PLC控制系统在煤矿井下排水系统中的应用

PLC控制系统在煤矿井下排水系统中的
应用
摘要：在煤矿井下生产中，排水设备起着重要作用，以往国内各矿井配水系统多采用传统继电器控制，人工监测控制。

这种控制线路比较复杂啊，且设备运行可靠性不足，工人需要高强度作业，与煤炭行业发展需要不符。

根据具体的排水控制要求，合理设计自动控制方式，采用PLC控制系统，并结合使用各种传感器，可以实现系统有效控制。

同时采用水泵、管路等自动轮换工作机制，根据避峰就谷原则确定水泵开启数量，进一步保障设备和管路使用寿命和质量。

文章阐述了PLC控制系统在煤矿井下排水系统中应用的各方面内容，并提出传感器选择和软件设计策略。

关键词：PLC控制系统；煤矿井下；排水系统；应用；传感器
矿井作业中，经常有各种水源涌入其中，对矿井正常生产造成威胁，甚至突发涌水会引发人员伤亡。

井下排水系统则符合以各种突降将涌水排出到地表，在井下排水系统控制发展中，控制水平得以提升，矿井中央泵房无人值守自动化系统可以提高中央泵房自动化水平，避免了人工操作下过程繁琐、劳动强度大、水泵长时间启动等问题，合理引入PLC控制系统，使其更加适应现代化矿井管理需要。

1.PLC控制系统应用分析
1.1控制原理
PLC可编程控制器是数字运算操作的电子系统，使用可编程序的存储器存储相关操作指令，比如执行逻辑运算、顺序控制和计数等，通过数字模拟的输入输出，对各类型机械和生产过程加以控制。

1.2系统安装
在煤矿井下排水系统中，主要涉及设备就是高压水泵、设备控制柜和控制闸
阀等，技术人员安装PLC控制柜、铺设机电线路、井下真空引水装置、水泵排水
管和控制闸阀等。

1.3PLC排水系统控制过程
（1）全自动工作模式。

在超声波水位传感器检测到水位超限，此时发出报
警信号，通过就地箱向主控系统传输信息，主控判断需要抽水会将电动球阀打开，就地箱收到其传输信号启动射流泵，将冷缸中空气抽掉。

冷缸中充满水的情况下，传感器识别到负压信号传送到主控，主控将射流泵关闭，主水泵进行抽水。

水仓
水位降低到安全阈值之下，主控接收到超声波数为传感器发出信号即停止抽水。

（2）半自动工作模式。

此模式下，需要技术人员在控制显示台对射流泵、
阀门、主水泵进行控制。

1.4PLC排水系统保护功能
第一，流量保护，水泵启动后、正常运行中，如果流量不在正常范围内则发
出警报，超出设定时限后自动停泵。

第二，压力异常保护，发现排水压力与吸水
真空度异常时报警，与设定值要求不符则停泵。

第三，水位超限、水位传感器故
障报警，需设置好报警水位，包括最高报警水位、最低报警水位。

第四，水位增
长速度过快，超过正常速度值，则系统报警。

泵房排水流量、矿井用水量之间差
值小，且低于应有的水位下降速度，则系统报警[1]。

2.传感器选择
2.1液位传感器
超声波液位传感器，从发射超声波脉冲开始计算到接受到反射波为止的间隔
时间，来计算分界面位置测量液位。

超声波液位传感器的精度高、寿命长，但液
体中存在气泡、液面波动产生的误差会比较大。

拉入式液位传感器是在液体中投
入传感器探头，利用处于一定深度液体会产生一定压强的原理进行测量，将高度
差转换为液位差，再转换为微弱电信号，单片机采集数字信号进行运算处理，得
到测量信息。

两种液位传感器的原理不同，适应场所不同，一些场所比如水仓两
者可同时应用。

相比较而言，超声波液位传感器制造成本更高、测量量程大、性
能不受被检测介质影响、受空气粉尘影响。

而拉入式液位传感器使用中不受空气
中粉尘等应，其量程小但可满足水仓水位测量要求。

2.2电机及水泵温度检测
温度传感器有接触式、非接触式两种，前者直接与被测物体接触，结构简单、精度和可靠性好、价格低。

后者从理论上将不存在测量滞后、应用范围限制等问题，可测量高温、腐蚀和有毒物体、液体保密温度，对被测温度场不会形成干扰，但精度较低。

2.3水泵压力测量
以薄膜压力变送器为例，具体由高性能薄膜压力传感器与信号调理电路组成，技术独特、性能优越、体积小、安装便利，可以在恶劣环境下稳定运行，适合测
量频繁冲击压力。

2.4水泵流量检测
水泵流量与电动机电流、水泵出口闸阀开度、出口压力等参数相关，结合这
些参数检测，即可掌握水泵和电动机工况。

因此检测水泵出口流量意义重大，可
以分别在水泵出口分支管路安置流量检测器，或者将流量检测器安置在水泵出口
的总管路。

两种安装方式都可以得到各水泵机组流量，但后者需要复杂软件设计，具体还要考虑到造价等问题。

电磁流量计，组成包括电磁流量转换器与电磁流量传感器，测量管路内部无
突出、可移动部件，可测量有悬浮颗粒浆液等流量。

感应电势与被测液体温度和
压力等无关，因而具有广泛使用范围。

还可测量腐蚀性液体流量、动脉流量，对
测量介质的导电率有一定要求[2]。

3.PLC控制系统软件设计
3.1软件运行流程
系统启动后，先与PLC进行通讯，然后开始模拟量和I/O处理程序、系统自检与门处理程序。

判断系统处于哪种运行方式，再进行相应操作。

系统运行方式可由控制板上旋转开关位置判断，如果为PLC自动运行方式，则PLC按程序流程顺序操作，自动启动水泵、轮换工作、故障报警等。

半自动运行方式则人工选择需要投入运行的水泵，PLC根据水泵泵号自动启动该水泵、控制其运行和停止。

手动方式下，PLC不进行操作，由人工控制系统运行。

水泵轮换工作，每台水泵设置数据寄存器共两个，分别负责运行时间和次数的存放。

水泵启动自动选择运行时间短的无故障泵，如果两者运行时间接近则启动运行次数少的水泵。

水泵排水时间、次数可自动叠加。

管路轮换工作，某台水泵启动的过程中，选择与其相连的两条排水管路中工作时间短的一条，时间接近则选择工作次数较少的那条。

避峰填谷，通过确定开泵数量程序、轮换工作模块判断需开启的水泵，使其进入自动开启程序。

避峰就谷原则就是水位上升超过上限，比如位于用电谷段、平段，计算与峰段开始时间差距，从而计算出排水和需要开启的水泵数量。

位于用电峰段，则对该峰段结束前用水量计算，比较水仓最大允许容水量，前者小则进入谷段、平段后再将水泵开启，否则应及时开启水泵避免水仓溢水[3]。

3.2水泵自动启停故障保护流程
水泵开启数量程序、轮换工作模块确定，则可确定开启的泵号，其中一台泵满足开启条件则进入自动开启阶段。

接收到启动某水泵指令后，PLC依据水泵启动流程自动控制水泵启动，先将抽真空系统启动，排除水泵中空气使其充满水，此时抽真空管路上负压表达到要求值，PLC检测到其读数满足要求则向高压开关柜发出指令，启动水泵电机，抽真空设备则可关闭。

此时，水泵上方主排水管路上压力传感器承受更大压力，达到一定值时，PLC发布指令将电动闸阀开启进行排水。

在此过程中，系统中设置相关故障报警系统，出现抽真空超时、压力异常等，自动控制系统对CPU、I/O模块内错误可以自动切入故障处理程序来处理，如果故障为外部接线错误、传感器失效等，则发出警报、停泵。

运行中，对压力、温度和流量等进行监测，发现异常停泵并报警。

水泵作用下，水位逐渐降低到需要水泵关闭的程度，先后关闭排水管电动闸阀与逆止阀，
防止井水倒流，然后停止水泵电机工作。

如果关闭不到位，则出发警报紧急停泵。

结合定时器监测停止过程中动作是否正常，出现故障要发出信号和提示。

结束语：
PLC控制系统具有良好抗干扰能力，且编程、修改、测试方便，调试时间缩短，可提高系统自动化水平，在煤矿井下排水系统中使用，保障排水系统运行和
矿井安全生产。

此外还可引入神经网络技术、专家系统等，不断对自动控制系统
加以完善。

参考文献：
[1]樊智强,孟嘉楠.PLC控制系统在煤矿井下排水系统中的应用[J].机械管理
开发,2021,36(01):164-165.
[2]杨静.PLC技术和模糊控制在煤矿自动排水系统中的应用[J].中国矿山工程,2018,47(03):19-21.
[3]周继昌.煤矿井下排水自动化系统的研究与设计[J].中国高新
区,2017(20):10-11.。