1 引言

传统的煤矿井下水泵机组控制大多是采用就地控制方式，即采用“值班人员＋按钮＋继电器”的控制方式，该控制系统存在以下的缺点和不足：（1）采取人工开、停泵的方法，造成人力资源的浪费；（2）硬件电路结构复杂，不便于维护，并且稳定性也差；（3）系统的实时性差，尤其是遇到水位突变的情况不能够及时处理；（4）调度中心不能及时清楚地了解到水泵的运行情况，只能通过电话联系井下值班人员来了解情况；（5）系统采用落后的“值班人员观测＋指针表”参数采集方式，这就造成了参数精度低，不能精确地反映各变量的变化情况。

煤矿井下水泵机组电控系统为传统的控制系统，系统由5台矿用多级耐磨泵（MD500-57*8）配套5台电机（Y500-4，1120KW，6KV）组成，针对以上传统控制系统存在的问题，淘汰传统的控制系统势在必行。

随着数字技术和网络通讯技术的发展，组成一套无人值守控制系统已经成为可能，特别是可编程逻辑控制器和工业以太网在无人值守控制系统中的应用，它从根本上克服了传统控制系统的缺点，并且有着传统控制系统无法比拟的优点：（1）采取全自动运行的方法，节省人力资源；（2）硬件电路结构简单，便于维护，系统稳定性强；（3）系统的实时性强，遇到水位突变的情况能够及时处理；（4）采用先进的工业以太网，将系统组成一个局域网，使调度中心能及时清楚地了解到水泵的运行情况，便于煤矿生产的全局调控；（5）系统采用先进的“传感器＋可编程逻辑控制器”参数采集方式，采集精度高，能够精确地反映各个变量的变化情况。

2、系统设计方案

无人值守控制系统由底层的可编程逻辑控制器（PLC）、执行机构、检测机构；上层的网络服务器以及客户端组成。可编程逻辑控制器（PLC）是通过工业以太网和西门子公司的OPC软件与网络服务器的连接的，网络服务器与客户端是由工业以太网连接的。具体的结构图如图1

图1 无人值守控制系统结构图

2.1 整体网络设计

该系统底层的可编程逻辑控制器带有工业以太网模块，在以太网模块与网络服务器之间由一个光电转换器，光电转换器将可编程逻辑控制器发出的电信号转换成光信号在光缆中传输；网络服务器1和网络服务器2互为热备用，在任一服务器出现故障时，系统能够正常运行，能够保证不影响生产；由于无人值守系统不只有水泵控制系统，还有包括主扇风机等一些控制系统，所以在网络服务器和客户端之间加有Dlink HUB，用来扩展网络接口；客户端能够实时地监测水泵的运行参数以及控制水泵的起停。

2.2 系统检测、执行机构设计

本系统检测机构包括负压检测机构、正压检测机构、流量检测机构、水位检测机构、温度检测机构。负压检测机构用于检测泵体内的负压值，这是由于离心式水泵在启动时必须将泵体内注满水，即将泵体内的抽为真空状态，即为-100KPa，所以负压检测机构选择量程为-100KPa~100KPa，输出电流为4~20mA的压力变送器。

正压检测机构用于检测水泵出水口的压力，由于该水泵机组的额定扬程为600米，实际工作扬程为400米，即为4MPa，所以正压检测机构选择量程为0~6.4MPa，输出电流为4~20mA的压力变送器；流量检测机构用于检测水泵排水的流量，为流量统计提供参数，流量计选择LCZ-803系列超声波流量计。

温度检测机构用于检测水泵和电机轴体的温度，是由热电阻和HB4901系列多路温度巡检仪构成，采用RS-485通信标准与就地控制箱中的CP340通讯模块通讯，将各检测点的温度发送到集中控制柜中CPU；水位自动监测环节的任务是根据水位的高低自动淮确发出开、停水泵命令。

水位传感器的可靠性和服确性直接影响整个系统的工作可靠性.为此选用超声波液位传感器．它具有高精度、非接触式、维护方便、安装容易、标定简单等许多优点。

执行机构包括电动球阀、电动闸阀和真空泵。执行机构中的电动球阀内部设有热保护、两个限位开关分别是开到位限位开关和关到位开关，采用交流220V供电；电动闸阀内部设有四个长闭接点，分别是两个转矩开关和两个行程开关，对闸阀电机进行保护和行程控制。

2.3 可编程逻辑控制器（PLC）设计配置

PLC是该无人值守统控制系统的核心，本系统选用S7-300可编程逻辑控制器其它模块配置，属于高档机。S7-300可编程逻辑控制器具有计算速度快，数据采集精度高等一系列优点，这就保证了控制的实时性，精确性。

2.3.1 西门子S7-300的硬件配置

该系统的PLC硬件是由一个主站和五个从站构成的Profibus-DP网络，其组态结构如图2。

图2 PLC组态结构图

采用上述的Profibus-DP网络集散控制可以避免繁琐的硬件电路连接，既可以节省成本又可以节省人力资源，而且还提高了系统的可靠性，精确性。

主站PLC包括电源模块、CPU模块、数字量输入模块、数字量输出模块、A/D模块、通讯模块和工业以太网模块。电源模块将输入的交流电压转换成24V直流电压，为其他的模块供电；CPU模块用于控制总线上模块之间的数据传输，并且执行用户程序；输入模块用于将控制系统送来的外部数字信号电平转换成PLC内部信号电平，可输入32路24V开关量信号；输出模块用于将PLC内部信号电平转换成控制系统所要求的外部信号电平。

A/D模块是用于将控制系统送来外部模拟信号转换成PLC内部程序所需要的数字信号；通讯模块用于与高压柜之间的通讯，采用串行通讯方式；工业以太网模块是PLC与上层的网络服务器联系的纽带，在两者之间的数据传输中起到桥梁的作用。

2.3.2 西门子S7-300的软件设计

PLC软件配置有系统程序和用户程序。系统程序配置在CPU模块里，出厂时就已经集成在硬件里，无需用户自己编写。用户程序是用户在编程器里编写好之后下载到PLC的存储模块，程序采用块式结构形式。以下是该系统部分用户程序。

⑴单台机组起、停程序设计

单台机组起动首先要对真空度进行检测，如果真空度达到要求（即达到-100KPa）,就可以将高压开关柜合闸，电机正常运转后，再检测水泵出水口处的压力，如果压力达到水泵额定压力，即可打开电动闸阀，同时可以将射流泵或者真空泵关闭，水泵启动完毕。程序流程图如图3。

关闭单台水泵工作顺序为：首先要关闭电动闸阀，等电动闸阀关到位之后再将高压开关柜分闸。如果要是没有关闭电动闸阀就将高压开关柜分闸，则会发生水锤现象，严重的会将管路中的逆止阀打坏，造成很严重后果。程序流程图如图4。

图3 单台机组起动程序流程图

图4 单台机组停止程序流程图

⑵ 电价避峰填谷设计

如今全国大部分地区已经实行电价分段收费，峰段与谷段的差价是相当大的，所以针对水泵机组是耗能大户这一事实，实施电价避峰填谷是非常有意义的，可以节省大量的成本。

电价避峰填谷原理为：首先设定四个水位限值H1，H2，H3，H4，当水位达到报警水位时，首先对电网的负荷进行监测，若处于用电谷段或者平段时，可以立即启动，若处于用电峰段，则暂缓启动。当水位继续上升至超限水位时，则不论电网负荷如何，必须立即启动水泵。

若水位继续上升至极限水位时．则表明一台水泵的排水量已不足以排除矿井出水，必须启动第二台水泵，用两台水泵一起排水，以矿井的最大排水能力来排除矿井涌水。不论投入几台水泵，水位必须下降到低限水位方可停泵。

即当PLC读取的水仓水位值为H4时，表示水仓水位低于低限水位，水泵机组将不投入运行；水位值为H3时，并且时间为电价谷段或者平段时间，一台水泵机组投入运行，如果为峰段时间，则等待水位上涨到H2时再投入一台水泵机组运行，当一台机组处于运行状态时水位仍然上涨到H1，则继续投入一台机组运行，机组运行至当水位下降到H4时，水泵机组退出运行。程序流程图如图5。

图5 电价避峰填谷程序流程图

⑶ 水泵机组的均匀磨损设计

由于水泵机组总共有五台，为了防止因备用泵或备用管路长期不用而使电机受潮或有其他故障而未被发现．当紧急情况需要投入而不能投入以至影响矿井安全，本自动控制系统按“轮换工作制”来设计，以达到有故障早发现、早处理，以免影响矿井安全生产的目的。

该部分程序是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机组停止时刻时间值减去机组投入运行时刻时间数值，分别为T1，T2，T3，T4，T5，将五台机组的累计运行时间进行比较，数值最小者投入当次运行，依次循环下去，当某台泵或其所属阀门故障或检修时，系统发出警报，同时该泵退出轮换，其余各泵仍按轮换工作制运行。以达到均匀磨损的目的。

3、监控系统

监控系统主要是由调度中心的客户端和历史服务器组成，客户端是由工控机和Intouch组态软件组成。客户端上可以精确显示水泵机组运行参数，精确地反映水泵机组的运行情况，保证了系统运行的可靠性。用户还可以通过客户端控制机组的起停，还可以灵活地选择抽真空方式。

4、结论

文章给出了井下水泵机组无人值守控制系统的设计方案，系统现已在枣庄矿业集团多个煤矿正式投入运行，该技术处于国内先进水平，从运行的效果可以得出该系统有稳定性高、节省人力资源和电力资源等一些优点。