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摘要：井下排水系統是煤礦生產中的重要組成部分，排水系統的正常運行對煤礦的開采具有重要的意義。以S7-300系列的PLC為核心，設計煤礦井下排水系統，對系統中的PLC控制模塊和傳感器進行選型，通訊網絡選擇為工業以太網，針對“避峰就谷”控制策略的弊端，設計考慮水位變化率的排水系統控制策略，提高排水效率。
關鍵詞：煤礦；排水控制；PLC；控制策略
0引言
由于降水滲透和河流水的影響，在煤礦的開采過程中，煤層結構中極易出現水的涌出。當掘進機在開采過程中破壞掉巖石的堆積結構時，則容易發生突水事故[1-2]，危及礦井工人的生命安全，因此，設計可靠的礦井排水系統對于煤礦的安全生產具有重要的意義。據統計，每開采1噸煤要排出3～6噸積水，偶爾甚至要排出20～30噸水，對于井下的排水系統是一個巨大的考驗。同時，由于井下排水系統控制策略的滯后，很多情況下，排水系統的啟動和運行控制，需要依賴人為的操作，根據工人經驗判斷水泵運行情況和水位變化，存在臨界真空度不明確、讀數不準等問題。本文對現有排水系統進行分析和優化，設計可以遠程監控的自動化排水系統。
1控制系統方案設計
在傳統的控制方法中，主要利用接觸式的傳感器和繼電器進行排水系統的控制?，F場采集到的數據包括：壓力、水位、溫度、真空度、電流以及開泵時間，在開泵時間的控制上，主要依靠人為的經驗判斷時長，存在工作效率低、可靠性差的問題。本系統在此基礎上，進行了計算機控制、控制網絡、檢測傳感器、可編程控制器等技術的優化，提高系統工作的可靠性。
1.1系統結構
本套系統采用離心式水泵，該排水系統的主要組成部分包括：離心式水泵、流量計、出水閘閥、電磁閥、真空表、射流泵、真空泵等[3]。該系統中，各主要部件的功能如下。（1）出水閥可以調節水泵的流量和揚程，一般安裝在距離泵體1m左右的位置，在水泵啟動時，慢慢打開該閥門，減少水泵在啟動時產生的電流，節省功耗；在水泵關閉時，關閉閥門，防止管道中的水逆流入電機。（2）在泵體啟動過程中，如果開泵失敗，同時，出水閥沒有關閉的情況下，可能導致管道中的水的逆流，這個時候，需要在管道中增加防止水逆流的、具有方向性的器件，這就是逆止閥，其可以保證水流的方向，保護泵體。（3）射流泵、真空泵的作用主要是向泵體中注入水，在水泵啟動之前需要排出泵體中的空氣，射流泵通過吸走泵體中的空氣，在泵體中形成真空的環境，利用大氣壓力，將泵體外的水注入到真空的泵體內，實現注水的目的。
1.2控制原理
離心式水泵的工作過程主要包括四個方面：水位監測、泵體抽真空、操作閥門和電機、運行參數調節。水位監測是排水系統的重要組成部分，排水系統根據水位監測的結果決定是否要開始排水，由此可見水位參數是排水系統的重要參數，為了使該參數穩定可靠，在排水系統中安裝兩套水位監測傳感器，兩者互為備用，保證監測水位的準確度；水泵腔內充滿液體時，才能正常工作，若真空度不夠，則會在氣泵啟動時，造成氣濁，在水泵啟動前需要檢測泵體內真空度，保證泵體抽真空；水泵運行中的參數包括：水倉水位高度、出水壓力、吸水管真空度、水泵溫度、電機電流等。當水泵參數不正常時，需要立即停止工作，避免故障范圍擴大。
1.3控制系統結構
控制系統主要分為井下排水控制系統和地面監測站兩個部分。現場的控制系統主要包括PLC控制柜、就地操作箱、傳感器、出水閘閥、射流閥、真空閥、高壓開關柜組成。地面監控系統包括一臺工控機，光端機和工業電視系統。現場控制器的主控機選型為S7-300，該PLC是由西門子公司生產，被廣泛應用在煤礦控制系統中，具有良好的穩定性和可編程性，可以滿足現場控制的需求。在PLC中又可以分為電源模塊、數字量模塊、模擬量模塊、CPU。地面監測系統和PLC之間的通訊是通過工業以太網完成的。利用VB程序編寫上位機軟件，實現對現場參數的實時監測和動態顯示。
2系統硬件設計
2.1硬件結構
以PLC為核心的控制系統是井下排水系統的核心，控制系統的硬件結構如圖3所示，和CPU連接的擴展模塊主要包括數字量輸入、數字量輸出、模擬量輸入和以太網接口四個部分。其中，以數字量信號作為輸入的包括控制方式選擇、液位開關、水泵開關、急停、故障復位開關、水泵電機運行狀態；以模擬量信號作為輸入的包括水泵的真空度、壓力，水泵的電機電流、電壓和溫度，排水的總量；以數字量信號作為輸出的包括水泵電機開關控制、電磁閥開關控制、報警開關控制、運行指示燈、排水總量；以太網的數據傳輸給顯示屏和上位機軟件，并將排水系統的實時信息上傳至企業環網。
2.2PLC模塊選型
根據PLC采集參數的數量可以對PLC的各個模塊進行選擇，主站模塊的選型見表1。中央處理單元選擇為CPU315-2PN/DP，該模塊具有以太網接口和PROFI⁃BUS-DP接口可以擴展變頻器，具有速度快、擴展能力強的優點；電源模塊采取雙電源供電的工作方式，選擇為PS307-5A和PS307-10A，根據電流型號的不同可以選擇接入的模塊數量，在井下排水系統中作為一主一備，保證控制系統供電可靠性；數字量的輸入選擇SM321模塊、數字量的輸出選擇SM322模塊，模擬量的輸出選擇SM331。通過SM321、SM322模塊進行傳感器和PLC輸入、輸出電平的轉換。
2.3傳感器選型
2.3.1流量傳感器
本系統的流量傳感器采用超聲波傳感器，安裝位置在距離泵體1m左右的管道的兩側，通過統計泵體排除水的體積來決定排水系統的參數是否需要調整。在液體流動過程中，超聲波順流向和逆流向的傳播速度不同，超聲波傳感器利用流體的流速和正反向超聲波的速度差計算通過管道中的液體體積。管道的直徑為D，在管道兩端安裝的超聲波傳感器探頭分別為A、B，A、B互為彼此的發射端和接收端，供電電源為交流127V，輸出信號為標準的4-20mA信號。t1為逆流向超聲波從B發送到A所用的時間，t2為順流向超聲波從A發送到B所用的時間，t2大于t1，兩者做差可以得到如下公式：
2.3.2真空度傳感器
真空度傳感器是用來測量泵體內真空度的傳感器，通過傳感器采集的數據，判斷是否具有開泵的條件。真空度傳感器的工作原理類似壓力傳感器，當被測物理量接觸傳感器時，傳感器內部的敏感元件產生形變，這種形變在電路中表現為阻值的變化，通過判斷敏感元件的電阻阻值，可以判斷真空度。其工作原理圖如圖5所示，外部采用12VDC供電，具有體積小，功耗低等特點。
3排水系統優化策略
3.1“避峰就谷”策略模型及弊端
在大多數的煤礦排水系統的控制策略都選擇為“避峰就谷”模型，通過設置一個高水位、一個低水位和一個水位的極限值[4-5]，這種控制方法簡單地根據水位的變化情況對排水系統進行控制，可以實現自動排水的額目標。但是，“避峰就谷”的控制策略只是通過人為的經驗給出水位的最高值、最低值和極限值，不能根據環境的變化情況進行策略調整，具有非常大的局限性。當水位變化很快時，不能靈活調整，表現出滯后性。
3.2控制策略優化設計
針對傳統控制策略的弊端，設計考慮水位變化率的優化策略，根據水位的變化快慢實時調整水泵投入的個數，提高排水系統的工作效率?？刂撇呗匀鐖D6所示，在排水系統中安裝有三個水泵，可以隨時工作。根據水位變化的快慢，可以設定三個和水位變化率相關的參數：（1）Δh1：緊急水位變化率；（2）Δh：水位變化率；（3）Δh2：投入水位變化率。
4總結
井下排水系統是煤礦開采中的重要環節，本文以S7-300為核心，設計井下排水系統的硬件系統。對井下主控站的CPU，電源模塊，數字量輸入、輸出，模擬量輸入、輸出模塊進行選型，闡述相關傳感器的測量原理，針對傳統排水系統的單一控制策略進行優化，提出基于水位變化率的排水系統控制策略，提高排水系統工作效率。
參考文獻：
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［2］徐從清.礦山機械［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2009.
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［5］劉玉英，邢泉水，姜裕慶.水泵自動化監控系統的應用［J］.煤礦自動化，2008（04）：51-52.
［6］譚一川.煤礦工業水泵自動化監控系統研究與應用［D］.重慶：重慶大學，2009.
作者:郭建偉 單位:山西西山煤電股份有限公司西銘礦
