制水泵及其相关联设备的启动和停止，单台泵和各设备之间无联锁控制。

该系统利用PLC等器件采集并处理压力、真空度、水仓水位、电压、电流、温度等井下参数，对水泵的运行状况开展实时监控，当PLC接收到来自操作台发出的控制命令时，可控制水泵等相应设备的启动和停止工作，还能够将运行的实时数据利用工业以太网传到上位机，并利用上位机监测和控制井下排水设备，实现远程监控。

该系统最终可以实现现场监控与远程监控，在自动控制方式下可按照水仓水位等参数的变化自动打开或关闭阀门，控制水泵的启动和停止，并设置高水位报警以及其他的故障报警功能，该系统还对系统参数开展实时监控，对排水系统运行状态进行合理优化，使系统能够高效率的工作。而且还可将数据传送到上位机，完成实时数据的记录与存储，历史数据的查询等多种功能。

1.2 系统组成

图1 井下主排水自控系统结构图

该系统主要由交换机、PLC控制箱、显示操作台、上位机、阀门、光缆、传感器以及防爆摄像仪等设备组成，自上而下可分为管理层、控制层和现场层。具体结构如图1所示。

图1中，网络视频服务器通过工业以太网与井下的3个防爆摄像仪通信，用来实时监控井下中央主水泵房的运行状况；管理层的上位机进行实时监控煤矿井下自动排水系统，并通过交换机和传输光缆与控制层的PLC控制箱进行信息交换，现场层水泵及其阀门设备的相关参数也可传输至上位机，并通过上位机进行远程控制。在中央水泵房里，将从3个防爆摄像仪中接出的3芯光纤与从PLC控制箱里接出的2芯光纤共5芯光纤一并接入光纤接线盒中，再利用一根8芯光缆（留3芯备用）连到地表的光纤接线盒中，将信号传输至地表，再利用光端机将信号变成工业以太网信号传输至交换机，从而使网络视频服务器与上位机获取以太网信号。

控制层由PLC控制箱与显示操作台两部分组成。PLC控制箱为排水控制系统的数据采集中心与核心控制部件，该控制箱采集水泵及阀门等关联设备的实时状态数据，并和管理层的上位机进行实时数据的交换，对各水泵及关联设备进行集中监控；显示控制台可显示各设备的当前运行状态，并对水泵及关联设备实施就地控制。

现场层包括水泵及阀门等相关联的设备，另加3个防爆摄像仪。防爆摄像仪被安装在井下水泵房中，主要监控水泵房的工作现状水泵及阀门等相关联的设备包括电动阀门及各种传感器等，例如真空阀；电动闸阀；电磁阀；设备开停传感器；压力传感器；真空度检测传感器；液位传感器；流量传感器；温度传感器；水泵开停传感器等。

2 系统硬件设计

图2 中央水泵房的排水管路

该控制系统主要由五个模块组成：CPU模块、模拟量输入输出模块、扩展 I/O模块（输入输出 40点型）、以太网模块、电源模块等。

井下中央水泵房的排水管路如图2所示。从图中可看出，每台水泵均连接在1#主排水管路和 2#副排水管路上，并在其支路上各装有排水阀，排空管路上各安装有一套主、副真空阀。主副排水管路上均装有流量传感器，每台水泵吸水口装有负压力传感器，可用于检测水泵的真空度，水泵出水口装有正压力传感器，在水泵电机上装有PT100温度传感器，检测电机和水泵的轴温，传感器的信号电流大小范围为4mA～20mA。

水仓中装有两组液位传感器，一组为数字液位开关，为3套浮球液位开关，根据浮球的浮沉状况来设置4个液位高度，使系统能鉴别出水位的升降，自动控制水泵；另一组为超声波传感器，用来感应水仓水位的微小变化，可在上位机组态监控系统中显示具体的变化值，主要用于判断井下水位的升降趋势。

3 系统软件设计

本系统采用德国西门子公司的 S7-300系列的 PLC，其编译环境为SIEMENS STEP7-Micro/WIN，该编程软件操作方便、实用，可在普通电脑Windows操作系统中运行，本系统采用STEP7-Micro/WIN V4.0 SP3软件版本，通过软件提供的LAD梯形图语言进行编辑该系统程序。

主程序包含两个方面，分别为通电延时程序与子程序的调用。进行上电延时，是给PLC留有足够的启动时间，防止开机误操作，本系统设置了4S的延时时间，S7-300系列PLC程序的运行是并行处理进行，所以子程序的调用就不必考虑先后顺序，CPU进行周期性的连续不断的扫描主程序，扫描各子程序，子程序的调用如图3所示。

图3 子程序的调用

4 组态监控画面设计

组态监控画面主要由主界面、趋势图、历史报表、实时报表、历史报警、远程控制和帮助界面等。为了防止误操作，使系统更加安全可靠，系统设置了多个的用户权限。用户由系统管理员与操作员构成，系统管理员权限最高，可任意配置用户权限并可添加用户。此外还为能够设置参数的远程操作界面配备了访问权限，这个页面只允许操作员以及系统管理员能够登陆，其他界面无访问权限，可随意访问，这样可以防止非操作人员对数据参数的改动。而且系统还设置了20分钟无操作，登录状况自动退出的保护功能。

每一个登陆界面都有页眉工具栏，包括操作菜单以及实时时间显示等。在系统管理中能够进行注销、登录与用户配置等操作；在系统画面中能够选择当前的显示窗口；工具菜单中能够选择软件说明或进入帮助界面。

主界面设置为开机时的主界面，即排水自控系统的运行显示界面。该界面主要用来对系统的部分设备的实时参数以及控制流程的监控，并设置有实时报警功能、水泵工作电流电压数据的实时参数显示功能，主界面如图4所示。

图4 主界面监控图

5 结束语

通过该系统的设计，整个系统运行状况良好，不但可以实现就地控制和远程控制，更能将一切影响设备正常运行的参数引到控制程序中，使该系统的通用性得到明显提高，适用范围更加广泛。通过工业以太网，将井下的水位高度、电机温度、电压等信息实时传送到地面监控室，完成了地面对井下排水信息的远程调度，并可以将井下监控信息集成化，提高集成度。

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