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基于 PLC 的矿井自动化排水系统控制研究 （山西煤炭进出口集团科学技术研究院有限公司， 山西太原030006） 李松恩 【摘要】文章针对矿井排水系统的自动化水平不高、 能耗高、 控制策略不合理的问题， 提出了采用 PLC 对排水 系统进行自动化控制， 同时利用 “避峰就谷” 控制策略， 根据时间和涌水量的大小对系统排水进行自动调整， 排水系 统的电费成本大大降低， 排水平均价格由 1.66 元/m3降至 1.25 元/m2， 在满足排水需求的同时有效降低排水系统的用 电量， 实现矿井排水系统自动化及节能的目的。 【关键词】排水系统； 自动化； 水泵； PLC； 优化控制 【中图分类号】TP272【文献标识码】A 【文章编号】2096-4102 （2020） 01-0020-02开放科学 （资源服务） 标识码 （OSID） 煤电技术研究 收稿日期 2019原员园原圆远 作者简介 李松恩 （1987） ， 男， 山西武乡人， 山西煤炭进出口集团科学技术研究院有限公司工程师。 2020 年 2 月 第 33 卷第 1 期 山西能源学院学报 Journal of Shanxi Institute of Energy Feb.， 2020 Vol.33No.1 煤炭开采过程中，地层岩层极易遭到破坏， 使 井下涌水量增加， 若不及时排出， 将影响矿井的正 常生产， 严重时造成人员的伤亡。因此， 井下排水系 统就变得尤为重要。 本文则利用 PLC 对矿井排水系 统进行了控制设计， 同时利用 “避峰就谷” 控制策 略， 实现了矿井的自动化及节能的目的。 1 井下排水系统工作原理 井下排水系统由信号采集部分、综合控制器、 操作台和执行设备四部分组成。中央水泵房是排水 系统的核心部件， 采用的核心控制器为西门子 S7- 300 系列 PLC， 用于实时数据的收集， 通过操作台完 成对系统的集中控制。有三种设置方式工作、 备 用、 检修。系统根据水仓水位的变化及水泵启动停 止的设定时间， 来确定正常工作的水泵数， 其工作 原理如图 1 所示。 图 1排水系统电气控制原理 2 井下自动化排水系统的优化 系统根据水仓水位的变化，在正常工作的水泵 数量满足要求的条件下，在不同时间段控制不同的 水泵运行数量， 达到节能的目的。 传统的 “避峰就谷” 是在水位较高且处于用电低谷时间段或者水位进入 警戒线后，水泵开启，当水位较低时或者用电高峰 期， 水泵停止， 这种方式仅依据水仓内的水位来作为 水泵是否开启的依据， 风险较大且排水效率较低。 利 用 PLC 后将采集到的涌水量的预测加入水泵开启 的条件之一， 通过涌水量计算， 使系统始终保持在最 适宜的水位， 即用电低谷期开启较多的水泵， 使水仓 水位降到最低，增大水仓的容量用以储存更多的用 电高峰期的矿井水，以减少用电高峰期水泵开启的 数量， 同时开泵台数可依据水位监测进行确定， 使系 统达到节能的目的，水泵开启数量计算流程图见图 2。此外， 利用最优化原理， 建立水位控制的数学模 型， 通过递推算法可实现排水过程的优化。 图 2水泵开启数量计算流程图 20 3 井下排水系统软件设计 可编程控制 PLC 已广泛应用于矿山设备中， 在 井下排水系统中应用实现了排水系统的可靠性和 灵活性， 通过设计不同的控制程序， 实现了不同的 控制方式。在水泵正常运行前， 可选择不同的控制 方式。选择本地手动控制时， 操作人员可通过触摸 屏实现对水泵的控制。当点击启动按钮后， 水泵开 始工作， 当达到预定的压力值时， 点击水闸阀， 水泵 正常工作。当采用自动控制时， 系统会在水泵开启 前自动检测是否具备开泵条件， 条件满足后， 信号 输送给 PLC， PLC 控制系统开启水泵，并不断监测 水泵内的压力值， 当压力在规定的时间内未达到设 定压力值时，系统自动关闭水泵并进行语音报警。 如果出水处的压力在一定时间内未达到预定值， 系 统也会自动启动停泵流程， 并发出声光报警。当遇 到意外或其他符合停泵的特殊情况时， 同样停泵流 程开启。自动控制流程见图 3 所示。 图 3水泵自动化控制流程 系统通过 PLC 程序控制实现了优化调度， 采用 “避峰就谷” 控制策略， 在用电低谷期多排水， 在用 电高峰期蓄水， 较少启动水泵， 其流程见图 4。通过 现场不断采集数据， 将其预先写入 PLC。通过水位 监测信号的延时， 实现了系统的抗干扰处理。同时 用电高峰期泵时明显降低， 排出 1m3的废水所需平 均成本由 1.66 元降至 1.25 元，能达到节约电费的 目的。 图 4 “避峰就谷” 控制流程 4 结论 本文分析了矿井排水系统的结构及其电气控 制工作原理，同时提出了排水系统的优化控制策略， 利用 PLC 进行软件设计对排水系统进行控制，提高 了排水系统的自动化水平， 通过 “避峰就谷” 控制策 略， 在满足排水需求的同时可有效降低排水系统的 用电量， 实现矿井排水系统节能的目的。 【参考文献】 ［1］ 赵磊.矿山建设中水文地质灾害防治技术 ［J］ .建筑工 程技术与设计， 2016 （20） 625. ［2］ 王大威.姚家山矿千米深井开采的突水灾害研究 ［D］ . 太原 太原理工大学， 2016. ［3］ 张东伟.煤矿水灾事故的预防与治理 ［J］ .黑龙江科技 信息， 2013 （3） 75. ［4］ 徐卫峰， 杨建旗， 陈霈， 等.煤矿井下排水系统自动化 改造及控制策略优化 ［J］ .煤炭技术， 2017， 36 （2） 190-192. ［5］ 肖楠.基于物联网的矿井自动排水系统管理平台设 计 ［J］ .煤矿机械， 2018， 39 （11） 152-154. ［6］ 宋绍楼， 姚净千.基于模糊控制的矿井排水控制系统 优化研究 ［J］ .控制工程， 2017， 24 （10） 2022-2026. ［7］ 郝玉辉.基于 PLC 的井下排水自动控制系统设计研 究 ［J］ .山西能源学院学报， 2018， 31 （6） 20-22. 李松恩 基于 PLC 的矿井自动化排水系统控制研究 21