摘要：矿井排水系统是矿井生产中四大重要系统之一，随着矿山生产现代化、自动化的发展，对矿井排水系统的自动化程度和可靠性提出了更高的要求，传统的继电器式人工操作排水泵进行排水的排水系统已无法满足生产需求，基于PLC远程控制的新型矿井排水系统已逐步应用在实际生产中。
关键词：PLC；矿井排水；自动化控制
1矿井排水自动化控制系统的结构特点
（1）扩展模块。扩展模块必须具有良好的容量和接口，可以很方便地对系统进行扩展。（2）控制模块。控制模块必须具有远程启停、故障检测以及系统测试功能，可以根据地面控制中心的要求进行操作模式的转换。（3）显示模块。显示模块能够对矿井排水自动控制系统中收集的数据、系统中设备的工作状态、系统的工作进度以及系统运行预测的结果以显示的方式向控制人员进行展示，方便控制人员对系统的监测和干预。
2 PLC控制系统架构层次
基于PLC的矿井主排水泵自动控制系统采用分布式集中控制方式设计，系统由监控系统、数据信息采集和逻辑处理系统、通信传输系统、CPU处理主站和监控系统五部分构成。PLC集中控制系统采用三层分布式架构自上而下依次为：第一层地面监控设备层、第二层通信和逻辑层和第三层设备层。（1）第一层地面监控设备层主要由工控机、监控组态软件和可集成的工业电视系统等构成，采用光缆与各工作面站点PLC组件和网络监控设备进行连接。工控机组态软件对主排水泵的运行数据进行收集，处理传输至地面调度指挥中心。（2）第二层通信和逻辑层作为PLC集中控制系统的核心，由PLC负责对数据的采集、逻辑处理、故障诊断和存储等功能。系统根据采集到水位的变化情况对主排水泵进行远程启停，并对设备运行状态、电机温度和排水量进行收集，显示在触摸屏上，在通过数据交换设备传输到地面PLC控制中心。（3）第三层设备层主要由主排水泵、电机、管道和阀门等组成。通过在原有的矿井排水系统设备加装传感器，将传统的手动控制阀门替换为电控阀门，加装真空泵满足对水泵的自动启停控制。为预防PLC控制系统发生故障时不能自动启停，闸阀应更换为真空射流手动闸阀和电动两用闸阀，并增加一套真空泵，提高系统的运行安全稳定性。
3系统的主要功能
（1）数据采集及检测配置电量、温度、振动、液位、流量等传感器和检测仪器，以对水泵振动数据、电压、电流、轴转速度、排水流量、水仓液位高度等数据进行采集，并检测水泵启动柜真空断路器、接触器的运行状态、电动阀门的启闭位置及工作性能等，并将现场采集、检测的数据结果经由通讯网路上传至PAC控制系统。（2）启停控制模块该模块主要整合采集的数据信息，并经由PLC/PAC等模拟量输入模块进行数据转换，通过微分计算方法得出单位时间内各水位段水仓水位的上升速率，并设定水泵启停的上下限，并以此作为水泵控制器启停的逻辑处理条件和依据，在高水位时启动水泵排水，低水位时关闭水泵停止排水，并在水位超限时及时发出预警，避免水流倒灌引发水泵和电动机的故障，甚至造成矿井涌水问题。（3）上位机监控模块该模块是人机交互的模块，提供与SQL关系型数据库的接口，以将现场监测设备获取的水泵、水仓等数据参数根据既定规则存储至数据库之中，并可生成参数报表，以视图方式显示出来，供操作人员查看、分析和下载;同时还可接受来自启停控制中心下达的指令，进行远程控制操作。可采用具备丰富设备支持库、强大语言处理能力的组态6.55以模块形式开发上位机软件，进行IO设备组态、SQL Server数据库设计。（4）网络通讯该模块集成了数据传输、设备监测、操作控制等多种功能，可依赖于该矿山已经构建的有线、无线局域网基于IEEE8022.11协议标准的TCP/IP通讯网络，通过以太网接入设备，利用通信接口和协议，实现各模块的全过程通信，可将水泵的运行参数传递给上位机软件，进行动态显示，且操作人员可利用通讯网络向水泵控制器发出质量，自动控制器启停。
4利用PLC技术实现矿井排水远程自动化控制
4.1水仓水位监测分析
实现矿井排水系统的自动化控制首先必须实现对井下水位值的自动化监测。基于这一需求，本系统选用投入式液位传感装置针对井下水位变化进行监测。这种装置的运行原理为将监测探头放入水面下特定位置，借由对水面下水压的计算得出水面具体方位。其具体计算必须结合水下压力与空气压力差值进行求解，同时所得数据需转化为相应的电信号，通过放大和A/D（模数转换器）转换后，再将相应的信号传输至单片机进行处理。图1所示即为其实现原理示意图（图1中，EPROM为非挥发性存储芯片；A/D转换器为模数转换器；7809为水位信息）。
式(1)～式(2)中，εr、ετ分别为径向应变、切向应变；p为外界压力，N；μ为膜片厚度，mm；R为膜片半径，mm；x为距离圆心的径向间隔，mm；h为水位高度，mm；E为弹性模量，Pa。借由在膜片圆心及边缘区域粘贴应变片，并配合全桥电路的温度补偿功效，能实现对水泵压力的有效测定，并确保其误差控制在极小的范围内。本系统水泵压力检测作业便是通过该传感装置予以实现的，其在使用中兼具安装维护便捷和功效持久稳定等优点，能有效应用在对水泵所受冲击压力的测定。
4.3PLC控制中心分析
PLC装置作为井下排水系统自动化运行的关键核心，有质量轻、体积小、能耗低、抗干扰性优良等诸多优点，能在复杂多变的井下恶劣环境中长时间有效运行。本系统选取西门子公司生产的S7-300系列PLC系统充当矿井排水系统控制核心。S7-300系列PLC装置采用模块化设计理念，借由对各类模块的组合有效确保其具备良好功能和拓展性能的同时有效适应不同的使用环境。图2为PLC装置同系统其他硬件连接示意图，其中RS485为接口芯片；PROFIBUSDP为总线协议。
图2：PLC装置同系统其他硬件连接示意图
4.4上位机监控分析
上位机监控系统布设于矿井地面，能通过软件显示界面对井下泵房设备的运行情况进行实时了解，是实现人与PLC控制系统间有效互联的关键桥梁。本系统上位机监控软件选用WinCCV6.2系统进行界面组态设计，并使用SQL Server 2000WinCC数据库进行数据存储，从而为工作人员实时查询以往设备运行数据提供坚实保障。图3所示即为系统上位机监控界面示意图。
图3：系统上位机监控界面示意图
5结语：基于PLC控制的自动化矿井排水系统通过传感器采集需要的信息，由PLC进行数据处理，能够实现自动排水的功能，并能实时显示整个系统的状态信息，方便技术人员对系统进行监测，遇到紧急情况时可以一键启动整个排水系统，及时排出矿水。
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论文作者:黄吉仙
论文发表刊物:《防护工程》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/5
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