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基于 PLC 礦井排水系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制

基于 PLC 礦井排水系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制
余婷婷 1 胡 杰 1，2 （1 淮南礦業(yè)集團(tuán)潘北礦，安徽 淮南 232096；
2 安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001 ）
摘 要

近年來(lái)，我國(guó)礦井在優(yōu)化排水方案、改造排水

系統(tǒng)及提高排水設(shè)備穩(wěn)定性方面也做了大量的研究。 隨著煤礦安全生產(chǎn) 要求的提高，井下排水系統(tǒng)的安全性與可靠性要求也隨之提高。 目前井下水的排放主要的人工管理的方式，具有安全無(wú)保 證、設(shè)備運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差以及人為不當(dāng)操作造成設(shè)備損耗等弊端。 因此，采用自動(dòng)控制系統(tǒng)具有重要的意義。 關(guān)鍵詞：礦井排水，自動(dòng)控制
Abstract In recent years,China＇s mines in optimal drainage plan,the transformation drainage systems and improve drainage equipment stability areas have done a lot of research．With the improvement of coal mine safety production requirements,underground drainage system security and reliability requirement increases．Underground water discharge current main artificially management way,have safety equipment,no running economy caused by improper operation poor and artificial equipment loss disadvantages．Therefore,adopts the automatic control system has important significance．

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礦井排水系統(tǒng)的重要性 礦井水的形成一般是由于巷道揭露和采空區(qū)塌陷波及到水

4）為使礦井排水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，PLC 控制系統(tǒng)應(yīng)能在盡
可能使用現(xiàn)有設(shè)備的情況下與礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的銜接。

源所致，水源主要是大氣降水、地表水、斷層水、含水層水、采空區(qū) 水及開(kāi)采作業(yè)用水。 在我國(guó)煤礦的原煤開(kāi)采中，平均每年將有 20～ 40 億 m3 的地下水需要由排水設(shè)備抽排到地面。 數(shù)據(jù)顯示，在發(fā)生 的煤礦安全事故中，以瓦斯爆炸和水災(zāi)最為頻繁和嚴(yán)重，礦井排水 系統(tǒng)如果不能將礦井水及時(shí)排出礦井，不僅制約礦井開(kāi)采，更會(huì)造 成人員傷亡、設(shè)備財(cái)產(chǎn)損失、礦井坍塌等災(zāi)難性的后果。

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主排水系統(tǒng)控制功能的實(shí)現(xiàn)

潘 北 礦 主 排 水 泵 控 制 系 統(tǒng) 主 控 設(shè) 備 選 用 西 門(mén) 子 S7－300 PLC 進(jìn)行控制，由于 PLC 具有可靠性高、耗電量小、編程簡(jiǎn)單和 帶載能力強(qiáng)等特點(diǎn) , 且具備多機(jī)聯(lián)網(wǎng) 和 易 于 實(shí) 現(xiàn) 全 礦 井 的 生 產(chǎn) 調(diào)度自動(dòng)化等功能， 后期改造實(shí)現(xiàn)主排水泵的地面遠(yuǎn)程控制系 統(tǒng)也是基于本套系統(tǒng)構(gòu)建的。 （1 ）準(zhǔn)確的水位監(jiān)測(cè)裝置 由于 PLC 的輸入信號(hào)可以是開(kāi)關(guān)量、 數(shù)字量和模 擬 量 ，所 以水位檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單 , 有 多 種 型 式 的 傳 感 器 可 供 選 擇 , 只 要 滿(mǎn) 足 煤 礦 井 下 工 作 環(huán) 境 如 防 爆 、防 潮 等 特 殊 要 求 ，且 具 備工作安全可靠、性能穩(wěn)定即可，我 礦 選 擇 的 是 PROBE 超 聲 波 液位計(jì)，測(cè)量范圍 0～5m 。 （2 ）可靠的起動(dòng)和運(yùn)行控制功能 在選定排水泵、排水管路后，首先由 PLC 對(duì)排水泵的 狀 態(tài) 、 供電開(kāi)關(guān)狀態(tài)、 各傳感器到位反饋進(jìn)行檢測(cè)， 如果滿(mǎn)足啟泵條 件 ，則 起 動(dòng) 真 空 泵 、打 開(kāi) 電 磁 閥 進(jìn) 行 抽 真 空 ；當(dāng) 真 空 度 滿(mǎn) 足 起 動(dòng) 水泵要求后，給排水泵主電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)啟動(dòng)主電動(dòng)機(jī)，當(dāng) 電動(dòng)機(jī)電流接近額定電流且水泵出水口的壓力達(dá)到工作壓力時(shí) （認(rèn)為水泵工作正常）， 電流檢測(cè)裝置和帶電觸點(diǎn)的壓力表將分 別發(fā)出信號(hào)，起動(dòng)液壓站電機(jī)，打開(kāi)選定排水管路上的液動(dòng)閥門(mén) 至設(shè)定位置，實(shí)現(xiàn)排水泵正常排水。 起動(dòng)過(guò)程中如有任一環(huán)節(jié)不 滿(mǎn)足起動(dòng)排水泵要求，系統(tǒng)將停止起動(dòng)過(guò)程，并發(fā)出故障報(bào)警。 對(duì)排水泵的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 若排水泵在運(yùn)行中出現(xiàn)電 流、 壓力異常等現(xiàn)象時(shí)， 可發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)并使該排水泵停 運(yùn)， 工作人員根據(jù)排水需要起動(dòng)備用排水泵或?qū)⑺袀溆门潘?泵的選擇開(kāi)關(guān)按下由系統(tǒng)依次選擇。 排水泵起動(dòng)和運(yùn)行期間， 主電動(dòng)機(jī)的店里參數(shù)監(jiān)測(cè)和保護(hù) 功能實(shí)現(xiàn)由高壓供電開(kāi)關(guān)完成。 （3 ）排水系統(tǒng)中的排水閘閥、配水閘閥 為液壓控制且由開(kāi)、關(guān)位置的傳感器向 PLC 提供“打開(kāi)到 （下轉(zhuǎn)第 91 頁(yè)）

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礦井排水控制系統(tǒng)的要求 淮南礦業(yè)集團(tuán)潘北礦井于 2004 年 12 月 26 日 正 式 開(kāi) 工 建

設(shè)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力 240 萬(wàn) t ／ a ，井田面積 15 平方公里，2008 年 3 月 5 日聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)。 目前礦井正常涌水量為 80m3 ／ h ，最大涌水 量 100m3 ／ h 。 地質(zhì)報(bào)告資料涌水量礦井中央?yún)^(qū)涌水量為：正常涌 水量 540m3 ／ h ，最大涌水量 690m3 ／ h 。 礦 井 在 －650m 水 平 設(shè) 置 主排水泵房，直接將礦井水全部排至地面水處理廠(chǎng)。 目前，主排 水泵房?jī)?nèi)共安裝 HDM420×9 型離心水泵 5 臺(tái)，單臺(tái)水泵額定流 量 為 420m3 ／ h ，揚(yáng) 程 838．3m ，配 套 電 機(jī) YB710M2－4 （1500kW ，

10kV ）。 正常涌水量時(shí) 2 臺(tái)工作，2 臺(tái)備用 ，1 臺(tái) 檢 修 ；最 大 涌 水 量時(shí) 3 臺(tái)工作，1 臺(tái)備用，1 臺(tái)檢修。
作為特大型現(xiàn)代化礦井， 排水系統(tǒng)的安全性和可靠性就顯 得尤為重要， 而穩(wěn)定可靠的控制系統(tǒng)正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要 保證。 綜合礦井排水系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能要求，一套完善的控制系 統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：

1 ）可 靠 的 水 位 監(jiān) 測(cè) 系 統(tǒng) ，根 據(jù) 警 戒 水 位 的 到 達(dá) 和 系 統(tǒng) 故 障
類(lèi)型及時(shí)發(fā)出報(bào)警和自動(dòng)啟動(dòng)排水泵， 傳感器應(yīng)具備工作安全 可靠、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

2 ）控制系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)水泵的起動(dòng)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和
控制。 若水泵在起動(dòng)或運(yùn)行中出現(xiàn)電流、壓力、溫度異常等現(xiàn)象 時(shí)，可發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)并使該水泵停止，根據(jù)排水需要啟動(dòng)另 外的水泵。

3 ）控制系統(tǒng)應(yīng)能可靠控制排水閘閥、配水閘閥（選擇水倉(cāng)）、 電 磁 閥 、液 壓 站 等 排 水 輔 助 設(shè) 備 ；各 部 位 傳 感 器 應(yīng) 能 向 PLC 準(zhǔn)
確傳送有效信號(hào)，使控制系統(tǒng)對(duì)排水泵進(jìn)行適時(shí)控制和保護(hù)。

《工業(yè)控制計(jì)算機(jī)》2011 年第 24 卷第 2 期 比較器 CP0 不發(fā)生翻轉(zhuǎn)（保持高電平）。 斷路故障的工作時(shí)序如 圖 5 所示。 對(duì)斷路故障的檢測(cè)只需 在 MCU 輸 出 驅(qū) 動(dòng) 方 波 后 延 時(shí)一定時(shí)間檢測(cè) CP＿Peak 的狀態(tài)，如為高則為斷路故障。

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主要決定因素；PWM 脈沖頻率影響電流的穩(wěn)定性。 在仿真的基礎(chǔ) 上經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)驗(yàn)證并最終確定電磁閥的驅(qū)動(dòng)參數(shù)。

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驅(qū)動(dòng)模塊軟件設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)模塊軟件主要包括主程序、 驅(qū)動(dòng)

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仿真及驅(qū)動(dòng)參數(shù)的確定

觸發(fā)脈沖中斷 子 程 序 、比 較 器 CP1 中 斷 子 程序和定時(shí)器 T0 中斷子程序等。 各程序流 程如圖 7～ 圖 10 所示。

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結(jié)束語(yǔ)

圖6

電磁閥 PWM 驅(qū)動(dòng)方式仿真模型

所設(shè)計(jì)的高速開(kāi)關(guān)電磁閥智能驅(qū)動(dòng) 模塊在包裝盒電控噴膠系統(tǒng)中得到了可 圖 10 CP1 中斷子程序 靠 應(yīng) 用 ，實(shí) 測(cè) 驅(qū) 動(dòng) 曲 線(xiàn) 可 知 ：電 磁 閥 打 開(kāi) 時(shí) 間 約 為 0．6ms ，關(guān) 閉 時(shí) 間 約 為 0．5ms ，實(shí) 現(xiàn) 了 電 磁 閥 的 快 速 驅(qū) 動(dòng) ；同 時(shí) ，，驅(qū) 動(dòng) 模 塊 故 障檢測(cè)快速、準(zhǔn)確，滿(mǎn)足了智能驅(qū)動(dòng)的要求。 此外，該驅(qū)動(dòng)模塊通 過(guò)修改其驅(qū)動(dòng)參數(shù)， 也可適用于其它多種高速電磁閥的快速智 能驅(qū)動(dòng)。 參考文獻(xiàn)
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為確定電磁閥的驅(qū)動(dòng)參數(shù)，可利用 Matlab Simulink 軟件對(duì) 高速電磁閥的 PWM 驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行建模仿真，以分析各驅(qū)動(dòng)參數(shù) 對(duì)電磁閥驅(qū)動(dòng)性能的影響，仿真模型如圖 6 所示。 通過(guò)仿真可知： 增大線(xiàn)圈電壓可提高電磁閥開(kāi)啟速度；合適的開(kāi)啟脈沖可保證快 速響應(yīng)性而不至于使線(xiàn)圈電流過(guò)大；PWM 占空比是維持電流的

1997
［3 ］劉少軍 ． 高速開(kāi)關(guān)電磁閥的現(xiàn)狀及應(yīng)用［J ］． 機(jī)床與液壓，1995 （6 ） ［4 ］童長(zhǎng)飛 ．C8051F 系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)與 C 語(yǔ)言編程［M ］． 北京：北京航空 航天大學(xué)出版社，2005 ［5 ］C8051F0×× DATA SHEET ，Silicon Laboratories INC ，2003 圖7 主程序 圖8

T0 中斷子程序

圖9

驅(qū)動(dòng)觸發(fā) 中斷子程序

［收稿日期：2010．12．6 ］

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（上接第 88 頁(yè)）

圖2 圖1

控制界面

PLC 檢測(cè)排水泵起動(dòng)條件程序

（由用戶(hù)程序塊調(diào)用）。 因此控制系統(tǒng)與礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的 銜接是比較簡(jiǎn)單的， 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化排水所必須增加的只是與上位 機(jī)聯(lián)絡(luò)的通信電纜及井下分站等設(shè)備。 潘北礦井后期增加的礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)對(duì)井下主 排水泵的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制功能。

位 ”和 “關(guān) 閉 到 位 ”兩 個(gè) 信 號(hào) ，電 磁 閥 、液 壓 站 電 機(jī) 等 排 水 輔 助 設(shè) 備均有自動(dòng)和手動(dòng)控制功能， 使控制系統(tǒng)對(duì)排水泵進(jìn)行適時(shí)控 制和保護(hù)。 （4 ）PLC 控制系統(tǒng)與礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的銜接 實(shí)現(xiàn)礦井排水自動(dòng)化的目的是保證礦井安全生產(chǎn)的進(jìn)行， 同時(shí)也要考慮經(jīng)濟(jì)性，即以最小的投入獲得最大的效益。 因此， 在進(jìn)行自動(dòng)化排水設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能地利用原有的控制設(shè)備，

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結(jié)束語(yǔ) 礦井排水系統(tǒng)自動(dòng)化控制是現(xiàn)代化礦井安全生產(chǎn)的一個(gè)重

要組成部分，這一先進(jìn)技術(shù)不僅可以為企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，而且 可減少人為的誤判斷和操作， 實(shí)現(xiàn)礦井多臺(tái)排水泵的集中和自 動(dòng)控制； 同時(shí)地面礦井調(diào)度中心可直接了解井下各排水泵的工 作狀況，尤其是在礦井發(fā)生突發(fā)災(zāi)害需撤離人員時(shí)，可使用遠(yuǎn)程 控制功能起動(dòng)礦井排水系統(tǒng)。
［收稿日期：2010．12．15 ］

S7－300 有 很 強(qiáng) 的 通 信 功 能 ，CPU 模 塊 集 成 有 MPI 和 DP 通 信 接口，有 Profibus－DP 和工業(yè)以太網(wǎng)的通信模塊，以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通 信模塊。 通過(guò) Profibus－DP 或 AS－i 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，CPU 與分布式 I ／ O 模塊之間可周期性的自動(dòng)交換數(shù)據(jù)（過(guò)程映像數(shù)據(jù)交換）。 在 自 動(dòng) 化 系 統(tǒng) 之 間 ，PLC 與 計(jì) 算 機(jī) 和 HMI （人 機(jī) 接 口 ）站 之 間 ，均
可以交換數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)通信可周期性的自動(dòng)進(jìn)行，或基于事件驅(qū)動(dòng)



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