煤矿井下水泵自动控制系统设计与应用

孙 杰

（汾西矿业集团高阳煤矿，山西 孝义 032300）

引言

随着经济社会的不断发展，煤矿井下生产集约化水平不断提高，对矿井生产设备的可靠性要求越来越高。同时，设备运行参数的实时监测与远程控制需求更加强烈[1-2]。传统的煤矿井下水泵控制系统大部分依赖于操作人员，不再适应集约化发展的趋势，并且表现出了明显的能源浪费、控制效率低下、管理维护设备不利等问题，极大地限制了煤炭企业的产煤效率和质量，现已引起了煤炭行业的广泛关注[3-4]。随着现场总线、数据库和计算机网络技术的发展，远程监控系统在各行各业得到了较为广泛的应用，并取得了很好的成效[5-6]。因此针对某煤炭企业煤矿井下水泵控制系统技术落后的现状，开展基于PLC 的煤矿井下水泵自动控制系统设计与应用工作具有重要意义。

1 控制系统总体结构

根据煤矿井下水泵实际分布情况，基于其原有控制系统，完成了基于PLC 的煤矿井下水泵自动控制系统方案的设计，如图1 所示。由图1 可以看出，控制系统主要涉及地面监控上位机和井下PLC 控制系统组成。

图1 煤矿井下水泵自动控制系统方案

1.1 地面监控上位机

地面监控系统包括工控机、光端机、显示器等，其中工控机的作用是借助以太网完成上位机与井下PLC 控制系统之间的数据传输；显示器能够实时显示井下各个水泵的实时工作状态，并且能够对井下水泵进行远程控制；上位机可以实时存储井下水泵实时运行数据，具备历史数据调取功能。

1.2 PLC 控制系统

PLC 控制系统涉及隔爆型PLC 控制柜、本安型操作箱、传感器、电动阀、高压开关柜等，其中的PLC选择德国西门子S7-300 系列产品，包括电源模块、CPU、数字量输入输出模块与模拟量输入输出模块等，是井下水泵运行状态的实时监测和远程控制功能实现的保障。

2 硬件设计

2.1 PLC 选型与设计

PLC 控制器选型需要遵循满足控制要求、性能稳定、环境适应性强、性价比高等原则，基于此确定选择的S7-300 系列的PLC。其中配置的主站模块型号及参数如下：1 个型号为PS307-5A 的电源模块，输出电压为230 V；1 个型号为PS307-10A 的电源模块，输出电压为230 V；2 个型号为CPU315-2PN/DP是CPU；1 个型号为SM321 的数字量输入模块，配置32 点，使用24 V 直流电压；1 个型号为SM322 的数字量输出模块，配置16 点，使用24 V 直流电压；3 个型号为SM331 的模拟量输入模块，配置8 通道，输出4～20 mA 电流信号。上述配置能够满足井下水泵的远程监测与控制功能的需求。

2.2 传感器设计及选型

煤矿井下水泵自动控制系统中的传感器主要实现水泵运行状态参数实时数据的采集，是保证整个系统安装正确逻辑关系工作的关键。根据井下水泵工作的实际情况，确定需要检测的参数包括：水库的水线、水泵抽水能力、抽水口水压、各进水口水量、装备重要地方的温度、电机电力压力等。完成了对应传感器的选型：水位传感器型号为KGU9，真空传感器型号为GYD10，压力传感器型号为GYD10，流量传感器型号为LCZ-803，温度传感器型号为Pt-100，电流传感器型号为LMZ-6。

2.3 电磁阀设计及选型

原煤矿井下水泵系统中的各种闸门均需要现场操作人员完成启闭，不仅效率低下，造成了较大的人力资源浪费，并且闸门不能够实时显示闸门开度，出现故障不易检测。基于上述问题，将水泵系统中的真空阀门和射流阀门全部更换为MGQ 的电磁飘动球阀。真空阀门的型号为MGQI DN20-PN1.6MPa，射流阀门的型号为MGQI MGQI DN25-PN10MPa，两个电磁阀均使用单相AC127V 的电压供电，线路简单、数据可靠。

2.4 触摸屏及变频器选型

PLC 控制系统的触摸屏能够实现控制器参数设置和水泵系统现场操作等功能，每个水泵配置一个触摸屏，选择型号为PT150-1/2/4/6 的触摸屏，其运存为64 kB，彩色显示。同时，该触摸屏具有以太网RSC422/485 两个接口，能够与PLC 直接串接在一起工作。为了提高煤矿井下水泵泵水工作的自动化、智能化，避免其一直工作在相同的电压供电中，需要在PLC 和水泵电机之间配置变频器，以提高水泵工作的效率和安全性。依据水泵工作时的实际电流，负荷量和过载特点，选择了型号为HIVERT-YO6/060，运用变频工频并联方法运作，减小消耗的同时作出全方位保护，实现智能化频速度工作。

3 软件设计

3.1 系统工作流程

煤矿井下水泵自动控制系统硬件选型完成之后规划设计其工作流程，如图2 所示，其中，系统设定了4 组水位界限数值。图2 中的H1为水库水位规定的最小水位线，H2为水库水位规定的较小中间水位线，H3为水库水位规定的较大中间水位线，H4为水库水位规定的最大水位线。井下水泵系统工作时，若将实时水位高度标记为h，则在h 大于H2时，通过监视计算电网的负荷程度，当处于用电谷段时，开启水泵，相反，不启动水泵；随着水位线的不断升高，达到H3位置时，不论电网负荷处于何种状态，必须立刻打开水泵；当水库水位超过了H4时，同时打开两台水泵运行，避免出现水位超限情况；当水位降低至H1水位线之下后，水泵全部停止运行。

图2 系统工作流程

3.2 水泵自动开启、运行、停止故障保护工作流程

水泵自动开启、运行、停止故障保护工作流程如图3 所示，水泵开启之前需要将电动球阀和射流泵同时打开，进行注水和放气工作。当真空阀检测得到的真空度达到标准规定要求时，关闭射流泵球阀，之后启动水泵电机。当水压检测数值满足标准要求时，开启电动闸阀。控制系统开启射流泵时需要记录工作时长，若工作时间过长，声光报警器发出警报，将水泵关闭，停止运行。水泵运转时，需要实时监测其压力、电流、温度以及流量等的状态量，一旦出现状态参数超标，立即关闭水泵并报警，指出问题出现的具体情况。

图3 水泵自动开启、运行、停止故障保护工作流程

3.3 人机交互界面

人机交互界面的作用是实时显示井下水泵运行参数数值，供监控人员实现井下水泵的远程监测。同时，监控人员也可以根据实时监测数值及变化趋势，修改井下水泵运行参数，实现井下水泵远程控制的目的。如图4 给出了井下水泵自动控制系统的界面显示，其中涉及水泵运行的温度、正负压、流量和液位等参数。系统能够实时存储各个参数数据，形成对应的曲线，由参数变化曲线可以了解变化趋势，指导监控人员及时调整水泵参数，同时也能为水泵系统运维人员的检修工作提供数据参考。

图4 煤矿井下水泵自动控制系统界面显示

4 应用效果评价

为了验证煤矿井下水泵自动控制系统设计的合理性和可行性，将其应用于某煤炭井下水泵系统，对其进行半年的跟踪记录，结果显示，系统运行稳定可靠，实现了井下水泵系统运行参数的实时监测与远程控制功能。相关统计结果显示，相较于原水泵自动控制系统，新系统的应用达到了井下水泵自动化控制的目的，节省了运维人员3～4 名，降低了水泵系统近10%的故障排查时间，提高了水泵系统近6%的有效利用率，降低了煤炭生产成本，预计为煤炭企业新增经济效益近50 万元/年，取得了很好的应用效果。