关键词：煤矿；井下；水泵；PLC；自动控制
Abstract: Yanzhou mining area for before coal mine water control pump problems are carefully analyzed, and the relevant units to carry out scientific and technological research, PLC automation control new technology actively applied current, a full range of solutions and implementation, effectively improve the control level of the coal mine water drainage pump.
Key words: Coal mine; Uunderground; Wwater pump; PLC; Automatic control
【中图分类号】TD442 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）07-0000-00
1 引言
近几年来，兖州矿业（集团）有限责任公司及下属煤矿与有关单位共同开展科技攻关，在矿井水泵PLC自动化控制系统方面进行了大量的研究试验工作，并且积极应用当前已有的适用新技术，取得了良好的现场使用效果，对国内同行具有相当的参考价值。
2 煤矿井下采区水泵房PLC自动控制和监测
兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿的井下涌水量比较大，特别是西部采区。井下-665m水泵房位于西部采区，安装3台主排水泵，配套电动机500kW，2条排水管路。正常涌水时1台工作、1台备用、1台检修。-665m水泵房原先的水位监测、水泵开停及选择切换均由人工完成，控制和管理方式落后，自动化程度低，亟待进行更新。兖州矿业（集团）公司机械制修厂和济宁三号煤矿利用ControlNet现场总线技术与自动控制技术，对井下采区水泵房的设备进行控制、测量、保护，同时与地面监控主机进行数据通信，实现了井下采区水泵房的自动控制和监测。
（1）数据自动采集与检测
济宁三号煤矿井下-665m水泵房自动控制系统是由地面监控主机及传输、就地控制箱及操作台、各种测量传感器组成的，可以实现数据自动采集、自动轮换工作、自动控制、动态显示及故障记录报警和通讯接口等功能。系统通过检测井下水仓水位和其它参数，控制水泵轮流工作与适时启动备用泵，合理调度3台水泵的运行。系统通过上位机显示屏以图形、图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时反映系统工作状态以及水仓水位、电动机工作电流、轴承温度、排水管流量等参数，并且通过ControlNet通信模块、光纤与地面监测监控主机实现数据交换。
数字量检测的数据主要有水泵高压磁力启动器的状态、电动闸阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态、电磁阀状态、水泵电动闸阀的工作状态；模拟量检测的数据主要有水仓水位、电动机工作电流、水泵轴温、排水管流量、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力。
（2）水泵和管路自动轮换工作
为了保证备用水泵及其电气设备或备用管路能够随时投入使用，他们在设计了3台泵自动轮换工作控制。控制程序将水泵启停次数、运行时间以及管路使用次数、流量等参数自动记录并累计，系统根据这些运行参数按照一定的顺序自动启停水泵和相应的管路，使得各台水泵及其管路的使用率分布均匀。当某台水泵或者所属的阀门发生故障时，立即将故障水泵或者管路自动退出轮换工作，而其余各台水泵和管路则继续按照一定的顺序自动轮换工作。
（3）PLC自动化控制
这个系统的控制选用美国AB公司Controllogix型PLC为控制主机。此机为模块化结构，由PLC机架、电源、CPU、数字量I/O、模拟量输入、通讯等模块构成。PLC自动化控制系统根据井下水仓水位的高低、井下用电负荷的高低峰和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段等因素，建立数学模型，合理调度水泵。系统PLC会在用电低峰和一天中电价最低的时候开启水泵，用电高峰和电价高时则自动停止水泵运行，以达到避峰填谷及节能的目的。就地操作显示选用美国AB公司的PanelView工业图形显示器，系统通过图形动态显示水泵、真空泵、电磁阀和电动闸阀的运行状态，采用改变图形颜色和闪烁功能进行事故报警，直观地显示电磁阀和电动闸阀的开闭位置，实时显示水泵的抽真空情况、压力值以及电动机电流等。此外，PLC还通过ControlNet通讯模块，将水泵机组的运行状态与参数经过光缆传至地面的生产调度监控中心主机，与全矿井的安全生产监控系统联网。
3 煤矿井下中央水泵房PLC远程自动化监控
兖州矿业（集团）公司杨村煤矿针对目前井下主排水系统的现状，采用PLC自动检测水仓水位和其它运行参数作为主控，通过光纤电缆信号传输，实现了井下中央水泵房的水泵远程自动化控制，达到了地面远程控制的目的。鉴于PLC的具有安全可靠、功能完善、操作简单等优点，逐步提升了这个煤矿的远程自动化控制管理水平。
（1）排水系统原况
杨村煤矿的井下中央水泵房有6台D450-60II×6型水泵，每台水泵原先分别配置1台680kW的ISQ158-4型电动机和1套老式的电气控制系统（1台6kV160A 的KYGC-Z188型配电装置）。电动机上无温度传感器；水泵上的压力表、真空度表都是机械式的，并且没有数据外送的接点。水泵的开停、轮换以及检控完全由人工来完成。水泵工操作的时候先要目测阳井中的水位，到了水泵开机位置的时候手动打开射流阀；利用压缩空气进行射流，等到泵体真空表的读数达到规定要求时，再关闭真空表的小电磁阀，射流过程完毕；随后，按动此台电动机配电装置的启动按钮，电动机延时6s以后启动，待到压力达到正常的时候，缓慢地打开出水阀门，然后打开压力表的止压阀，等到指针稳定之后再关闭真空表的止压阀，整个启动完毕。这种控制方式功能不稳定、自动化控制程度低、故障率高，严重地影响了矿井主排水泵房管理水平和经济效益的提高。
（2）排水系统改造
他们根据井下中水央泵房的实际工况，采用先进的自动化监控系统代替原来的老式控制系统。新的控制系统在井下中央变电所安装1台PLC控制柜，柜内配有S7-300可编程控制器、触摸式显示屏以及小型继电器等。主控系统画面设计可以用于6台水泵的操作，实现远距离操纵的功能。新的排水控制系统采用电动蝶阀代替原先的闸阀，用电磁阀替换截止阀，增设了水位传感器、压力传感器和温度传感器等，利用新系统控制原有的水泵系统配电装置，完成水泵的电动机开停。各台水泵的控制都由PLC来完成，不再需要人工进行干预。人性化的控制面板用以完成就地控制和检修时候参数的调整。控制柜内的SIEMENS PLC系统以稳定、大容量的工业以太网连接，在地面的调度室内增设上位机监控系统，通过网络交换机直接把光缆传来的光信号转换为电信号，引到上位机上，可以在地面的矿调度室内实时监控井下中央水泵房的水泵排水运行情况。控制系统具有自动、半自动和手动检修3种工作方式。处于自动工作方式的时候，由PLC检测水位、压力以及有关的信号，自动完成各台水泵的运行，不需要人工参与；半自动工作方式的时候，由工作人员选择某台或者几台水泵投入，PLC自动完成所选水泵的启停和监控；手动检修工作方式为故障检修和手动试车的时候使用，当某台水泵及其附属设备发生故障时，此台水泵及其附属设备自动退出运行，不影响其它水泵及其附属设备的正常运行。PLC控制柜上设有此泵的禁止启动按钮，设备检修的时候可以防止其它人员误操作，以保证系统的安全可靠。系统可以随时从手动检修工作方式转换为自动和半自动工作方式运行。
①泵房操作控制柜。控制柜是井下水泵房自动监控系统的控制核心，完成整个系统的数据采集、设备控制、信息传输和远程通讯。控制柜的控制核心器件是PLC可编程序控制器，并且装置有各种继电器转换板和输入/输出隔离板等，输入信号隔离、放大及输出控制外围设备。PLC有足够的备用点和工业以太网通讯模块，有利于未来系统的扩展并且将井下水泵房的控制纳入到矿井的监控中心实现集中控制。
②人机界面。选取OP270显示器及各种转换开关和控制按钮，用于工作方式选择和就地控制水泵，并且可以用于就地监视电动机的电流、电压以及水泵的温度、出水管压力等参数。
③系统特点。系统可以根据投入运行水泵的位置，自动启动打开真空电磁阀；系统根据水位和压力控制的原则，自动实现水泵的轮换工作，延长了水泵的使用寿命；PLC自动检测水位和计算单位时间内不同水位段的水位上升速率，从而判断矿井的涌水量，自动投入和退出水泵的运行台数，合理调度水泵的运行。
4 煤矿井下中央水泵房PLC自动化排水系统
中煤集团第六十八工程处和兖州矿业（集团）公司机械制修厂针对目前煤矿井下中央泵房仍然采用人工控制的落后现状，以及对其进行自动化改造之后仍然有不完善的状况，采用双PLC控制方式，通过光纤与地面监控系统通讯，实现对井下中央泵房的远程监控。经过在井下的实际应用，收到了良好的效果。
（1）中央水泵房自动排水系统设计
兴隆庄煤矿+50m中央水泵房共有6台水泵，每台水泵配1台6kV/680kW电动机；每台水泵排水口处有1台电动闸阀，其上方有2台排水管路选择电动闸阀，共18台660V/1.5kW电动闸阀、两面电动防水闸门等设备，采用射流抽真空方式启动。自动排水系统主要由地面监控主站和井下监控分站两部分组成：地面监控主站是整个系统的地面控制与监视中心，通过地面监控主站监视水泵房内的设备信息，控制水泵的启停、参数设置、下载程序，监控水泵房系统控制数据，以及水泵房系统数据库的存储与管理等操作；井下监控分站是整个系统的控制核心，其控制核心为PLC，触摸屏为显示和主要操作设备，通过PLC检测水泵设备和传感器等的信号，控制水泵、电动闸阀、电动球阀等设备和电动阀门等执行器。
（2）系统工作方式
①遥控方式。即地面控制室远程启停设备、监视设备的运行状态及各个运行参数的变化趋势。
②自动方式。根据液位的高低、上水与否和峰谷电价时段等因素，自动启停水泵，阀门与水泵之间联锁启停，实时检测各台设备的状态，发生故障的时候自动停机并且报警。此种方式下可以实现无人值守。
③半自动方式。与自动方式的区别在于，这种方式需要由操作人员根据井下水仓的水位确定应当开启的水泵台数，然后人工在触摸屏上启动水泵；自动方式则是由PLC内部经过运算判断需要启停水泵的台数以及何时启停水泵。
④检修方式。保持现有操作方式，整个系统完全脱离控制器，手动单台水泵就地操作单台设备，作为检修或者控制系统出现故障时的应急操作方式。
（3）关键技术
①射流抽真空方式的选择。由于煤矿井下水仓内的水质比较差，含有泥沙、石块、铁棒、木棍等杂物，在水泵射流抽真空的时候，经常从射流管路流出杂质，堵塞电磁阀。他们经过调研之后，将原先选用的低压电磁阀更换为小型电动球阀。经过实际使用表明，电动球阀工作稳定可靠，适用于这种工矿环境。
②自动倒机开停水泵方式。为了防止某些水泵长期运行导致磨损太快而某些水泵长期不用又导致受潮或者其它故障，他们从系统的安全性考虑，自动控制各台水泵采取轮换工作的方式，系统自动记录各台水泵运行的次数及时间，保证各台水泵及其管路的使用率分布均匀。
③防水闸门的改进。原先井下水泵房的防水闸门为手动操作方式，现在改为电动闸门，以备在紧急情况下自动关闭防水闸门，杜绝水淹井下水泵房的情况，保证矿井排水的连续性。
5 煤矿井下水泵PLC自动监控系统
兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿、山东省煤炭科学研究所应用高可靠性S7-300PLC对井下泵房进行改造，自动化程度高，自动、就地手动、远程控制3种方式互为备用；4台电机循环工作，在保证有备用的情况下延长电动机使用寿命；完善的故障判断功能，为操作人员迅速排除故障提供方便；系统输出数据完整、准确，方便管理。
（1）系统主要组成和功能
兴隆庄煤矿井下十采区水泵房担负着井下3个采区排水任务，有4台200D43×8多级水泵，配套电动机功率500kW，供电电压6000V；2台真空泵用于水泵启动时抽真空用，极限真空8000Pa，流量3m3/min，转速1450rpm，功率5.5kW。
①PLC隔爆控制箱。采用西门子S7-300型可编程控制器，模块式结构，具有系统容量大、扩充方便；各种功能模块齐全、指令功能强和高速、坚固、通信能力强以及操作方便等特点，特别适于工业环境及电气干扰环境。PLC自动检测水位信号，根据水位高低自动投入和退出水泵的运行台数，合理调度水泵运行。系统将PLC中处理之后的现场运行数据送到就地人机界面显示，同时将人机界面输入的控制命令送到PLC，控制设备的运行，并且根据排水压力、流量、电流、电压、振动、温度等信息判断水泵、电动机的运行是否正常。
②高压开关微机保护单元。采用山源ZBB型电脑综合保护装置，以DSP芯片为CPU，采用交流采样直接测量电网二次侧交流信号，具有遥测、遥信、遥控功能，配置的人机接口可远程设置综合保护整定参数，由大尺寸液晶屏实时显示监测的电压、电流、有功功率、功率因数和电度参数，指示灯实时显示运行状态、分闸状态、故障状态等信息。
③地面监控站。区队设置监控分站选用IPC610计算机，并配以上位机组态软件，动态监控水泵及其附属设备的运行状况，实时显示水位、流量、压力、温度、电流、电压等参数，超限报警，故障点自动闪烁，具有故障记录、历史数据查询等功能，实现遥测、遥控；矿井调度室。井下主站将水泵监控信息通过十采区交换机接入矿井千兆网，直接进入矿井信息化平台，由信息处理中心统一组态后被各有关部室调用。
④变送器。将现场参数转化为可采集的电信号。系统中设置液位、温度、振动、流量、压力、真空度、阀门开度等变送器，电量参数通过与山源分站的通讯获得。
⑤通信网络。PLC与人机界面之间的通讯。采用MPI方式，速率187.5kbps，两者可以周期性交换少量数据；控制箱分为主控制箱和分控制箱（ET200远程终端），两者采用为全集成自动化定制的开放现场Prifobus总线系统通讯，将现场设备连接到控制装置，并保证各个部件之间的高速通信，从I/O传送信号到PLC的CPU模块只需要毫秒级时间；PLC与供电监控之间的通信，PLC采用RS485 MODBUS-RTU通讯协议与电气监控分站进行通信，通过电气监控分站获得水泵运行中的所有电气信息；PLC与矿调度室之间的通讯，在PLC上扩展1个CP343-1工业以太网模块，将现场的设备状态、运行数据、故障信息等所有设备参数通过矿千兆以太网送到总调度室上位机，同时将上位机的控制指令送到PLC，地面区队值班室监控分站利用设立在地面的交换机与矿千兆网通信，以便在区队值班室监控水泵的运行。
（2）系统软件
①上位机监控软件。选用西门子公司Wincc6.0版组态软件，运行于Windows环境，提供1种高效、开放的组态开发环境。在此系统中完成实时数据处理、显示，定时记录水泵房控制PLC和高压开关微机保护装置的数据，自动生成运行参数的日报表、月报表。当现场设备有动作或者出现故障的时候能够自动弹出报警画面，给值班人员警示。允许远程操作的时候，在紧急情况下值班人员可以利用远程授权控制各台水泵的运行。
②下位机监控软件。主要为PLC监控软件，分为通讯子程序、水泵控制子程序、数据处理子程序、保护功能处理子程序等。在水泵的控制程序中，作为水泵抽真空的判据成为水泵能否正常运行的关键。因为泵腔中必须充满水才能够保证水泵启动以后正常上水，但是真空泵抽真空的运行情况受到井下水仓的水位、水泵的密封性、水泵盘根压紧状态的限制，各台水泵之间以及同一台水泵在不同时期的满水真空度值不相同。尤其是在手动开泵的时候，由于水位的影响比较大，有的时候造成真空度达不到设定值，致使启动失败。为此，他们采用了根据水仓水位的高低，结合各台水泵的气密情况与水仓的总深度，减去当时的水位高度，作为真空度的判据。为了保证水泵中确实充满水，给予一定的延时之后再启动水泵。
6 煤矿井下水泵房PLC无人值守系统
兖州矿业（集团）公司北宿煤矿对井下水泵房进行PLC自动化改造，实现了无人值守。
（1）改造方案
北宿煤矿井下-290m水平的水泵房共有3台MDM280-43×3型水泵，转速1480r/min，扬程129m，流量280m3/h；配套电动机为YBK2-315L1-4型，功率160kW，供电电压660V，电流166A。他们在每台水泵的出水管路上增加1个YBDF2-321-4型电动闸阀执行机构与电动闸阀用的矿用隔爆型电动机；原有的射流抽真空机构保留，分别加入2个气用、水用的DF4/7.5型电磁阀，增加1个水压传感器、1个负压传感器；每台水泵增加2个温度传感器和1个振动传感器检测轴温和振动情况；在主出水管路上增加2台流量传感器用于检测水流量；在井下水仓设置2台非接触式水位传感器，检测井下水仓的水位；增加1套西门子S7-300型PLC作为整个系统的核心实现输入、输出功能，增加1个触摸屏实现就地参数设置和状态监测、现场手动开停等相应的功能；增加1台工控机，在地面实现水泵运行的检测和控制。
（2）系统组成
控制系统以PLC+触摸屏+地面工控机为控制中心，通讯方式采用井下PLC+以太网通讯模块+NET软件直接上传到地面控制室。此系统保留了设备原先的手动控制方式，手动控制具有优先控制权，即使系统出现故障也可以保证在手动控制下实现水泵的正常工作。
①PLC柜。数据采集的各种信号统一接入PLC控制柜、PLC配置模拟量采集模块、开关量采集模块和以太网通讯模块，将数据传送至地面控制室的计算机。主要采集的模拟量数据有水位、主电动机电流和排水管流量等，数字量数据有水泵工作状态、电动阀门状态和水泵出水口压力等。选用西门子的S7-300PLC作为整个控制与显示的核心设备，用于水位、流量、压力和轴温等各种参数的显示，内置的CPU模块、电源模块和MMC卡等主要用于驱动触摸屏的显示，通过触摸屏可以控制水泵的开启与停止等操作，并且能够查询相关参数的历史记录，使得整个系统运行更稳定、可靠。
②地面监控主机。地面监控指挥部分由计算机、管理软件和网络传输部分组成，通过计算机网络同步显示现场工况。远端监控具有开放的接口，可以扩展功能或者接入其它系统。软件中嵌入了大量的控制策略，可以根据实际情况做出不同的决策，极大地提高了系统的自动化程度和智能程度。根据不同时期的具体情况，可以对软件的运行参数进行调整，以适应复杂的情况，提高了系统的适应性。
③水位传感器。采用非接触式超声波液位传感器和投入式传感器，具有水位标尺。传感器采取1用1备的运行方式，确保了系统的正常运行。
（3）系统功能
①具有自动与手动2种工作方式。自动运行方式为正常运行方式，由地面集中控制室根据水泵房的信息提示（报警），在工控机上实现水泵的开停；手动为检查维修方式，泵房检修人员现场检查维护时，在泵房内手动开停水泵。
②具有流量、水位、水压、真空度、泵房温度和水泵电动机电压、电流、功率、电量、轴温以及电动阀门运行状态、电磁阀状态等监测功能、烟雾报警功能。
③具有自检功能，当系统中PLC与传感器通讯出现故障的时候，报警并且记录故障时间、故障设备，以供查询及打印。
7 煤矿井下水泵PLC自动化监控装置
目前国内矿井的井下水泵存在着装备落后、操作复杂、运行不可靠、劳动强度大等诸多的问题，虽然PLC作为优秀的控制器在排水自动化方面应用越来越普及，但是由于煤矿的运行环境恶劣，在井下的应用却很少。为了适应矿井减人提效及提高自动化程度的需要，兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿和新汶矿业（集团）公司机械修配厂开发出了1套水泵自动化监控系统，并取得了良好的运行效果。
（1）系统性能
新研制的这种装置采用了CE公司的Fanuc系列PLC作为核心控制器件，系统根据水仓的水位自动开停水泵。当水泵处在正常水位的时候，各台水泵轮流工作；当水泵处在危险水位的时候，自动投入必要数量的水泵，并且自动地控制相应管路上的电动闸阀。此系统以水仓的水位为主，并且结合了“避峰填谷”的原则来确定开泵的时间，管理人员在地面就可以对水泵房进行监控，并且获取报表以及历史记录，提高了矿井的信息化水平。
（2）工作方式
①全自动。超声波液位传感器连续地检测水仓的水位，液位开关检测吸水井的水位，根据水仓水位和吸水井水位以及各类传感器的信息，自动开停水泵与闸阀。
②半自动。水泵司机根据水仓水位及吸水井水位，手动开停水泵及确定开泵的台数，电动机及闸阀的开停则由PLC执行。
③检修。维修人员操作任意1台水泵以及闸阀，互相不闭锁，PLC不参与控制。
（3）运行过程
①自动注水。根据水位需要启动水泵的时候，PLC指挥打开射流泵两端的n4#、n5#电磁阀（n=1，2，3，4，5），然后打开排水管路上的1#或者2#或者3#电磁阀里管路中的水打出射流，依靠射流的吸力使得水泵内部形成真空。当真空度表上的数据显示达到规定的真空度时，真空度表输出1对开关量信号，PLC接收到此信号之后就会指挥高压启动柜开启水泵。
②闸阀控制。在水泵开启以后，PLC指挥低压启动柜开启电动闸阀并且依据“轮换工作”的原则，根据上一次使用的管路，此次则换取另外一条管路。开泵的时候先开启管路的闸阀，再开启水泵的闸阀；停泵的时候则刚好相反。
③水位检测。水位检测采用的是超声波液位传感器。当水位到达水位2的时候，首先检测是否处于用电“谷期”。如果是的，则立即启动；如果是处于“峰期”，则需要暂缓启动。当水位到达水位3的时候，无误论是何种情况都必须立即启动。如果开启之后水位继续上升至4的时候，则应当启动第二台水泵。无论投入了几台水泵运行，水位必须下降到1的时候才可以停泵。
④参数传输。模拟屏可以显示各类工况以及所有的检测参数，并且可以由PLC的通讯口通过监测网络传至地面的机房，由计算机对数据进行分析、处理和显示，并且还可以对PLC发出控制指令。
（4）保护环节
①过流保护。将二次回路电流变成电压信号送入PLC，由PLC判断电动机的运行工况。
②低电压、漏电保护。高压出现低电压、漏电的时候，高压保护动作，并且将故障信号传送至PLC。
③超温保护。水泵或者电动机的轴承、定子温度超限的时候，超温保护使得水泵停车。
④漏水保护。如果水泵漏水严重在规定的时间之内不能够注满水，则应当阻止此台水泵启动，转向下一台水泵。
⑤流量、压力保护。水泵启动之后，如果流量或者压力达不到要求，则应当使得此台水泵停车，转向下一台水泵。
（5）问题与措施
①流量传感器采用埋入式，容易受到异物的阻挡，可靠性不高；可以将流量传感器换成超声波传感器。
②电磁阀为中间继电器控制，控制功率小，容易损坏；将电磁阀控制改为PLC→中间继电器→接触器之后，增强了控制能力。
③水仓、吸水井淤积严重，使得水泵的故障率高、闸阀开关不到位；在中央水仓增加了1套机械化清淤装置之后，改善了水泵的运行环境。

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