PLC技术下煤矿井下排水自动控制系统的设计与实现

摘 要：针对煤矿井下PLC自动排水控制系统，研究其PLC控制设计和系统结构设计，并探讨其实现方式，提高PLC技术下煤矿井下排水自动控制系统水平，为煤矿井下安全提供保障。

关键词：PLC技术：煤矿；井下排水；自动控制系统；设计与实现

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.199

煤矿井下排水状况是关系采矿安全的一个重要因素，技术性要求较高，如果只依靠人工操作排水，不仅会增大工作人员负担，而且会造成排水系统运行效率低等问题，影响排水效果。因此，设计以PLC技术为核心的煤矿井下排水自动控制系统，对工作效率提升、工作量减轻等有着重要作用，可以有效提高煤矿井下作业安全性。

1 PLC技术下煤矿井下排水自动控制系统的设计

（1）系统结构设计。本系统的设计目标是实现井下排水的无人值守自动化，需要系统具有自动控制、检查设备，完成自动排水的功能，对此，采取的系统结构设计应包括三层，分别是管理层、控制层以及现场层，其中，管理层是通过上位机来进行人机对话、远程控制，控制层是通过PLC完成相应的控制任务，现场层负责对井下情况的数据采集与上传。

具体来说，该系统的结构主要包括：1）PLC远程扩展单元，是系统的核心组成部分，具有数据存储、运算、处理功能，根据运算结果，完成水泵的启停；2）高压柜综保模块，负责的是收集、传递电机运行参数，并维修电机故障；3）执行部分，包括就地控制箱、PLC外围电控机，具有控制放水门、配水电机、水泵等设备动作的功能；4）检测部分，包括PLC检测体系、开关量信号等，开关量信号是由放水门、真空泵、配水阀以及电动闸阀等提供的；5）人机界面：属于PLC的外延设备，是排水系统水泵设备运行、煤矿井下排水等情况的显示界面，也是工作人员管理排水系统的平台[1]。

（2）网络组成设计。在本系统的网络组成设计中，主要包括两大部分，分别是远程监控网络与现场级控制网络，其中，远程监控网络使用的是工业以太网，功能是实现上位机与现场控制层间的数据交换，由于PLC采用的是西门子S7-300系列，为保证远程监控网络结构的可靠，避免异构网络安装复杂的问题，在以太网通信模块上，也需选择西门S7-300系列对应的CP343-1，保证PLC、监控之间以太网通信的顺畅、可靠；此外，为避免电气、磁场等因素对通信信号准确性的干扰，系统还采取了以太网、光纤传输技术。

在现场级控制网络中，由于受控设备、监测参数相对较多，传统的接线方式不仅可靠性低，且难以维护，所以，应当设计采用现场总线技术，完成设备层、控制层间的数据传输。在现场总线网络中，其模式为Profibus-DP网络，使用的是西门子ET200分布式I/O，能够实现小数量级、快速的循环通信，通信数据格式主要为数字量、模拟量。

（3）排水警报监控系统。排水警报监控系统对PLC排水自动控制系统起着重要补充作用，主要包括镜下电视监视设备和通信系统，且能够单独使用，对各种条件的矿井都可以适应。在排水警报监控系统中，通信系统、监测系统间是彼此独立的，通信主线为光纤，可以尽量减少通信系统信号传递过程所受到的干扰，保证地面接收信号的真实、可靠；同时，为便于光纤信号传递，通过会先把电信号经光端机处理后转换为光信号，井下光端机进行还原，完成数据、语音的传递与分开，再通过井下设备把数据信号传输到相应的传输接口中，经由传输接口传递到各个分线盒中，语音信号被传递到对应话机[2]。

2 PLC技术下煤矿井下排水自动控制系统的功能实现

（1）半自动控制方式。半自动控制是人工与自动控制结合一种控制方式，在此种方式下，操作人员可以通过PLC控制柜、终端监控触摸板等，监控水泵的工作、启停情况；并根据需要，通过触摸板下达相应的启停指令，操作命令会通过网络传递到CPU中，PLC会根据控制逻辑，完成相应的水泵启停控制。

（2）全自动控制方式。全自动控制方式就是完全以PLC进行控制的方式，操作人员只需要对系统工程进行监测，自动控制系统会根据煤矿井下的水位情况，自动采取相应的控制措施，完成启停。同时，井下排水全自动控制多遵循节能省电的运行原则，采取比例微分控制的方式，提高排水的经济性，在平时段、谷时段与峰时段的具体控制策略包括：尽量减少在峰段的抽水、降低谷段水位上限值来最大程度的降低谷段结束后煤矿井下水位。在全自动控制方式中，水位值的微分处理是一个重点内容，了解水位的变化情况，在水位出现突然加快等情况时，能够采取提前启动水泵等措施来加以控制，预防井下水过多造成的安全事故[3]。

（3）突发情况的控制。在煤矿井下，由于其地质状况的复杂性、特殊性，其涌水是不可控制、难以预测的，可能会出现涌水事故，为预防涌水造成煤矿安全事故，应急排水也是井下排水自动控制系统的一项重要要求。所以，在PLC煤矿井下排水自动控制系统中，设计涌水检测是被，实现对涌水等突发情况的及时检测，并将监测信号传递到控制中心中，快速开启连锁防护装置；同时，在井下排水管路等条件允许情况下，通过多台水泵的同时启动，来将涌水迅速排出，减轻其对煤矿造成的损失。

3 结语

综上所述，煤矿井下排水系统是煤矿产生安全的重要保障，主要包括水泵、排水管、吸水管等，其传统的运行方式大多是连续运行，存在工作效率低、能耗大、故障率高等弊端，难以达到当前煤矿生产的需求。PLC具有先进的控制功能，设计以PLC为核心的煤矿井下排水自动控制系统，构建合适的系统结构，通过相应的网络设计、模块设计等，实现对排水系统各设施的实时监控，优化排水系统运行水平，提高排水系统的排水能力，对煤矿井下开采安全有着重要意义。

参考文献：

[1]季振华.基于PLC的煤矿井下排水自动控制系统设计研究[J].煤炭技术，2013（09）：86-88.

[2]蔡晓东.基于PLC的煤矿井下排水自动控制系统设计[J].煤炭技术，2013（11）：93-94.

[3]陈维仁.煤矿井下排水自动控制系统的研究与实现[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2010（02）：163-164.

作者简介：付勇（1983-），男，河北滦南人，工学学士，助理工程师，研究方向：煤矿井下供电、供排水。