基于S7-300PLC的煤矿井下自动排水系统的设计

引言

矿井涌水由井下中央泵房主排水系统排至地面，其安全可靠运行至关重要，关系到整个矿井的安危。如果排水不及时，会造成矿井水灾，从而引发煤矿安全事故。当前许多矿井仍然采用人工排水，普遍存在着效率低、设备运行稳定性差、工作量大、水泵启停不及时、自动化水平低等缺点，存在很大的安全隐患。因此针对煤矿传统排水系统在自动化程度、经济性、可靠性等方面的不足，设计以可编程控制器S7-300PLC为核心的自动排水控制系统，不仅可以有效避免传统继电器控制水泵方式的不足，还可以显著提高煤矿企业的自动化水平[1]。

1 自动排水系统结构设计

1.1 系统总体结构

地面远程监控中心主要由上位机、声光报警器及打印机等组成。上位机用以收集现场数据并进行记录，可以实时监控水仓水位、水泵真空度、电机绕组温度等，同时还可实现远程监控，第一时间发现异常情况并报警[2]。系统总体结构如图1所示。

工业以太网用以完成上位机与井下PLC控制箱之间的通信。

泵房就地控制系统主要由PLC控制箱、就地操作箱、水泵机组、电动阀门、水位传感器、压力传感器、流量传感器等硬件组成。PLC控制箱作为主控制器完成信息逻辑处理、控制及简单数据处理等功能，通过Profibus-DP总线和泵房各设备进行通讯，通过RS-485总线与变电所高压开关柜进行通讯。就地控制箱主要是由触摸屏、按钮和指示灯组成，工人可通过就地控制箱实时监控系统的运行状态，控制水泵的启停。

图1 自动排水系统总体结构

1.2 系统硬件

自动排水控制系统主要由S7-300 CPU模块（可编程控制器）、上位机、触摸屏传感器、变频器、电机及阀门等、状态检测元件等部分组成[3]。硬件结构图如下页图2所示。

1.3 系统软件

自动排水控制系统采用西门子生产的S7-300为系统控制软件。采用模块化的方式对程序进行编写。编制程序时，首先要对各硬件参数进行设定，可以实现排水系统的自动控制。软件具体设计流程如下页图3所示。

系统接收到开泵命令后，首先要对开泵条件进行判断，查看有无报警，各个阀门是否关到位，当开泵条件全部满足之后，系统就自动进入了运行状态。随后系统打开真空泵和射流阀，开始抽气注水。同时，真空表开始检测水泵内真空度，当泵体内真空达到预设值时，便会开启电动机，关闭出水闸阀，同时关闭真空阀、射流泵。直到水泵出水口压力达到预设值，此时打开出水闸阀，水泵开始投入工作。开始工作后，系统还会对水泵刚开启状态进行监测，当监测到故障时，系统会下达停止指令[4]。

图3 软件具体设计流程图

如果排气注水后，真空度达不到要求，这时系统会进行预警。当出水压力达不到规定值时，系统也会进行预警，关闭电动机和出水闸阀，系统会调用另一台备用水泵进行如上操作。

2 自动排水系统功能设计

2.1 控制功能

自动排水系统可实现就地、远程、全自动三种控制功能。用户可以根据具体情况灵活调整。

2.1.1 就地控制

在就地控制运行方式下，水泵系统中相关设备的运行和关闭由水泵房司机通过就地箱上的按钮及指示灯完成对球阀、闸阀以及高压柜等机构的直接控制，主要用于紧急开泵和设备检修维护。为了保证工作人员的安全，并防止他人对维护中的设备进行误操作，可将就地箱控制方式的级别设定为最高级别。此方式下，触摸屏和地面远程监控中心只能进行监测，无法进行任意操作。

2.1.2 远程控制

在远程控制方式下，水泵系统中相关设备的运行和关闭由地面远程监控中心控制，并通过工业以太网与相关设备进行通信，工作人员可以实时在线监测设备运行中的各种参数。

2.1.3 全自动控制

此运行方式下，投入运行的水泵完全由PLC控制，系统根据预先设置和环境周围参数自动调配水泵投入的数量和时间，实现水泵房的无人值守[5]。它以水位高低为基本条件，当水位高报警时，优先选择处于最佳状态的水泵投入运行；当单一水泵无法满足排水需求时，继续投入水泵机组，直至水位开始下降为止。整个过程无需进行人工干预。

2.2 监测功能

控制系统可对泵房内的模拟量、开关量参数进行实时监测。同时，上位机监控画面也可以直观地显示系统中水泵、电动球阀、放水闸阀等设备的状态参数，同时以动画的形式模拟水仓水位、管路水流的运行情况。如果设备某个状态参数不正常，现场的触摸屏以及调度室的上位机界面都会产生报警信息并发出报警信号，显示设备相应的运行状况。

2.3 智能功能

此功能下，依据“避峰就谷”的原则，合理安排水泵的运行和关闭时间，即让水泵在用电高峰期到来之前工作，使水仓水位下降到合理深度，在高峰期间到来之后，使水泵少工作，减少煤矿排水系统的用电支出，如下页图4所示。

2.4 保护功能

系统具有真空度监测保护、PLC故障保护、电机参数保护、电流电压保护与超温保护等各类保护功能。当系统监测到故障信息时，地面远程监控中心及井下现场发出故障报警信号，工作人员依据报故障信息可以快速找出故障源头，及时进行故障的处理，从而保护相关设备和人员安全，防止设备带病运行。

图4 智能控制功能示意图

3 结语

经试用，S7-300PLC自动排水系统操作方便、运行稳定，不仅实现了对排水系统的实时监测，还减少了操作人员与电费支出，降低了设备的运行成本。可见，应用该系统可以显著提高企业的自动化水平和经济效益，具有良好的应用推广前景。