略谈煤矿井下排水自动控制系统

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[摘 要]当前，煤矿安全已经成为人们十分重视的问题，在煤矿生产中煤矿井下排水系统是重要环节，如果不能及时将矿井中的涌水排出，不仅影响煤矿生产，对井下工作人员的安全也会构成威胁。为此，必须要重视煤矿井下排水系统的设计。本文就主要对此进行探讨。

[关键词]井下排水；自动控制；煤矿

中图分类号：TD636 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）47-0283-01

据有关统计数据显示[1]，我国每开采一吨煤井下排水量为3-9吨，在南方或北方遇到雨季甚至排水量还会增加到20-30吨，要确保排水系统的正常稳定运行，通常要使用3-4台泵达到排水目的。加之，当前很多矿井排水系统控制都要涉及到电动闸阀、球阀的使用，所以要完成井下排水需要消耗的电量是十分惊人的。为此必须要很好地控制井下排水系统，达到节能减耗、可靠运行的目的，而这就必然要依靠于煤矿井下排水自动控制系统的设计。

一、煤矿井下排水控制系统现状及问题

最近几年，我国煤炭行业的发展可谓是十分迅猛，在煤矿井下排水方面也涌现出了大量研究。如，1997年付华等人（辽宁工程技术大学）就矿井涌水具备多变性、时变性、不确定性的特点，在矿井涌水的故障报警以及动态监测中使用了模糊控制，创建了对多级模块化的控制系统；2002年衮州矿与煤炭设计院共同设计在矿井排水中使用PLC，借助PLC对矿井下水仓水位以及有关运行参数实行自动监控，还依照液位设计了自动启动、停止水泵系统，实现节能减排的目的；2005年结合发展迅猛的通讯技术，孙东等人（北京理工大学）创建了自动监控系统，并不需要人值班，达到了远程监控的目的。虽说如此，但事实上这些理论的应用并未发挥出应有的作用，跟实际严重脱节，使得很多自动控制设备都处于闲置或是被拆除状态，浪费了很多资源。就当前来说，我国很多煤矿井下排水系统都还处于比较落后的时期，很多设备的管理以及运行都还是手动的，虽说一些煤矿使用了自动控制技术，但因为技术不成熟、自身还存在一些不足等原因，使得煤矿业的发展难以跟上时展脚步。

二、煤矿井下排水自动控制系统的设计

（一）结构设计

1.系统总体结构设计。系统是由现场层、控制层、管理层三者构成的三级控制系统，对应的分别为远程IO、PLC、上位机，以此实现井下排水的自动控制[2]。远程IO主要负责采集并上传现场数据，PLC主要负责逻辑的处理以及任务的控制，上位机主要通过友好的人机界面达到人机对话以及远程监控的目的。

2.系统控制网络设计。一是现场级控制网络。井下排水系统的参控设备以及需要检测的参数都比较多，直接用传统的PLC控制系统是很难满足需求的，为此，系统借助现场总线对设备层与控制层的有效连接。系统还设计了专门的现场总线网络，适用于数字量、模拟量等小数量级的输入和输出。二是远程监控网络。在PLC控制柜跟上位机两者间创建工业以太网，确保现场控制层跟上位机两者间能够实现数据的交换。控制层PLC的配置统一使用西门子S7-300系列PLC，整体来说网络结构很简单也很清晰，弥补了异构网络相互连接时必须要安装配套网关的不足。系统使用西门子S7-300系列以太网通信模块CP343-1，通过此模块能很便捷的实现PLC跟监控中间两者间的以太网通信。同时，为了确保通信的顺畅和不受干扰，系统还使用了以太网跟光纤传输技术，确保控制PLC和调度中心上位机两者间的通信。

（二）功能设计

1.控制方式具有灵活性和多样性。一是就地控制，借助就地箱上的按钮和指示灯直接控制执行机构，适用于检修与维护设备；二是井下集控，借助触摸屏对水泵进行半自动控制，触摸屏将控制命令下达到PLC，由PLC实现整个控制；三是远程集控，用鼠标在地面远程上位机上点击控制软件，对井下水泵机组进行远程控制；四是全自动控制，这种方式就不需要操作人员，直接由PLC依照水位等参控信息自动调整水泵机组，达到排水目的，也可以依照水仓水位等参数选择最佳的控制方案，实现水泵机组的自动控制。2.对设备进行远程监测监控，借助图、表等形式显示、分析、处理数据。3.依照水位等有关情况，科学调度水泵，减少运行成本。4.在遇到故障时系统可以自动实施有关保护措施，并主动显示出故障类型。5。系统出现故障时可以提供声光报警，而且还能查询报警记录。6.系统还有预留的网络接口以及分站拓展作用。

（三）硬件和软件设计

1.硬件方面主要是西门子S7-300系列PLC和主站I/O地址分配，前者是由很多种模块部件构成，并且还能以多样化的组合方式相结合，进而使控制系统的设计灵活性更高，能满足多方面需求；后者设计主要是依照对主站I/O点数的统计以及设备的选型，进而实现主站I/O设备地址的合理分配[3]。2.软件设计主要分为两点，一是S7-300PLC站的硬件组态，这本身就是STEP7软件中十分重要的功能之一，这里的硬件组态主要就是模拟真实的PLC硬件系统，把电源、CPU等设备安装到与之配套的机架上，同时合理设置并修改PLC硬件模块参数。在这过程中，如果用户要对模块的参数或是地址进行修改，就要设置网络通讯，或是用户要把分布外设跟主站连接在一起的时候，这些情况下都必须要做硬件组态。二是全自动控制，如果PLC读取的水仓水位值是H4，那么就说明水仓水位比低限水位要低，这个时候水泵机组就不会投入运行；如果水位值高于 H3，同时时间是平段或电价古段，就可以有一台水泵机组运行，倘若是峰段时间，就需要等到水位上升到H2的时候，再运行一台水泵机组；如果一台水泵机组在运行时水位还是上升到了H1，那么就需要再投入一台水泵机组，倘若水位还在上升，那么就继续投入水泵机组，直至水位下降至H4，就可以停止运行水泵机组。

（四）可靠性设计

1.设备保障。要安全排水首先就要保证设备的可靠运转，结合实际，系统开发了排水系统控制软件的辅助管理模块，实现设备的统一高效管理。结合设备的运行状态，监控软件的设备辅助管理模块能读取并处理有关数据，提出相应的维护意见，就管理层面来说是可以弥补设备存在的不足的。2.传感器保障。排水系统使用了很多种传感器，其可靠性对整个系统的可靠性都有重要影响，传感器的不同对系统的影响也有差异，依照影响的差异性，系统把传感器分为了全局型传感器与局部型传感器，前者为液位传感器，对系统能否实现安全排水有重要作用。余下的传感器基本上都是表现单台泵的实际运行情况，都是局部型的传感器。在系统里，全局型传感器的设计是用冗余，局部型传感器的设计就是用自诊断。3.通信保障。控制PLC和上位机两者间出现通信故障通常都是用校验码和状态位结合的形式进行辨别，前者（校验码）主要判断数据传输是否正确，后者（状态位）主要判断传输途径是否通畅，倘若状态位不正常就表示通信途径终端，这个时候就要及时启动备用的通讯网络，确保通信的顺畅。

三、结语

综上所述，煤矿井下排水对整个煤矿开采工作有重要影响，及时、顺利排水不仅能保证煤矿开采的质量和效率，还能保证井下工作人员的安全。本文论述的煤矿井下排水自动控制系统就能实现矿井水的及时有效排除，值得在煤矿企业推广使用。

参考文献

[1] 崔颖.煤矿井下排水自动控制系统的研究[D].辽宁工程技术大学，2010

[2] 陈维仁.煤矿井下排水自动控制系统的研究与实现[J].中小企业管理与科技，2010（04）：163-164

[3] 陈永利，吕书勇.基于PLC的煤矿井下自动排水控制系统设计[J].济源职业技术学院学报，2012（02）：14-18