礦井水泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)分析

摘要：對(duì)井下水泵的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，并探討了排水系統(tǒng)的構(gòu)成，從硬件以及軟件等部分對(duì)井下水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，并總結(jié)了該系統(tǒng)在井下的應(yīng)用效果，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的基于PLC的水泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、操作控制簡(jiǎn)單，功能齊全等優(yōu)點(diǎn)，并可以降低井下工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提升礦井自動(dòng)化水平。

關(guān)鍵詞：水泵；排水；控制系統(tǒng)；PLC

在井下煤炭進(jìn)行回采的過(guò)程中，井下涌出的水需要利用水泵及時(shí)、高效率的排出到地面，以保證煤礦井下能夠安全的進(jìn)行生產(chǎn)。水泵是整個(gè)井下排水系統(tǒng)的核心部件，若排水系統(tǒng)中的水泵出現(xiàn)故障則會(huì)給礦井排水工作造成嚴(yán)重影響，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成淹井事故，帶來(lái)嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失，因此，保證井下水泵系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行至關(guān)重要�；�于此，筆者在PLC的基礎(chǔ)上，對(duì)煤礦井下的水泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，并對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，系統(tǒng)可以高效平穩(wěn)的運(yùn)行，保證了井下排水系統(tǒng)的安全，可靠。

1.控制系統(tǒng)分析

隨著科學(xué)技術(shù)的向前發(fā)現(xiàn)，PLC控制程序已經(jīng)替代了原有的繼電器控制方式，成為現(xiàn)階段直流使用方式，在對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，需要選擇安全、可靠、能夠配備的電氣元件，并能夠適應(yīng)井下復(fù)雜、惡劣的環(huán)境條件。嚴(yán)格按照礦山有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)元件進(jìn)行選型，并在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)充分考慮到井下存在的各種難題，這樣才能使得系統(tǒng)可靠，穩(wěn)定。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)礦井的實(shí)際需求，完善采用的PLC硬件以及軟件，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整工作狀態(tài)的目的。在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中需要實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

2.井下排水系統(tǒng)組成

礦井井下中央水泵房中布置5臺(tái)離心泵，其中2臺(tái)水泵工作，2臺(tái)水泵備用，1臺(tái)水泵用作檢修，與井下的水泵房中水泵相連接的排水管路共有3條，每一臺(tái)水泵都與兩條排水管路進(jìn)行連接，當(dāng)一條排出管路出現(xiàn)故障時(shí)，另外一條排水管路可以及時(shí)的進(jìn)行替換。井下水泵工作流程為：當(dāng)井下水位超過(guò)一定高度時(shí)，與射流泵連接到一起的電磁閥開(kāi)啟，此時(shí)射流泵開(kāi)始向水泵中進(jìn)行注水，離心水泵入口處的真空度壓力值達(dá)到設(shè)備啟動(dòng)狀態(tài)的設(shè)定的閾值時(shí)，驅(qū)動(dòng)水泵的電機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)，當(dāng)水泵出口處的壓力值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，水泵出口的電動(dòng)閥開(kāi)啟，開(kāi)始向排出管路中進(jìn)行排水。當(dāng)排水水泵停機(jī)時(shí)，需要先將出口處的電動(dòng)閥進(jìn)行關(guān)閉，最后再關(guān)閉水泵的電機(jī)。

3.系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)

當(dāng)系統(tǒng)中的組成部件（水泵、閥門(mén)或者排水管路）出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)自動(dòng)向系統(tǒng)切換至另外不受到影響的管路。同時(shí)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的錯(cuò)開(kāi)用電高峰期，在用電的低谷段以及平段內(nèi)運(yùn)行，水泵運(yùn)行后將水倉(cāng)內(nèi)的水通過(guò)排水系統(tǒng)排出后，當(dāng)水位下降到設(shè)計(jì)時(shí)的低位時(shí)，水倉(cāng)可以騰出較大的空間，這樣可以盡量做到避開(kāi)井下用電的高峰段，同時(shí)也可以節(jié)省一定的電量。設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)具有手動(dòng)控制，半手動(dòng)控制以及全自動(dòng)控制等三種控制方式，當(dāng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修或者進(jìn)行試車(chē)時(shí)可以采用手動(dòng)控制方式，通過(guò)設(shè)置在水泵房中的控制柜來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)控制；選擇半自動(dòng)控制方式時(shí)，井下的工作人員選擇哪幾臺(tái)水泵處于工作狀態(tài)，并由PLC控制器來(lái)選擇設(shè)備的開(kāi)啟或者關(guān)閉。選擇全自動(dòng)控制方式時(shí)，PLC控制系統(tǒng)可以接收到井下布置的各種傳感器的信息，并通過(guò)預(yù)先設(shè)定的程序完成對(duì)水泵的自動(dòng)控制運(yùn)行，這個(gè)過(guò)程不需要人工進(jìn)行參與。在系統(tǒng)中布置的上位機(jī)采用的是動(dòng)態(tài)軟件，以便達(dá)到對(duì)水泵及附屬的其他設(shè)備的監(jiān)控作用，對(duì)井下水倉(cāng)內(nèi)的水位，排水系統(tǒng)中的流量、壓力、軸承溫度、驅(qū)動(dòng)裝置的電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行顯現(xiàn)，并提供各類信息的存儲(chǔ)，故障提升以及事故報(bào)警等功能，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各類數(shù)據(jù)報(bào)表的打印，歷史數(shù)據(jù)的查詢，報(bào)表的統(tǒng)計(jì)工作等。

4.系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)的PLC采用西門(mén)子生產(chǎn)的S7-300系列，CPU模塊是314，選用PS307電池模塊，選用4塊型號(hào)為SM321的數(shù)字量輸入模塊；1塊16×220v，AC的繼電器，1塊32×24v，DC開(kāi)關(guān)模塊，5塊型號(hào)為SM331的模擬量輸入模塊；通信信息處理模塊1塊，型號(hào)為CP340。在井下水泵房?jī)?nèi)安裝各種類似的傳感器，達(dá)到對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，水泵房?jī)?nèi)的5臺(tái)水泵均配備YD2010型智能電力參數(shù)監(jiān)控設(shè)備，對(duì)電機(jī)的電量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC控制器中，控制器的CPU對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并綜合判斷。井下水倉(cāng)水位傳感器采用的是型號(hào)為CYB31的液位變送傳感器；對(duì)水泵壓力進(jìn)行測(cè)量的是壓力變送器型號(hào)為CYA602；采用ZDY-I型真空計(jì)對(duì)真空度進(jìn)行測(cè)量，該型號(hào)的真空計(jì)穩(wěn)定性好，測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快，并可以在井下的復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用。對(duì)電機(jī)軸承溫度進(jìn)行測(cè)量的溫度傳感器采型號(hào)為WZPD。

5.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)軟件的操控方式如圖1所示。（2）井下水泵房設(shè)備的自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)停。通過(guò)對(duì)啟動(dòng)井下水泵數(shù)量程序，以及水泵工作模式輪換程度，就可以知道井下正在運(yùn)轉(zhuǎn)，處于工作狀態(tài)的是具體哪個(gè)編號(hào)的水泵，并自動(dòng)對(duì)水泵的工作狀態(tài)進(jìn)行檢查，當(dāng)滿足水泵開(kāi)機(jī)條件時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟水泵運(yùn)行。并避開(kāi)井下用電的高峰時(shí)段，選擇用電平穩(wěn)或者底谷段，為了節(jié)省設(shè)備用電，在井下用電高峰結(jié)束前只需要保持井下水位不超過(guò)設(shè)計(jì)的最高水位值即可。（3）工作狀態(tài)自動(dòng)切換。在井下水泵房中每個(gè)水泵中都安裝兩個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，用以對(duì)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間以及設(shè)備的運(yùn)行次數(shù)進(jìn)行記錄，當(dāng)啟動(dòng)井下水泵時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)自動(dòng)判斷運(yùn)行時(shí)間最短且穩(wěn)定性最高的水泵進(jìn)行工作，當(dāng)兩臺(tái)水泵的工作時(shí)間比較接近時(shí)，且工作時(shí)間都是最少的，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)水泵的運(yùn)送次數(shù)進(jìn)行判斷，選擇運(yùn)行次數(shù)最少的水泵作為優(yōu)先啟動(dòng)的設(shè)備。當(dāng)系統(tǒng)中的某臺(tái)水泵啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)與水泵相連的兩條管路中運(yùn)行工作最短的一條，若兩條管路運(yùn)行時(shí)間較為接近，則選擇運(yùn)行次數(shù)最少的管路。

6.總結(jié)

在煤礦井下采用設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，運(yùn)行結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有操作控制簡(jiǎn)單，功能齊全，維修管理較為簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，系統(tǒng)能夠保持長(zhǎng)時(shí)間的平穩(wěn)穩(wěn)定。與以往采用的系統(tǒng)相比，能節(jié)省大量的人力，降低井下工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，并提高了礦井的自動(dòng)化水平。

參考文獻(xiàn)

[1]張耀軍.礦井主排水泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究思路探索[J].硅谷,2014,7(17):61+77.

作者：杜勇威 單位：山西焦煤西山煤電東曲礦