基于PLC的煤礦井下排水模式自動轉換控制系統(tǒng)

朱信龍，李小剛，謝沛

（1.陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司,陜西榆林，719000；2.陜煤集團神木檸條塔礦業(yè)有限公司,陜西神木，719300）

1 煤礦排水系統(tǒng)的組成和工作原理

1.1 煤礦排水系統(tǒng)整體組成

系統(tǒng)的組成部分主要由：變頻器、PLC、大功率三相水泵（2臺）、壓力變送器及其他控制組組成，具體結構如圖1所示。

由圖1可知，系統(tǒng)整體結構中的變頻器功能主要是對水泵進行軟啟動和變頻調速處理；水位傳感器的功能是將水位信號實時地轉換成標準電信號(4～20Ma)，再經過A/D轉換模塊將其送入PLC中，進而比較實際檢測與設定的水位信號是否存在異常；然后進行邏輯運算，再將最終結果傳送至變頻器上，變頻器再根據實際情況改變水泵轉速，其主要是根據上述所得結果控制變頻器的輸出頻率；同時，水位值通過PLC傳送至上位機，然后實現動態(tài)顯示；上位機發(fā)送信號至PLC上，就可以智能啟停同時控制水泵。

圖1 系統(tǒng)整體結構組成

1.2 系統(tǒng)的工作原理分析

由于煤礦井下環(huán)境復雜，排水模式的選擇尤為重要，尤其是在進行排水系統(tǒng)上的自動轉換控制。在進行排水模式轉換過程中，主要是通過連續(xù)閉環(huán)的PID進行操控。基于實際水位與給定的水位值，對排水模式進行比較，通過PLC的PID邏輯運算發(fā)送系統(tǒng)調節(jié)信號，從而對變頻器的輸出頻率以及水泵電動機組的控制，最終實現排水系統(tǒng)中排水量的調節(jié)。

從工作原理圖2所示可知：水位傳感器將煤礦井下的當前實測水位情況反饋給地面時，首先將水位實際值傳送至水位傳感器的輸入端，將其與給定的水位值進行比較。當比較結果顯示煤礦井下的水位偏高時，通過運算，調整PID參數，進而根據差值相應地提升變頻器的頻率。當排水量隨著水泵轉速的增加而加大時，煤礦井下的水位也隨之降低。相反地，降低變頻器的頻率，排水量隨著水泵轉速的降低而水位下降速度減緩，那么礦井內的水位也就下降緩慢。對此，需要保證變頻器頻率在穩(wěn)定值，這樣才可以保證自動排水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

圖2 工作原理圖

2 煤礦井下排水模式自動轉換控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)硬件選擇

PLC是一種三項技術為一體的數字運算操作系統(tǒng)，三項技術包括：計算機、自動控制和通信三種技術。三者高效融合可以使煤礦井下模式轉換得以自動控制。

在型號選擇過程中，主要基于系統(tǒng)的I/O標準,文本顯示器選擇的是帶防爆功能的TP04型號；上位機組態(tài)軟件選擇的是KingView軟件硬件系統(tǒng)中PLC控制核心采用SIMATICS7-200系列、EM223CN-I/O擴展模塊、SIMATICS7-200模塊、CP243-1通訊模塊和EM231模擬量輸入擴展模塊。

關于煤礦設計的文件中明文規(guī)定，基于系統(tǒng)需求,礦井水泵具備三種工作方式：正常狀態(tài)工作、發(fā)生事故時備用工作、自動檢測修復。對于主排水控制系統(tǒng)中的PLC信號通常包括三種：模擬信號輸入、數字信號的輸出和輸入信號。這三種輸出信號輸出、輸入方式還包含很多工作方式以及運行指示。因此，PLC中各個模塊之間都有著各自獨立的信號連接方式，PLC各模塊之間的信號連接見圖3。

圖3 PLC各模塊之間的信號連接圖

2.2 控制系統(tǒng)硬件連接

對于硬件設施，其設備外部的控制箱選擇的是可編程的防爆箱，外部電源通過變壓器的作用將其轉換成220V電壓，供電設備主要是開關電源和PLC的CPU模塊。本安電源板一共包括6路24V直流電壓信號，開關電源為其提供工作用電源，本安電源板中包括上述提到的很多重要設備，其中包括傳感器、繼電器、操作臺上的指示燈和文本顯示器等；排水自控系統(tǒng)顯示閥門開關到位、輸入、傳感器電流等信號全部接入防爆箱裝置的喇叭嘴，然后連接數字量和模擬量傳輸至模塊中，其連接方式是通過航空電纜；同理，數字量輸出模塊的傳輸方式是將信號通過上述方式連接到執(zhí)行設備中；文本顯示器的功能是為顯示器提供該設備的運行狀態(tài)信號，是與CPU-226CN模塊上的RS485接口相連接。將光纖分線盒與CP243-1模塊的以太網接口相互連接，這樣就保證以太網的信號經過處理轉變成光信號，地面監(jiān)控室再經過反向處理，光纖與地面光纖接線盒相連接，光信號又一次經過轉換成為以太網信號，再將經過處理的網絡信號列入工業(yè)范圍的以太網交換機，再將其連接至上位機。

3 系統(tǒng)的軟件設計

啟停泵在執(zhí)行時的標準相對嚴格，必須嚴格按照上述順序來執(zhí)行，否則會發(fā)生意外事故，如水錘效應，一旦發(fā)生事故最輕的后果就是導致水泵故障，重則淹沒城池巷港、危及生命。所以，在系統(tǒng)設計軟件的時候，一定要思考認真、全面，不能有分毫的差錯。對此，本文在進行軟件設計過程中，引入多臺運動控制法，當單臺水泵在啟動工作時是獨立的，各自有獨立的輸出控制，單臺水泵的運行性能會對系統(tǒng)的整體性能造成直接的影響；反之，當為多臺水泵啟動工作為多臺聯(lián)動時，通過啟動整體控制器，實現多臺的聯(lián)動運行。而在組態(tài)軟件的編程過程中，主要是人機交互的界面設計，通過這個軟件設計可以實現實時監(jiān)控。此系統(tǒng)能夠進行輸入域、輸出域、矢量圖等進行標準的生成，并且基于其動態(tài)性能可以進行可視化監(jiān)控，也可能會出現集成消息，實現遠程記錄并監(jiān)控。

4 仿真實驗對比分析

為驗證本文設計煤礦井下排水模式自動轉換控制系統(tǒng)的有效性，在MATLAB仿真平臺，采用文獻3系統(tǒng)與文獻2系統(tǒng)為對比系統(tǒng)，以控制精度為指標進行對比驗證，結果如圖表1所示：

由表1可知，在實驗次數逐漸增加的情況下，采用文獻2系統(tǒng)時，其控制精度隨著實驗次數的增加而提高，控制精度約為79.09%；采用文獻3系統(tǒng)時，其控制精度前期增長較慢，后逐漸增加，控制精度約為71.69%，將比文獻2系統(tǒng)控制精度降低了7.4%；采用本文系統(tǒng)時，其控制精度后期增長較慢，但整體較高于文獻2系統(tǒng)和文獻3系統(tǒng)，控制精度約為90.1%，相比文獻2系統(tǒng)和文獻3系統(tǒng)分別提高了約11.01%，18.41%，具有一定的優(yōu)勢。

表1 不同系統(tǒng)控制精度對比結果

5 結束語

近些年以來，我國礦山業(yè)迅速發(fā)展，自動化生產已經成為大勢所趨，然后排水系統(tǒng)在安全生產保障中不容忽視。實現自動化且集中控制對我國礦山企業(yè)的生產運行意義重大，其最終目標就是要把井下的排水系統(tǒng)進行集中控制，再將其歸納至礦山中整體的控制中去，使礦山在各個生產環(huán)節(jié)都能夠集中控制，完成整體上的飛躍。PLC控制器不僅低成本、硬件結構簡單，并且可以保證其運行的可靠性能。與此同時PLC結合變頻器的方式實現了水泵可以平穩(wěn)啟動，避免了傳統(tǒng)形式對電網的沖擊。運行過程中可以對水泵進行無級調速，在一定程度上延長閥門以及水泵的使用壽命，在節(jié)約電能方面具有良好的社會和經濟效益。