煤矿井下排水泵房PLC控制系统分析

关键词：矿区煤矿生产

煤矿井下排水泵房是排水体系中的重要构成部分，对于煤矿井下实现安全生产、高效生产有着极其重要的作用。就各地矿区井下监测情况来看，伴随开展深度的增加，突水事故发生概率也在提高，给各矿区安全生产、生产管理带来极为严峻的挑战。煤矿井下排水泵房多按照水平分组安装，一般情况下，一个水平设置有外、内、中三个蓄水仓，各个水平泵房承担相应区域的排水任务。PLC技术是井下泵房主要控制技术，就当前控制技术发展情况而言，基于PLC控制已经能够实现对井下各个水平泵房的统筹协调，避免出现频繁启动、频繁停止等问题。但是就行业发展情况而言，多数从业者对于PLC控制泵房的方式、技术都没有深刻认识以及了解，本文就立足于该现实需求，对煤矿井下排水泵房PLC控制系统的构建、应用进行详尽论述。

1. 井下排水系统构成

这里以某矿区为例，该矿区井下多水平泵房排水系统由多个水平泵房构成，地层泵房在井下-410m处，中间泵房在井下-280m处，最上层泵房在井下-130m处。主排水泵房由射流阀、水泵、真空阀、出水闸阀、综合保护器开关、水泵电源、水泵启动柜等构成。中间泵房(-280m)承担煤矿主要排水任务，排水工作强度相对较大，同时还负担最上层泵房(-130m)辅助排水任务，中间泵房主要排水管路共计两条，中间泵房(-280m)在实际运作的过程中，人工不能够实时观测排水情况，部分情况下会因排水量增加，出现水仓充满等情况，对于生产安全威胁突出。为满足安全生产要求，构建PLC控制系统。

泵房总线控制体系为485总线，控制通信协议为Modbus RTU，各水平泵房配置和主泵房相同。该煤矿年产量超过百万t，近几年在煤矿产业改革约束下，产量有所减少。井下采煤方式为典型的“单一走向长臂后退式开采模式”，采空区的处理方法为传统跨落式处理模式，井田总体构造为倾向N，走向为接近EW的单斜向构造，内部褶皱、断裂、地下水发育，高低落差大于20m处相对较多。

煤矿开拓方式为多水平、立井、上下山分区模式，在开采过程中，受地下水、岩溶水影响，存在明显突水隐患，对煤矿生产安全造成影响的主要含水层为：(1)第五层灰岩，含水性明显，在煤层下方17.79处，厚度为10.7m，富水性突出，岩溶发育，且补给水源构成复杂，是为典型直接含水层;(2)奥灰，位置在第五层灰岩下部，是为典型的煤矿基层，厚度在80m左右，岩溶相对发育，且南部有明显的岩层出露，补水为降水补给。

2. PLC自动排水控制系统构成

排水体系构成为-280m、-130m、-410m泵房构成，如图1所示，排水控制系统涵盖主控制柜、环网交换机、显示器、各类传感器。主控制柜通过直接控制继电器来实现各个电路的开合，通过数据采集系统上报各个泵房的运作情况，同时具有告警、数据处理等等功能，主控制柜上以触摸屏来实现人机交互，屏幕上直接显实各个水泵的运作情况，为维修、维护工作人员提供可靠参考借鉴;就地控制柜中有转换开关、中间继电器、按钮、指示灯、导线、端子排等等，水泵可通过水泵实现有效控制，主要控制水泵启动、停止，并显示各台水泵的状态信息，若发生异常，迅速报警;上位机主要实现水泵的远程控制，并具有控制历史记录查询功能，故障报警功能，上位机为FSC-1621VDI、IPC-810;PLC(PLC选择Siemens S7-300PLC)通过以太网模块直接接入环网体系，并通过环网交换机、光纤传输系统将数据传输到地面控制机;PLC管理主要通过工业计算机实现，并通过I/O来连接传感器，传输传感器信号，最后通过输出模块来控制水泵的启动、停止，在整个系统中，模拟量主要为压力、温度、水位、电流等，开关量主要实现对电动闸阀、电机、真空泵的有效控制;PLC硬件构成为SM322数字输出(16bit)、SM331、SM321(32bit)、PS307电源、Siemens S7-300[1]。

3. 基于PLC的泵房调度优化

(1)一键启停控制

基于PLC顺序控制，实现对各个泵房中阀门的一键启停控制，是为该自动化控制系统的重要构成部分，具体的控制过程可见图2、图3，在一键启停控制过程中，各个环节的开关量情况均可通过上位机显示[2]。

(2)水位智能控制

水位智能控制在原有控制逻辑的基础上，综合考虑到各个泵房输配电网络负荷、水位标准、涌水量等参数，根据基础的水泵调度控制模型，能够实现根据电网运作情况对水泵工作数量的合理调控，并在输配电网负荷较高的时间段，利用PLC程序控制泵房分水阀，确保各个蓄水仓达到最大容量，在电网负荷降低时，再将水仓内储水排出，以确保排水体系的正常运作[3]。

(3)水泵运作协调

水泵大功率急速启停控制必然会对电机的绝缘造成严重影响，以致于水泵使用寿命缩短或引发漏电问题。基于PLC控制系统，合理记录水泵的启动、停止次数，判断各个水泵的磨损情况，在控制过程中，优先启动磨损程度较低的水泵，或者启动无故障水泵[4]。

(4)多水平联合控制

原有矿井监控系统为单一控制系统，三个水平泵房没有直接联系，主要通过管理人员的综合分析来实现统一协调控制，不仅仅对系统集成工作构成严重影响，同时也会导致人为主观因素带来一定的安全隐患。基于以太网、PLC技术，在SIMATIC管理界面中，通过合理控制FC6、FC5程序模块来协调通信收发[5]。中间排水泵房是联合控制的核心部分，能够监视排水体系内各个PLC分站，确保各个泵房的工作负载维持在合理的范畴内。

(5)移峰填谷机制

秉承“移峰填谷”原则，根据各个水仓以及输配电网的工作情况，将电网负荷、水位划分为五个不同层次的警戒值，水位主要划分为超低、低、正常、警戒、超警戒五个层次，泵房排水系统在运作的过程中，根据实际情况实现告警以及水泵控制。

(6)PLC控制综合保护

Siemens S7-300PLC，该PLC系统支持485、422、232C通信接口，并支持Modbus RTU、ASCⅡDriver、RK512,485接口支持CP341模块运作，支持FB7的数据收发，同步应用FN8支持数据发送，Modbus RTU协议运作需要利用CRC16校验程序的有效运作。PLC控制综合保护的实现主要通过16bit寄存器的预置，16bit寄存器主要通过赋值16进制FFFF;16bit寄存器内容最高位补0，其他位向右移动，若16bit寄存器进制数为A001,，结果存入16bit寄存器中，若是为0，那么继续移位，最高可移动8位，以得出16bit寄存器校验码[6,7]。

事实证明，上述系统能够有效支撑井下排水体系的安全运作，并解决了传统PLC控制系统形成的“信息孤岛”问题，有利于管理工作人员实现统一的调度、优化、协调，可在保证矿井生产安全性的基础上，进一步提高设备运作稳定性，以达到延长泵房使用寿命的现实目的。

4. 结束语

综上所述，井下排水系统的运作对于井下正常生产、安全生产的保障有着至关重要的作用，现如今PLC技术在井下泵房控制中的应用极为广泛，但是多数矿区对于PLC的应用仍旧处于“独立封闭式”应用状态，各个水平泵房无法协同运作。广大从业者要深刻认识到上述文章所介绍的协同运作PLC泵房控制方法，并在实际工作中进行深入探究，为井下安全生产提供可靠保障。

摘要：下文立足于煤矿井下排水需求以及国内各矿区井下排水体系构成情况，以某矿区井下排水系统为参考案例，分析了该矿区井下生产排水需求以及传统控制方法存在的问题，然后对该矿区应用的PLC控制方法进行了详尽论述。

关键词：煤矿生产,PLC,自动化控制,井下排水