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摘 要：煤矿排水系统不仅是煤矿生产的关键设备之一也是主要的用电设备之一，其可靠、高效运行对于煤矿安全生产和降生产成本意义重大。本文针对我国目前煤矿井下中央泵房仍普遍采用人工控制方式的现状，提出了一种优化控制策略并给出了实现流程，设计了一套采用西门子PLC作为控制器的分布式网络控制系统，通过光纤与地面上位机进行通信，实现井下中央泵房的远程监控与控制并进行数据归档，提高了煤矿生产的自动化水平同时降低了生产成本。
关键词：泵房；PLC；自动化；远程控制
煤炭行业是我国的支柱产业之一，随着煤炭行业的高产高效发展，矿井安全问题已经成为制约煤炭生产进一步发展的重要因素。在煤矿开采过程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河水的渗透，水砂充填和水力采煤矿井的井下供水，将要有大量的水昼夜不停地汇集于井下，统称为矿井水。为保证矿井的正常生产需将这些水及时有效地排至地面，可见矿井排水系统是矿井生产中的重要环节，其工作的安全、可靠性和工作时间的合理调配，对整个矿井的安全高效生产有着重大意义。
本文以淮北矿业临涣煤矿排水系统为例：临涣煤矿井下一水平中央泵房内共设有5台水泵，每台水泵配一台电机，按规定最多可以同时运行3台，其余两台一备一检修。水泵的型号为MD450-60×9，电机型号为YAK560-4，电机电压为 6KV 功率为1120KW，采用真空泵抽真空方式啟动。
一、功能与特点
（一）根据工作方式的选择、水仓水位及工作时间等情况自动确定水泵的开启台数并自动启停，以保证水位处于安全值。
（二）实现水泵的均匀耐磨设计。实现水泵的自动轮换工作，使每台水泵的磨损程度基本一致，从而提高运行的安全可靠性。
（三）根据电网负荷和供电部门所规定的谷段、峰段供电电价时间段，按“避峰填谷”原则确定开、停水泵时机，从而更加合理地利用电力资源，降低生产成本，提高矿井电网运行质量。
（四）监测水泵及其电机的工作参数，测算水泵的运行效率，为水泵的维修保养提供科学依据。
（五）采取有效的抗干扰措施，同时在软件上增强系统的抗干扰性，防止因干扰引起的误动作影响生产。
（六）自动输出排水系统的周、月报表 。
（七）系统有与工业以太网连通功能，可利用局域网实现信息资源共享，实现远程监控。
二、系统概况
井下各泵房水泵自动控制系统主要由控制器、检测、执行等单元组成。本系统控制器采用西门子S7-300系列 PLC；检测单元分为两部分：1.模拟量检测部分：其主要有水位传感器，流量传感器、压力传感器、真空传感器、温度传感器、电流变送器、功率变送器等组成 2.数字量检测部分：包括水泵电机、电抗器、电动闸阀和电磁阀等设备的运行状态检测返回值；执行部分由水泵电机、电动闸阀、电磁阀、真空泵等组成。
（一）系统结构设计
系统结构图如图 1：
本系统采用分布式控制方式，在井下为每台水泵配置 PLC 控制柜一台，其中一台设为主站，其他设为分站，主站和分站采用专用通信电缆连接，主站和地面计算机采用光纤通信。控制系统总体结构图如图1所示。远程工业计算机利用友好的人机界面实现人机对话和远程监控功能；PLC主站除监控1#号水泵外，还负责与地面计算机交换数据，将数据汇总通过工业以太网传入上位机，进行实时数据库归档；各分站负责监控各自的水泵，并通过MPI网络与主站交换数据。
三、 功能实现与程序编制
（一） 水泵机组的均匀磨损设计
设计目标及原因：备用泵或管路会因长期不用而使电机受潮或有其他故障而未被发现，当遇紧急情况需要投入时而不能投入，以至影响矿井安全。为了防止这种情况发生，本系统采取“轮换工作制”使各水泵机组磨损基本一致，提高运行的安全可靠性。
实现方法：程序以每台机组的累计运行时间作为判断依据，每台机组的累计运行时间是该机组停止时刻时间值减去该机组投入运行时刻的时间值。累计运行时间最小者投入当次运行，依次循环下去，当某台泵或属其附属设备出现故障时系统报警，同时该泵退出轮换，其余各泵仍按轮换制运行。
（二） 初始投入水泵台数的自动确定
设计目标及原因：根据水仓水位的变化，合理调度水泵在用电的谷段时间工作，避免峰段起动，调度各水泵将水仓水位排降到设定水位，使水仓腾出尽可能大的容量容纳更多的矿井涌水，在峰段尽可能减少开泵，达到节省电费指出，确保重要负荷的供电。
实现方法：PLC通过检测水仓水位变化和水泵的排水量，依据所建立的数学模型，可计算出当前水仓容水量、矿井涌水量和水仓剩余容积，并以保存在数据库中。在谷段和平段，PLC通过计算得出所需要起动水泵的台数并控制水泵工作，在运行过程中不断检测适时调整水泵的工作情况，使水仓水位在谷段结束时达到设定水位；在峰段，PLC通过检测水仓水位的变化和计算，检测水仓在峰段结束前的水位情况，必要时起动水泵，防止发生水仓溢水。
（三）后续投入水泵台数的自动确定
设计目标及原因：1.矿井的涌水量随季节等因素不同变化量很大，投入台数的自动确定对矿井的安全可靠运行提供有力保障；2.通过投入台数的自动确定来确保在规定时间内使水位降至要求值，实现控制上的优化达到节能降耗的目的。
实现方法：根据水位的变化率确定开泵台数。开泵后记录其当前水位值，然后每隔5min 记录一次被处理后的水位值。将第4次的水位值减去第1次的水位值即得过去15min 里水位的变化△h，若△h小于预设值则认为水泵当前开的台数不足以应付当前的涌水量，即起动台数不够，自动增加一台泵进行工作。
（四）水位信号的准确可靠检测
水仓水位是整个系统的控制对象，所以水位信号的准确检测意义重大。而影响水位号的准确检测的因素来自两个方面：1.水位计故障。2.水位信号干扰。 本系统采用“双水位计”保证水位的可靠测量，PLC同时对两个水位计进行取样，如果两路信号相差大于设定值，系统报警，要求值班人员进行检查；对于干扰信号同时进行软件过滤，防止误动作：使用软件延时的方法进行信号消斗，且回差足够小时才当作控制量使用。同时系统还可配备一台开关量水位传感器用于上、下限水位极限报警。
（五） 真空度信号的检测优化设计
由于真空度的高低与泵腔内水位有着严格的对应关系，真空度越高腔内水位越高，而水泵的正常起动要求腔内水位到达一定高度，为实现水泵的快速起动，即在腔内水位到达某一固定高度时立刻起动，需要对腔内水位进行监测。但由于水仓水位经常变换，使得水泵吸水管内的水位相对于水泵不是一个固定值，造成不同水位要实现快速起动的真空临界值是变换的。故要实现水泵的快速起动需要结合水仓水位、真空度信号进行协同控制，即根据水仓水位计算出每台水泵起动时所需达到的真空度，并将实测值与该计算出来的值相比较，达到该值时立即开泵从而准确判断起动时机，达到缩短开泵时间快速开泵的目的。
（六）矿井涌水量和水仓容量的测定
根据矿井的涌水量来控制水泵的运行台数和“避峰填谷”实现节能目的都需要知道水仓的容量和涌水量，才能可靠保证水仓水位处于安全值和准确判断何时水位达到安全值，以便合理规划开泵台数和开泵时间。
四、干扰处理
井下工作环境较为恶劣，不可避免存在各种干扰，会使控制精度降低、PLC 内部数据丢失、机器误动作等。主要干扰源有：空间辐射干扰、电源干扰、电弧干扰、反电势干扰、共模干扰、常膜干扰等。
針对干扰源采取的抗干扰措施有：
（一）采用专用电源，电源供电要与大的用电设备分开，避免大用电设备启停时对电源供电质量的影响。
（二）合理布线。将动力线、控制线和传感器输入线分开单独布线，保持一定距离；传感器信号线屏蔽层接地。
（三）为避免或减小电弧对 PLC 的电磁干扰，应尽量将 PLC 远离大电机启动装置，如低压断路器、交流接触器等；选用灭弧性能好的低压断路器和交流接触器。
（四）软件方法增强抗干扰能力，提高系统健壮性。为了抑制电压、电流等模拟信号的现场瞬时干扰，本系统采用平均值法，即用n次采样值的平均值来代替当前值。其原理是：每采样一次就与前n-1 次的历史采样值相加，然后除以n得到当前值。这样每一次的当前值总是与历史值相关，能有效减小瞬时干扰的影响。
五、结语
该套综合自动化控制系统已在我矿井下泵房投入使用，达到了较好的效果，并且在功能上逐步优化，不仅满足了井下排水的需要，而且明显提高了煤矿自动化管理水平，降低了生产成本，提高了生命的安全可靠。
关键词：泵房；PLC；自动化；远程控制
煤炭行业是我国的支柱产业之一，随着煤炭行业的高产高效发展，矿井安全问题已经成为制约煤炭生产进一步发展的重要因素。在煤矿开采过程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河水的渗透，水砂充填和水力采煤矿井的井下供水，将要有大量的水昼夜不停地汇集于井下，统称为矿井水。为保证矿井的正常生产需将这些水及时有效地排至地面，可见矿井排水系统是矿井生产中的重要环节，其工作的安全、可靠性和工作时间的合理调配，对整个矿井的安全高效生产有着重大意义。
本文以淮北矿业临涣煤矿排水系统为例：临涣煤矿井下一水平中央泵房内共设有5台水泵，每台水泵配一台电机，按规定最多可以同时运行3台，其余两台一备一检修。水泵的型号为MD450-60×9，电机型号为YAK560-4，电机电压为 6KV 功率为1120KW，采用真空泵抽真空方式啟动。
一、功能与特点
（一）根据工作方式的选择、水仓水位及工作时间等情况自动确定水泵的开启台数并自动启停，以保证水位处于安全值。
（二）实现水泵的均匀耐磨设计。实现水泵的自动轮换工作，使每台水泵的磨损程度基本一致，从而提高运行的安全可靠性。
（三）根据电网负荷和供电部门所规定的谷段、峰段供电电价时间段，按“避峰填谷”原则确定开、停水泵时机，从而更加合理地利用电力资源，降低生产成本，提高矿井电网运行质量。
（四）监测水泵及其电机的工作参数，测算水泵的运行效率，为水泵的维修保养提供科学依据。
（五）采取有效的抗干扰措施，同时在软件上增强系统的抗干扰性，防止因干扰引起的误动作影响生产。
（六）自动输出排水系统的周、月报表 。
（七）系统有与工业以太网连通功能，可利用局域网实现信息资源共享，实现远程监控。
二、系统概况
井下各泵房水泵自动控制系统主要由控制器、检测、执行等单元组成。本系统控制器采用西门子S7-300系列 PLC；检测单元分为两部分：1.模拟量检测部分：其主要有水位传感器，流量传感器、压力传感器、真空传感器、温度传感器、电流变送器、功率变送器等组成 2.数字量检测部分：包括水泵电机、电抗器、电动闸阀和电磁阀等设备的运行状态检测返回值；执行部分由水泵电机、电动闸阀、电磁阀、真空泵等组成。
（一）系统结构设计
系统结构图如图 1：
本系统采用分布式控制方式，在井下为每台水泵配置 PLC 控制柜一台，其中一台设为主站，其他设为分站，主站和分站采用专用通信电缆连接，主站和地面计算机采用光纤通信。控制系统总体结构图如图1所示。远程工业计算机利用友好的人机界面实现人机对话和远程监控功能；PLC主站除监控1#号水泵外，还负责与地面计算机交换数据，将数据汇总通过工业以太网传入上位机，进行实时数据库归档；各分站负责监控各自的水泵，并通过MPI网络与主站交换数据。
三、 功能实现与程序编制
（一） 水泵机组的均匀磨损设计
设计目标及原因：备用泵或管路会因长期不用而使电机受潮或有其他故障而未被发现，当遇紧急情况需要投入时而不能投入，以至影响矿井安全。为了防止这种情况发生，本系统采取“轮换工作制”使各水泵机组磨损基本一致，提高运行的安全可靠性。
实现方法：程序以每台机组的累计运行时间作为判断依据，每台机组的累计运行时间是该机组停止时刻时间值减去该机组投入运行时刻的时间值。累计运行时间最小者投入当次运行，依次循环下去，当某台泵或属其附属设备出现故障时系统报警，同时该泵退出轮换，其余各泵仍按轮换制运行。
（二） 初始投入水泵台数的自动确定
设计目标及原因：根据水仓水位的变化，合理调度水泵在用电的谷段时间工作，避免峰段起动，调度各水泵将水仓水位排降到设定水位，使水仓腾出尽可能大的容量容纳更多的矿井涌水，在峰段尽可能减少开泵，达到节省电费指出，确保重要负荷的供电。
实现方法：PLC通过检测水仓水位变化和水泵的排水量，依据所建立的数学模型，可计算出当前水仓容水量、矿井涌水量和水仓剩余容积，并以保存在数据库中。在谷段和平段，PLC通过计算得出所需要起动水泵的台数并控制水泵工作，在运行过程中不断检测适时调整水泵的工作情况，使水仓水位在谷段结束时达到设定水位；在峰段，PLC通过检测水仓水位的变化和计算，检测水仓在峰段结束前的水位情况，必要时起动水泵，防止发生水仓溢水。
（三）后续投入水泵台数的自动确定
设计目标及原因：1.矿井的涌水量随季节等因素不同变化量很大，投入台数的自动确定对矿井的安全可靠运行提供有力保障；2.通过投入台数的自动确定来确保在规定时间内使水位降至要求值，实现控制上的优化达到节能降耗的目的。
实现方法：根据水位的变化率确定开泵台数。开泵后记录其当前水位值，然后每隔5min 记录一次被处理后的水位值。将第4次的水位值减去第1次的水位值即得过去15min 里水位的变化△h，若△h小于预设值则认为水泵当前开的台数不足以应付当前的涌水量，即起动台数不够，自动增加一台泵进行工作。
（四）水位信号的准确可靠检测
水仓水位是整个系统的控制对象，所以水位信号的准确检测意义重大。而影响水位号的准确检测的因素来自两个方面：1.水位计故障。2.水位信号干扰。 本系统采用“双水位计”保证水位的可靠测量，PLC同时对两个水位计进行取样，如果两路信号相差大于设定值，系统报警，要求值班人员进行检查；对于干扰信号同时进行软件过滤，防止误动作：使用软件延时的方法进行信号消斗，且回差足够小时才当作控制量使用。同时系统还可配备一台开关量水位传感器用于上、下限水位极限报警。
（五） 真空度信号的检测优化设计
由于真空度的高低与泵腔内水位有着严格的对应关系，真空度越高腔内水位越高，而水泵的正常起动要求腔内水位到达一定高度，为实现水泵的快速起动，即在腔内水位到达某一固定高度时立刻起动，需要对腔内水位进行监测。但由于水仓水位经常变换，使得水泵吸水管内的水位相对于水泵不是一个固定值，造成不同水位要实现快速起动的真空临界值是变换的。故要实现水泵的快速起动需要结合水仓水位、真空度信号进行协同控制，即根据水仓水位计算出每台水泵起动时所需达到的真空度，并将实测值与该计算出来的值相比较，达到该值时立即开泵从而准确判断起动时机，达到缩短开泵时间快速开泵的目的。
（六）矿井涌水量和水仓容量的测定
根据矿井的涌水量来控制水泵的运行台数和“避峰填谷”实现节能目的都需要知道水仓的容量和涌水量，才能可靠保证水仓水位处于安全值和准确判断何时水位达到安全值，以便合理规划开泵台数和开泵时间。
四、干扰处理
井下工作环境较为恶劣，不可避免存在各种干扰，会使控制精度降低、PLC 内部数据丢失、机器误动作等。主要干扰源有：空间辐射干扰、电源干扰、电弧干扰、反电势干扰、共模干扰、常膜干扰等。
針对干扰源采取的抗干扰措施有：
（一）采用专用电源，电源供电要与大的用电设备分开，避免大用电设备启停时对电源供电质量的影响。
（二）合理布线。将动力线、控制线和传感器输入线分开单独布线，保持一定距离；传感器信号线屏蔽层接地。
（三）为避免或减小电弧对 PLC 的电磁干扰，应尽量将 PLC 远离大电机启动装置，如低压断路器、交流接触器等；选用灭弧性能好的低压断路器和交流接触器。
（四）软件方法增强抗干扰能力，提高系统健壮性。为了抑制电压、电流等模拟信号的现场瞬时干扰，本系统采用平均值法，即用n次采样值的平均值来代替当前值。其原理是：每采样一次就与前n-1 次的历史采样值相加，然后除以n得到当前值。这样每一次的当前值总是与历史值相关，能有效减小瞬时干扰的影响。
五、结语
该套综合自动化控制系统已在我矿井下泵房投入使用，达到了较好的效果，并且在功能上逐步优化，不仅满足了井下排水的需要，而且明显提高了煤矿自动化管理水平，降低了生产成本，提高了生命的安全可靠。