基于模块控制的煤矿井下自动排水监控系统设计

基于模块控制的煤矿井下自动排水监控系统设计

从我国煤矿生产实际出发，结合现代工业控制及监测技术，介绍了一种井下自动排水的监控系统，该监控系统基于模块化设计，主要由水位与系统相关参数监测模块、PLC控制模块和联网通讯模块组成。由于其模块化设计，系统易于扩展和维护，为今后矿井排水系统的进一步自动化提供了重要的参考依据。

标签：井下排水系统模块化设计监控系统PLC 自动化

1 概述

矿井排水系统负责排出煤矿井下积水、涌水，保证煤矿生产的安全，是煤矿生产中的四大系统之一。井下排水系统的一个核心部分即是监控系统。矿井排水系统是一个系统化很强的系统工程，在排水过程中不仅要考虑积水、涌水的多少，还要考虑能耗及矿井内的各种因素的影响，自动化很难，因此，在很长一段时间排水系统主要靠人为控制操作，通过人工观察矿井下水位情况，根据以往经验，决定开启和关闭水泵的数目。但这种人工控制方法会增强工人的劳动强度，并且整个操作过程易受人为因素影响，安全系数较低。

随着社会及科学技术的发展，逐渐出现了煤矿井下的自动排水系统，目前应用较多的是通过PLC控制排水系统，从而实现系统的自动检测和工作。本文正是在此基础之上应用模块化方法对井下自动排水的监控系统进行了设计，对排水系统的安全运行、实时监测和有效管理具有十分重要的意义。

2 矿井自动排水监控系统的性能要求

2.1 防爆性能

煤矿生产以安全为主，特别是在井下特殊的环境下安全生产显得更重要。因而排水系统整体来说属于电控系统，因此防爆性能一定要达到煤安标准。

2.2 井下水位和有关安全参数的实时监测

自动排水系统的主要目的是适时排出井下积水，所以其主要监测对象是水位情况，积水量一有变化监测系统应马上给出反应，以便于系统及时有效的排水。另外水泵内的压力、真空度等启动用参数和电机温度、系统电流、管路流量等系统安全运行的保障参数也需要进行实时监测，如果有关参数超出正常范围，要发出警报信号，以保障系统正常工作。

2.3 水泵的平稳起停

根据井下排水的特殊环境，要求水泵起停平稳，特别需要达到缓慢开启和闭合的要求。在启动的过程中，如果各参数不能达到要求，整个排水系统就不能进

入正常的运行状态。

2.4 水泵组运行的优化控制

水泵组运行优化控制是可靠性和经济性的系统工程。依据井下积水的多少，自动控制水泵运行的数目，既不浪费能源又能达到排水要求，防止水难的发生。还要做到用电的“避峰就谷”，但在积水过多时优先选择排水。另外，为了避免水泵的长时间不停工作和长期闲置，需要合理安排水泵进行轮班工作。

2.5 与井上的通讯能力

井下自动排水系统是煤矿生产的重要组成部分，但并不是孤立的一个系统，需要配合其他的生产部门进行工作。所以，排水系统需要拥有通讯能力以便及时的将排水系统的有关情况传送给全矿生产监控部门，以使管理人员能够及时了解井下排水系统的工作状态和做出合理的决策。

3 矿井自动排水监控系统的基本结构

矿井自动排水监控系统主要由水位与系统相关参数监测模块、PLC控制模块和联网通讯模块组成。然后用可控闸阀和电磁接触器等作为执行元件，完成对排水系统的控制。其监控系统的基本结构如图1所示。

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图1 监控系统基本结构图

4 矿井自动排水监控系统的模块化设计

4.1 水位与系统相关参数监测模块

4.1.1 液位监测传感器

液位监测传感器采用投入式液位传感器，其稳定性好、可靠性强、安装方便、结构简单。投入式液位传感器是将传感器的探头投入到液体中，利用在一定深度液体会产生一定的压强这个基本原理制成。图2为其工作示意图。

4.1.2 压力和真空度监测传感器

压力和真空度是水泵启动和运行过程中的重要参数，需要实时进行监测。本设计采用有源点接触式压力表和真空表，原理如图3所示。

当所监测的压力改变时，表盘指针将转动，同时，指针带动电接点的活动触头与设定在表盘上的触头相接触，进而使控制系统的电路接通或断开，以达到监测和发送信息的目的。

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图3 有源点接触式压力（真空）表工作原理图

4.1.3 其他参数的监测

自动排水系统在工作过程中需要对系统的相关参数进行实时监测，以保证整个系统的正常运行。需要监测的参数有电机温度、流量和系统漏电保护等，这些参数通过相应的传感器进行检测后转化为电信号，然后经测试电路处理，送入PLC控制电路。图4为相关联结框图。

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图4 监测与控制联结框图

4.2 PLC控制模块

自动排水监控系统的PLC控制模块主要包括硬件和软件两部分，硬件部分主要包括PLC及其扩展模块、信号检测电路和输出控制继电器等。软件部分需要根据PLC及其相关电路来编写程序。

4.2.1 硬件部分

本设计选用西门子公司的S7-200系列CPU224型PLC，并用EM222数字量扩展模块和EM231模拟量扩

展模块结合起来作为控制器。其扩展模块配置如图5所示。

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图5 PLC扩展模块

根据自动排水系统及井下环境的要求，本系统主要包括以下电路。

①主控电路（图6）

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图6 主控电路图

②信号检测电路（图7）

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图7 信号检测电路图

③漏电保护电路（图8）

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图8 漏电保护电路

④抗干扰电路（图9）

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图9 抗干扰电路

除上述的主要电路外，还需要有辅助电气元件，如变压器、电源、继电器等。

4.2.2 软件部分

PLC采用面向用户、面向过程的编程，因此程序设计可以采用模块化设计。根据自动排水系统的要求，对PLC及其扩展模块的I/O地址进行合理的分配，然后按照主程序的流程图（图10），利用西门子STEP7标准软件包提供的梯形图逻辑编程语言LAD进行程序编写设计。

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图10 主程序流程图

4.3 联网通讯模块

联网通讯模块采用以太网来实现数据的传输，以太网是高速局域控制网络。以太网络使用CSMA/CD技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。

本联网通讯模块以工控机作为上位机，以力控工业监控组态软件为上位机的监控软件，以实现系统的相关显示、查询、打印和报警等功能，并且可以通过上位机界面上的按钮实现对自动排水系统的起停控制；以西门子S7-300系列的PLC 作为下位机。联网结构如图11所示。

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图11 联网通讯模块

5 结语