矿井水泵房自动排水监控系统设计

摘 要：介绍了传统煤矿井下水泵房控制方式的不足，研究了一种利用水仓水位准确测量涌水量的方法，设计了基于PLC的井下水泵房自动排水监控系统，分析了系统的构成和控制软件的编制。系统自动检测水井水位和其它参数，对水泵的运行进行自动化控制，并利用以太网通信技术，实现矿井水泵房的全自动监控的管理。

关键词：排水泵； 超声波流量计；可编程控制器

一、绪论

永城市新桥煤矿2009年投产，矿区含水层有6 层，水文地质条件中等偏复杂，正常涌水量为302m3/h，最大涌水量为385m3/h。目前矿井现有两个排水系统，一水平涌水量较小，由2台200D-65X5排水泵直接将水排出矿井。二水平排水系统担负着矿井主要的排水任务，各采区涌水抽到中央泵房的水仓中，再由中央泵房的排水系统排出矿井。矿井最初设计时，采用传统的继电器控制排水系统，主排水泵是四台多级离心泵，扬程为520m，每台水泵的流量为280m3/h；水泵电机采用电抗器降压起动，电机额定电压为6kV。排水泵站的起停操作和判断，完全依赖于工人的操作经验和已有的操作规程。这种系统存在的主要问题是操作工序复杂，工人的劳动强度大，不适合现代化的要求。另外，人工操作也存在着较大的安全隐患，容易损坏部件，不利于降低煤矿企业的运行成本。

本课题针对新桥煤矿现有排水系统存在的问题和不足，对替代人工监控的水位监测系统做了研究，应用先进的可编程控制器（PLC）控制系统来取代老式的继电器控制的排水系统，并用现代化的通讯技术实现了排水系统的远程测控。

二、煤矿井下排水自动控制系统的设计

2.1总体方案设计

该系统是在矿井原有的排水设施基础上进行的自动化改造，改造后控制系统由 PLC 控制柜、就地控制柜、报警和通讯接口及执行机构等部分组成，可在无人工干涉的情况下，由程序控制，完成自动运行和自我诊断。

该系统选用了PLC作为中心控制器，完成模拟量输入、数字量输入输出、与上位机通信等功能。其中，需要处理的模拟量输入信号包括水仓水位高度、水泵出水口压力、真空度、水泵轴温、排水管流量等；PLC采集多路数字量输入信号，包括排水管电动阀的开关状态，水泵电机的开关状态反馈信号，离心泵电磁阀的开关状态信号，控制方式选择信号等。数字量输出控制信号包括各离心泵电磁阀的开关信号，各水泵电机的开关信号，排水管电动阀的开关信号等。数据监测模块检测各传感器状态，并将检测数据通过通讯模块传送至监控计算机。

根据煤矿井下排水规程，主排水泵的工作水泵能力，必须在20小时内排出矿井24小时的正常涌水量。系统选用了四台离心式水泵作为主排水泵，正常工作状态下，两台投入正常排水工作，一台作为备用泵，另外一台作日常检修。电控配套设备分别为GKG2-6C高压开关柜，PLC主控制柜，就地手动控制柜。PLC主控制柜实现系统的集中监控。就地控制柜可以控制四台水泵的开停、电磁阀和电动阀门的开闭、真空泵的开停等。

本系统中设计有两条排水管路，用四台离心式排水泵进行排水，并且每一个排水泵都通过电动阀分别和两个排水管路相连接，这样，当其中一个管路出现故障或需要维修时，可以继续通过另外一个管路排水，排水工作不会中断。

系统的控制方式以PLC集中程序控制为主，控制器根据水仓的水位的高低，以及涌水量的大小，通过操作电动阀，实现开启或关闭排水泵。水泵自动控制系统包括自动、手动两种方式。自动控制方式工作时，系统根据程序设定条件和各设备之间的联锁关系，对排水系统的各种参数进行实时监控，并依据控制逻辑设定，完成对水泵及其它关联设备的开停控制。当出现涌水量异常增大的情况时，系统发出报警，并紧急启动水泵。当 PLC控制器发生故障，或者设备检修后需要单机试车的情况，可选择手动控制模式，进行系统测试。操作员可以根据各设备的联锁关系，依照操作规程按顺序控制水泵及其关联设备的开停控制。

2.2 水仓水位的测量和涌水量的计算

水仓水位的测量是排水控制系统的关键环节。系统采用了2 套水位检测装置来监测水仓中的水位，一套为 3 组浮球开关，用于检测几个水位点，包括超低限水位、低水位、高水位、超高限水位。另外一套是超声波水位传感器检测，用于探测水位细微变化，能够用来判断水位上升或者下降的趋势。它属于非接触式传感器，性能不受被检测介质的影响，精度较高。

2.3可编程控制器模块选型及硬件设计

PLC控制系统具有功能强，配置方便，可靠性高，抗干扰能力强，维护方便，容易改造等优点，能很好地实现工业实时控制功能。本系统选用的可编程控制器型号为FX2N-64MT，采用直流电源（+24V）供电，中央处理器具有32点输入接口和32点数据输出接口。可编程控制箱负责采集各设备的运行信息，再由工业以太网传送数据到上位机，同时PLC对各设备的运行状态进行

监控。

PLC控制水泵自动排水工作流程如图2.3所示。控制器采用顺序扫描的工作方式，编程方式具有简单和直观的特点。水位传感器将水位变化信号转换为模拟输入量，送到PLC输入模块。各种开关量信号经由数字量输入模块，送入到PLC控制器。控制器根据水位变化，计算出单位时间内水位的上升速率和当前的涌水量。控制器根据设定好的指令，控制4台离心泵的启动和停止。PLC控制器还对电机电流、水泵轴温、电机温度、排水管流量等变量进行检测，如果变量值超过设定范围，则进行超限报警。

PLC控制器通过以太网接口连接上位监控主机。主排水系统运行的模拟图可动态地显示在监控主机上，同时显示出4台水泵的运行参数。系统自动记录井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态，运行和故障数据，并可显示排水系统的故障点，便于操作人员查找问题。

三、总结

本文介绍了基于PLC的煤矿井下自动控制排水监控系统的软硬件的设计和配置。排水系统按照用户要求改造后，运行良好，具有遥控、自动、就地手动等多种工作方式。上位机监控系统可由地面控制室监测水泵运行参数和控制开停。排水系统集中控制，节省操作人员3～5 人，改造后每年可节约电量65万千瓦时，具有较好的经济效益。