摘要：為滿足小河嘴煤礦排水系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制及用電管理的需求，設(shè)計并建設(shè)一套礦井主排水監(jiān)控系統(tǒng)。介紹了基于PLC控制器監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理。從主要設(shè)備構(gòu)成、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、控制算法流程等方面詳細分析了主排水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及建設(shè)中需要注意的問題，以及基本原則。對需求中出現(xiàn)的用電避峰填谷問題進行了深入分析，提供了解決方案并加以實施。

　　關(guān)鍵詞：主排水監(jiān)控系統(tǒng);水泵房監(jiān)測;PLC;自動控制;用電避峰填谷

　　礦山開采中，一般均需建設(shè)排水系統(tǒng)處理地下涌水。通過在不同水平工作面設(shè)置的泵站，將水倉中收集的水排放至地面的水池或排水渠。傳統(tǒng)的泵站采用各種機械表對泵站的管路系統(tǒng)進行監(jiān)測，由人工進行水倉液位的觀察，對不同液位執(zhí)行泵的灌引水、開啟、關(guān)閉等工藝流程，人力成本高。隨著礦山生產(chǎn)技術(shù)的提高，自動化技術(shù)在生產(chǎn)中得到大量應(yīng)用，通過增加傳感器、控制器等設(shè)備，可以對傳統(tǒng)的泵站進行自動化改造，對泵站進行遠程監(jiān)控，實時監(jiān)控，從而降低人員勞動強度，節(jié)約人力成本。

　　利用先進的計算機技術(shù)，可以對泵站的各項參數(shù)進行完善的監(jiān)測，統(tǒng)計，便于技術(shù)人員對泵站的運行情況、涌水情況進行數(shù)據(jù)的深入分析與挖掘，從而對生產(chǎn)狀況有更完善的掌握，從而做出各種決策：如合理分配設(shè)備運行、檢修時間等，能夠減小泵站運行維護時間,降低人力成本，減少泵站運行維護的總體成本，帶來一定的經(jīng)濟效益[1-4]。

　　1系統(tǒng)原理及主要設(shè)備構(gòu)成

　　小河嘴煤礦位于四川省達州市，中央水泵房有3臺水泵，2條出水管路，1個水倉。在地面出口有排水渠，在地面山頂有千噸水池。

　　1.1系統(tǒng)原理

　　系統(tǒng)以可編程邏輯控制器為核心，配合不同的傳感器，對整個中央水泵房的各種參數(shù)如水倉液位、出水管壓力、出水管流量、電機運行狀態(tài)、真空泵及真空管路狀態(tài)等等進行監(jiān)測。各工況參數(shù)進入PLC中進行綜合分析、處理，按相應(yīng)工藝流程將邏輯運算的結(jié)果輸出至電動閥門及高壓開關(guān)，控制相應(yīng)的管路切換、泵的啟停，以實現(xiàn)無人值守的工作目的。

　　1.2系統(tǒng)的構(gòu)成

　　主排水監(jiān)控系統(tǒng)的主要設(shè)備分為3個部分：1)調(diào)度室部分。設(shè)置工控機，部署組態(tài)軟件，作為地面監(jiān)控核心，負責與地面千噸水池PLC、井下中央水泵房PLC進行通信，采集相應(yīng)的工況參數(shù)，同時提供人機界面，供調(diào)度員進行系統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)測及遠程操控。2)千噸水池部分。設(shè)置PLC采集箱及在水池中設(shè)置安裝液位傳感器、浮球開關(guān)傳感器，對水池液位進行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)由現(xiàn)場PLC采集箱進行采集，處理，傳輸至井下PLC控制箱中進行統(tǒng)一處理。3)井下中央水泵房部分。設(shè)置隔爆PLC控制箱作為主控制器，對現(xiàn)場設(shè)備、傳感器進行監(jiān)控，根據(jù)所有工況參數(shù)，進行邏輯算法處理，然后通過繼電器觸點輸出，控制各閥門控制器、隔爆開關(guān)，切換相應(yīng)管路，完成泵的啟停等工作;在出水管路上，設(shè)置電動閥門，以實現(xiàn)管路的自動切換;設(shè)置真空管路及水環(huán)泵，在泵啟動之前進行灌引水工作;在泵的進水口及出水口設(shè)置負壓傳感器、正壓傳感器，對泵的工作狀態(tài)進行監(jiān)測;水環(huán)泵及水泵的電機進線安裝開停傳感器檢測運行狀態(tài);設(shè)置1臺本安操作臺，通過其上的文本顯示器顯示當前設(shè)備的運行工況參數(shù)，同時提供操作按鈕;設(shè)置隔爆網(wǎng)絡(luò)攝像儀對整個水泵房進行圖像采集工作，圖像數(shù)據(jù)直接進入交換機，由上位機進行處理。

　　1.3系統(tǒng)的功能

　　1)監(jiān)測功能。監(jiān)測水倉水位、流量、壓力、真空度、溫度、閘閥狀態(tài)等一系列參數(shù)。2)實時數(shù)據(jù)采集、處理、顯示及打印功能，具有歷史記錄查詢功能。3)保護功能。①超溫保護:當水泵電動機軸承溫度或定子溫度超出預設(shè)的允許值時，系統(tǒng)通過溫度監(jiān)測系統(tǒng)及時進行預警，報警停機[5-7];②運行失壓保護:當水泵啟動后或正常運行時，依據(jù)水泵出口的壓力以及管路流量傳感器的監(jiān)測，對水泵的失壓狀態(tài)進行判別，及時有效的進行報警并停車操作，避免產(chǎn)生因水泵空轉(zhuǎn)導致的設(shè)備故障。

　　4)具有故障類型和地址識別功能，系統(tǒng)對傳感器故障、閥門故障、運行工況參數(shù)異常等故障進行分類，并進行識別，使用漢字及語音提示故障信號以及故障位置信息，便于系統(tǒng)故障排查及維護。5)控制功能。①控制級別分為就地、就地集中和遠程集中控制，其優(yōu)先級別為就地最高、其次就地集中控制，再次遠程集中控制;②實現(xiàn)自動、半自動、手動3種操作方式，并智能實現(xiàn)工作、備用和檢修3種工作方式;③對水泵電機的開停、真空泵電機的開停、各電動閘閥的開關(guān)、各電磁閥的開關(guān)控制;④系統(tǒng)根據(jù)水位和水泵連續(xù)工作時間控制原則，自動實現(xiàn)水泵的輪換工作，均衡分配水泵運行時間。

　　6)系統(tǒng)自動檢測水位信號，計算單位時間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井涌水量，自動投入和退出水泵運行臺數(shù)，合理地調(diào)度水泵運行。7)避峰填谷功能。系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)負荷以及礦方所規(guī)定的平段、谷段、峰段供電時間段，以“避峰填谷”原則確定開、停水泵時間，從而合理地利用電網(wǎng)電力，提高礦井的電網(wǎng)運行質(zhì)量。

　　2系統(tǒng)主要設(shè)計

　　2.1避峰填谷

　　本系統(tǒng)中的避峰填谷模式以水倉液位為基礎(chǔ)，設(shè)置了4條位置線：最高限，次高限，次低限和最低限。其中最高限是水倉的最高水位，一旦水位達到此位置，必須無條件啟動水泵，以保障礦井的安全生產(chǎn)。最低限是水泵排水管的低水位余量，一旦液位達到最低限，必須停止水泵的運行，否則抽水管容易進氣，導致水泵發(fā)生掉水現(xiàn)象，造成設(shè)備損壞。最高限和最低限依據(jù)現(xiàn)場環(huán)境設(shè)定。次高限和次低限由水倉水位變化的歷史數(shù)據(jù)分析而定。

　　避峰填谷的核心思想就是在用電高峰時段，在保障安全生產(chǎn)前提下，盡量縮短泵的運行時間;在用電谷底時間，盡量延長泵的運行時間，盡量讓水倉保持在低液位。當主排水系統(tǒng)工作于用電高峰時段，在水倉液位達到最高限時，才啟動水泵。隨著水倉液位的下降，當達到次低限時，即關(guān)閉水泵。讓水倉液位盡可能保持在一個較高的水平;當主排水系統(tǒng)工作于用電谷底時段，當水倉液位達到次高限時，即啟動水泵。一直排水，直到水倉液位下降至最低限時，才關(guān)閉水泵。

　　另外，在水泵已經(jīng)啟動的情況下，如果涌水量增加，導致在一定時間內(nèi)水位不降或上漲，則增加啟動泵的臺數(shù)。在用電高峰時段，盡量單泵運行，直到水位繼續(xù)維持上限，才繼續(xù)啟動1臺水泵;在用電波谷時段，則不受此限制，會繼續(xù)啟動水泵。當已有2臺泵運行，液位出現(xiàn)明顯下降趨勢時，則關(guān)閉1臺泵。

　　2.2數(shù)據(jù)流向

　　因為水泵房監(jiān)測參數(shù)較多，而防爆PLC監(jiān)控箱的容量有限，因此在水泵房內(nèi)設(shè)置2臺防爆PLC控制箱，用于現(xiàn)場的監(jiān)測監(jiān)控。地面千噸水池位于地面山坡，距離井下位置較遠，同時又是非防爆設(shè)備，因此數(shù)據(jù)流向上，將處于調(diào)度室的上位工控機作為千噸水池和水泵房的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中心，由調(diào)度室工控機與千噸水池的PLC箱進行通信，獲取液位信息后，將數(shù)據(jù)實時寫入水泵房的PLC監(jiān)控箱中。

　　水泵房的PLC監(jiān)控箱采用主從站結(jié)構(gòu)，由主站作為主控，進行數(shù)據(jù)采集與邏輯運算，從站中只負責數(shù)據(jù)采集與控制狀態(tài)輸出[8-10]。主從站之間使用通訊電纜連接，進行西門子的PROFIBUS通信以進行數(shù)據(jù)的交換。其中，工控機上的組態(tài)軟件通過以太網(wǎng)讀取千噸水池監(jiān)測PLC的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過環(huán)網(wǎng)平臺，實時寫入水泵房的防爆PLC主站的數(shù)據(jù)區(qū)中，進行處理;隔爆PLC監(jiān)控主站開辟數(shù)據(jù)區(qū)2，用于與PLC從站進行數(shù)據(jù)交換。西門子PLC的開發(fā)環(huán)境中提供了2條命令，可以直接用于PROFIBUS的主從站通訊，其中NETR命令用于讀取從站中的數(shù)據(jù)，NETW命令用于將主站的控制數(shù)據(jù)寫入從站。

　　2.3調(diào)試

　　系統(tǒng)各硬件安裝完畢，分別檢驗其功能。PLC核心控制程序采用模塊化設(shè)計，按流程圖將不同功能細分為模塊，針對具體功能模塊進行細化開發(fā)，模塊間使用相應(yīng)的接口參數(shù)進行數(shù)據(jù)交換，最終進行整合。這樣可以簡化程序開發(fā)環(huán)節(jié)，程序開發(fā)直觀、簡明，調(diào)試亦方便。

　　3結(jié)語

　　依據(jù)小河嘴煤礦主排水系統(tǒng)現(xiàn)場的實際環(huán)境，以及對應(yīng)的需求，進行了深入細致的分析，制定出較為合理的整體解決方案并且對方案中的架構(gòu)、數(shù)據(jù)流向進行了詳細探索。實際項目經(jīng)過了長期應(yīng)用，實現(xiàn)了排水系統(tǒng)的有效監(jiān)控，有效減輕了人員工作量，提高了煤礦生產(chǎn)效率。

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　　摘要：伴隨著社會進步、科技發(fā)展，一系列現(xiàn)代科技誕生。高科技應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)不僅提高了工作效率，而且實現(xiàn)了現(xiàn)代化管理，提高了管理水平。以煤炭企業(yè)為例，引進現(xiàn)代化的機電技術(shù)進行企業(yè)生產(chǎn)，大大提高了企業(yè)生產(chǎn)效率。但是，任何事物都是在發(fā)展中不斷創(chuàng)新的，機電技術(shù)為了適應(yīng)煤炭生產(chǎn)中設(shè)備的多樣化需求，其種類不斷增加。