矿井主排水自动控制系统研究与应用

摘要：自动化排水集控系统采用高性能西门子S7系列PLC控制器，根据排水控制的要求、水仓水位、供电峰谷区段时间、矿井涌水量和煤矿用电负荷情况，控制在用电低峰和一天中电价最低时开启水泵，用电高峰和电价高时停止水泵运行，以达到避峰填谷及节能的目的。

关键词：PLC 排水系统 自动控制

1、引言

井下排水系统是煤矿生产中四大系统之一，担负着井下积水排除的重要任务。如果不能及时地将这些积水排送到井上，井下的生产就可能受到阻碍，井下的安全就会得不到保障，严重者会造成重大事故。给人民的生命、国家的财产都带来了极大的威胁。因此，井下排水就显得尤为重要。

2、矿井排水系统的组成部分

井下排水系统一般采用离心式水泵，一些小型煤矿或浅水井临时排水系统也采用潜水泵。离心式水泵排水系统主要由离心式水泵、电动机、起动设备、仪表、管路及管路附件等组成。

3、控制系统总体结构

系统采用现场层（远程IO），控制层（PLC）和管理层（工业计算机）组成的三级控制系统来实现排水系统的自动控制。工业计算机利用友好人机界面实现人机对话和远程监控功能，PLC作为控制器完成逻辑处理和控制任务，远程IO实现现场数据的采集和上传。

4、基于PLC的矿井主排水控制系统设计

系统由PLC（可编程逻辑控制器）、触摸屏、检测部分（模拟量和开关量采集）和执行部分等组成。

5、PLC的软件设计

西门子的S7-300系列PLC所用的编程语言是西门子开发的STEP7，这是一种可运行于通用微机中，在WINDOWS环境下进行编程的语言。将它通过计算机的串行口和一根PC/MPI转接电缆与PLC的MPI口相连，即可进行相互间的通信。通过STEP7编程软件，不仅可以非常方便地使用梯形图和语句表等形式进行离线编程，经过编译后通过转接电缆直接送入PLC的内存中执行，而且在调试运行时，还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断状况，甚至可以在线修改程序中变量的值，给调试工作也带来极大的方便。

6、控制系统上位机的软件设计

对于一个有实际应用价值的PLC控制系统来讲，除了硬件和控制软件之外，还应有便于用户操作的友好的人机界面。人机界面就可以看成是人与硬件（计算机、PLC等）、控制软件的交叉部分，人可以通过人机界面与计算机、PLC进行信息交换，向PLC控制系统输入数据、信息和控制命令，而PLC控制系统又可以通过人机界面，由可编程终端、计算机回送控制系统的数据和有关信息给用户。由此可知人机界面充分地体现了PLC控制系统的输入瀚出功能以及用户对系统工作情况进行操作的控制功能。

7、上位机与PLC的通信

本系统采用S7-300的经济型串行通信处理器模块CP340。 CP340与就地PC之间通过RS-232C（V .24）接口进行数据交换，数据交换根据双方约定的规则即通信协议进行。通信协议的要点包括波特率、字符格式、字符间隔、开始传输的条件以及如何保证传输信息完整等内容。CP340内部固化有ASCII和3964（R）两种标准协议，可以与多种设备进行数据交换。ASCII协议是与外部系统相连接的简单协议，带有文本字符的起停或块检查字符，接口的握手信号由用户程序查询和控制。3964（R）协议用于连接西门子设备及第三设备，是由西门子公司进行标准化的并且对外开放的协议。

8、系统的操作方式

远程集控具有远程启动、停止、复位和测试功能，并可进行地面远程编程、故障（保护）屏蔽及控制方式转换；具有“地面远控”、“本地自动控制”、“本地手动控制”等工作方式。自动控制须人工参与核准。

（1）地面远控：该远控应分“远方自动”和“远方半自动”方式。接受来自地面综合信息自动化系统的启动和停止命令。

（2）本地自动控制：由液位传感器连续检测水仓水位，根据水仓水位，自动开停水泵及阀门；在危险水位时，首先投入1台水泵运行，同时声光报警，当超过警戒水位时，可自动投入另一台水泵运行，实现联合运转。

（3）本地手动控制：操作人员根据水仓显示水位，通过操作按键对这些设备进行集中控制操作，发出开停水泵命令及确定开泵台数。在水仓水位满足条件的前提下，系统能按避峰填谷的原则进行水泵的启停控制方式，手动控制具有优先控制权，当自动控制柜与远端监控平台通讯中断时，自动转入井下集中控制方式。

（4）检修：维修人员可操作任一水泵电机，电动闸阀，电磁阀的开关，解除相互闭锁关系。PLC柜上设有该泵的禁止启动按钮，设备检修时，可防止其他人员误操作，以保证系统安全可靠。系统可随时转换为自动和半自动工作方式运行，以上控制方式都能根据正常启动、停止操作程序进行。

（5）峰谷电价时段控制：系统可以根据电网负荷和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段，在水位不高的情况下，以“避峰、填谷”的原则确定开、停水泵时间，从而合理地利用电网信息，提高矿井电网的运行质量，能够实现液位控制和峰谷电价时段控制的综合控制。

（6）自动轮换工作：系统自动控制各台泵采取轮换工作方式，自动记录各台泵运行的次数与时间，保证各台泵及其管路的使用率分布均匀。

（7）闸阀与电机的联锁控制：为避免水锤效应，必须先关闭闸阀，缓慢减小流速，然后才能停泵，闸阀配置为既可电动又可手动的智能型电动闸门。

参考文献

[1]张广龙，史丽萍.矿井中央水泵房综合自动化系统的设计模式.煤矿机电，2005年第4期.

[2]谭国俊，韩耀飞，熊树.基于PLC的中央泵房自动化设计.工矿自动化，2006年2月第1期.

[3]葛铁.煤矿井工开采排水设备自动控制系统的开发研究.太原理工大学，2005.

[4]张爱华.基于组态王软件的泵站计算机监控系统研究.西安建筑科技大学，2004.