運用PLC技術(shù)實現(xiàn)礦井主排水系統(tǒng)的自動化控制設(shè)計

1、 運用plc技術(shù)實現(xiàn)礦井主排水系統(tǒng)的自動化控制設(shè)計 摘要：本文對煤礦井下主排水泵自動控制系統(tǒng)作了簡介介紹，分析論述了煤礦井下主排水泵自動控制系統(tǒng)設(shè)計思路、煤礦井下主排水泵自動控制系統(tǒng)的主要功能、plc應(yīng)用井下主排水泵自動控制的功能、煤礦井下主排水泵自動控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計、煤礦井下主排水泵自動控制系統(tǒng)工作原理，以及主排水自動控制系統(tǒng)應(yīng)用情況。關(guān)鍵詞：煤礦井下；主排水系統(tǒng)；plc技術(shù)；自動控制系統(tǒng)引言：煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)期間，隨著煤層的持續(xù)向前開采，其地層結(jié)構(gòu)也會伴隨發(fā)生改變，使得采區(qū)便貫通了地下儲水層，以至于大量的水涌出。這些涌水若不及時地通過排水系統(tǒng)排出，就會誘發(fā)井下透水事故，并威脅著井下

2、生產(chǎn)的安全。因此，井下主排水系統(tǒng)則是煤礦保證礦井安全的關(guān)鍵性設(shè)備之一，它在安全生產(chǎn)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。為了增強排水設(shè)備安全運行的可靠性，并提高設(shè)備的自動化控制程度，對煤礦井下排水系統(tǒng)就要設(shè)計成自動化控制系統(tǒng)。對此，可根據(jù)礦井實際情況和一些性能要求，采用plc控制器為核心的自動化控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)排水的全自動控制。1 煤礦井下主排水泵自動控制系統(tǒng)簡介計算機控制已逐步被應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)和生活的方方面面，并為其各領(lǐng)域的發(fā)展注入了巨大的推動力。plc可編程控制器，作為一種全新的高效自控裝置，更是替代傳統(tǒng)繼電器應(yīng)用的良好選擇。傳統(tǒng)的井下排水系統(tǒng)依靠繼電器控制，主排水泵的一些動作又必須由工人手動控制來完成

3、。該方式相較于plc控制技術(shù)存在明顯劣勢。如將plc技術(shù)應(yīng)用到此主排水泵控制之中，這可通過控制中心的顯示器實現(xiàn)對水泵運行的水位、流量、溫度等狀態(tài)參數(shù)實時監(jiān)控。還可依據(jù)實際需求，通過通訊設(shè)施和控制主機實現(xiàn)對主排水泵的遠程操控，使系統(tǒng)不僅靈活了，且安全性也更高了，能切實保障排水的安全。圖1為主排水泵自動控制示意圖。2 煤礦井下主排水泵自動控制系統(tǒng)設(shè)計思路1）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析?？刂葡到y(tǒng)分五大部分構(gòu)成（信息采集模塊、自動輪換模塊、自動控制模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、故障報警和通訊模塊），系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見示意圖2。各模塊的功能：信息采集模塊：它包括模擬量檢測采集和數(shù)字量檢測采集，前者針對水泵水位、水流量、電機電流大小

4、和各機械裝置工作溫度等信息采集；后者用于對各機器工作狀態(tài)信息檢測采集（如啟動柜斷路器高壓工作狀態(tài)、真空泵工作狀態(tài)、電抗器工作狀態(tài)等）。自動輪換模塊：為避免主排水泵發(fā)生意外狀況故障停機，常配備備用排水泵和相關(guān)電器。但是，長期備用泵若不啟動運行，容易受潮等原因造成自身工作性能降低。對此，plc系統(tǒng)自動輪換模塊可依據(jù)以往運行參數(shù)按照一定順序依次自動開啟和關(guān)停這兩種水泵，以保證平均使用。自動控制模塊：它的功能實現(xiàn)的關(guān)鍵在于能否準確檢測井下水文情況。為了可靠起見，系統(tǒng)布設(shè)多套傳感裝置（包括多臺水文傳感器、開關(guān)量傳感器和模擬量傳感器），均布設(shè)在排水倉內(nèi)，以實時監(jiān)控水文變化，并將檢測信息傳輸?shù)絧lc中。pl

5、c則會依據(jù)接收的信息將水文信號劃分為多個時段，分別計算不同時段內(nèi)的水文增長速率，從而真實的進行涌水情況判定，并以此為依據(jù)控制水泵開閉。同時，也實現(xiàn)了“避峰填谷”的目的，能有效減少電耗。顯示模塊：若選用國外最先進的觸摸式顯示技術(shù)，則能在顯示屏上實現(xiàn)對主排水泵各組成部分工作狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)的實時、準確、動態(tài)顯示，并且根據(jù)顯示圖像色彩變化和閃爍標識等對設(shè)備故障或意外情況實施報警。通訊模塊：plc系統(tǒng)能實現(xiàn)實時雙向通訊（既可讓操作人員借由控制端將操作指令實時傳遞到plc控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)對排水泵遠程操作，又可以由plc系統(tǒng)將監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)信息通過顯示屏展示給控制中心的工作人員）。其功能是通過通訊接口、通訊

6、協(xié)議和觸摸屏相互合作共同完成。2）控制系統(tǒng)程序組成。其plc系統(tǒng)控制程序包含命令程序和數(shù)據(jù)處理程序，前者用于控制命令發(fā)布和處理（記錄打印、數(shù)據(jù)查詢等）；后者用于數(shù)據(jù)文件創(chuàng)建（打印故障數(shù)據(jù)信息、打印運行日志并對數(shù)據(jù)長期存儲等）。3 煤礦井下主排水泵自動控制系統(tǒng)的主要功能1）主要控制功能。在無人值守情況下，系統(tǒng)通過監(jiān)測水井水位和峰谷電價時機，按設(shè)定規(guī)則，合理調(diào)度三臺水泵自動啟停；在地面集控室，可通過計算機鼠標或鍵盤實現(xiàn)水泵的啟停；可保留現(xiàn)有的分步手動控制方式。2）主要顯示功能。在地面控制計算機上可顯示并記錄：各水泵工作狀態(tài)、水位、每臺泵出水口壓力、入口真空度、各電動閥位置、電機工作電流、重要位置的

7、溫度等參數(shù)；泵房操作臺或現(xiàn)場儀表上能顯示：水泵運行狀態(tài)、電機電流和水井水位等參數(shù)。3）主要信息管理功能。記錄各水泵的運行時刻和累計運行時間等參數(shù)；有效記錄水位、排水口壓力、進水口真空度和閥門位置等歷史資料(過去)；能記錄過去某時刻系統(tǒng)所處的運行狀態(tài)，以及操作員的操作過程。4）自動報警功能。若被檢測參數(shù)超限或設(shè)備工作不正常時，在井下操作臺和地面計算機顯示屏上均有報警顯示。4 plc應(yīng)用井下主排水泵自動控制的功能分析1）plc系統(tǒng)程序設(shè)計。其主排水泵plc控制程序，可通過step7軟件編制實現(xiàn)。像西門子系列專用的標準編程軟件，即可編制功能模塊與語句表，還能進行邏輯圖的編制。2）系統(tǒng)所具備的功能。運

8、用模塊化結(jié)構(gòu)組合，使系統(tǒng)能依據(jù)實際需要對各模塊功能進行分時、分段運行調(diào)試或維護，確保了程序操作的快速和精準；系統(tǒng)具備通訊模塊，能實現(xiàn)控制顯示屏和地面管理的實時通訊，為信息溝通提供便利，并具備遠程操控功能；能依據(jù)水位或其它參數(shù)變化適時自動輪換水泵，對延長水泵使用期有利；能實時自動監(jiān)測排水倉水位，并對增長速率進行計算分析，進而開閉水泵，實現(xiàn)能耗優(yōu)化；具備良好的自保護功能，包括流量、高溫、電機故障和電動閥故障保護等；具備自動、半自動和手動操控模式，可依據(jù)具體情況在自動和半自動模式下自動切換。5 煤礦井下主排水泵自動控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計1）硬件部分。系統(tǒng)硬件主要由井下和地面兩部分組成，通過光纖環(huán)網(wǎng)

9、和光電設(shè)備連接傳輸信號。地面部分包括監(jiān)控計算機和監(jiān)視器等，井下部分包括plc控制器、本安型操作臺、真空傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、水位傳感器、電機磁力啟動器控制、出水閘閥開關(guān)控制、射流電磁閥控制和真空電磁閥控制等。井下設(shè)備：排水泵房內(nèi)設(shè)礦用plc控制箱一臺。任務(wù)：通過可編程控制器plc的輸入模塊采集各監(jiān)測傳感器的信號，按程序要求自動控制水泵的啟停；通過通信接口(rs-485)把信息傳送給地面控制計算機，或操作臺的命令控制水泵啟停。在泵房安設(shè)本安操作臺一個，主要用于系統(tǒng)工作方式的選擇和就地控制排水泵的啟停，并可設(shè)置三種操作方式中的一種。主要監(jiān)測傳感器：水位傳感器用于監(jiān)測吸水井里的水位高低。壓

10、力傳感器在排水泵出口安裝，用于監(jiān)測水泵出口處的壓力。在每排水泵入口處安裝本安壓力傳感器，用于監(jiān)測水泵入口處的真空度。地面監(jiān)控設(shè)備：包括通信設(shè)備和控制計算機。主要由光信號接收轉(zhuǎn)換器、西門子中繼器、電源模塊等組成。計算機選用ibm工控機，光信號接收轉(zhuǎn)換器選用cvr/t單模光端機。2）軟件部分。plc程序:井下plc監(jiān)控系統(tǒng)是基于step7軟件編寫的，采用模塊化結(jié)構(gòu)編程，包括監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)模塊、控制模塊、顯示模塊和通信模塊等。該編程方式能使系統(tǒng)運行安全可靠，修改方便，且易于擴展。上位機程序：采用組態(tài)軟件wincc開發(fā)，可提供可視化過程、數(shù)據(jù)獲取和監(jiān)視控制功能。采用面向目標的開發(fā)方法，可快速容易按照操

11、作設(shè)計處理、顯示生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)。采用客戶服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，能提供數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的全面集成和共享，并提高監(jiān)控系統(tǒng)的性能。使用wincc組態(tài)軟件還可根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)和工藝流程的變化，進行制作和修改監(jiān)控畫面，也可隨時修改界面上設(shè)備的顏色、形狀、尺寸和位置等。6 煤礦井下主排水泵自動控制系統(tǒng)工作原理1）水泵的工作環(huán)節(jié)控制。排水泵的工作四個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：即水位自動監(jiān)控、射流抽真空控制、電機和閘閥操縱、設(shè)備運行參數(shù)監(jiān)測。水位自動監(jiān)控環(huán)節(jié)：任務(wù)是對吸水井的水位進行實時監(jiān)測，以便根據(jù)水位的高低監(jiān)測情況自動發(fā)啟、停水泵命令。系統(tǒng)采用投入式水位傳感器監(jiān)測水位，采集信號以模擬量形式輸送給plc控制器，plc控制器根據(jù)采集的水位

12、信號和設(shè)置的控制程序自動控制水泵的啟停。射流抽真空控制環(huán)節(jié)：排水泵只有在其葉輪完全淹沒于水中的情況下，泵體內(nèi)部才能靠葉輪高速旋轉(zhuǎn)造成必要的真空度實現(xiàn)正常排水。假如真空度不夠，泵內(nèi)就有空氣存在，將會造成不上水和轉(zhuǎn)動部件“干燒”等故障。電動閘閥電動機自動操縱環(huán)節(jié)：為減小排水泵電動機啟動功率，其排水泵操作規(guī)程規(guī)定離心式水泵一定要關(guān)閉出水閘閥啟動。當水泵停車時，為避免出現(xiàn)水錘事故，必須先關(guān)閉閘閥，再緩慢減小流速，最后停泵。啟動過程：打開射流泵和抽真空控制閥進行抽真空真空度達到要求啟動水泵電機水泵電機電流降至正常值，水泵出口壓力達到設(shè)定值打開閘閥，進行排水關(guān)閉射流泵和抽真空控制閥。停泵過程：關(guān)閉電動閘閥

13、，再關(guān)閉水泵電機。設(shè)備運行參數(shù)監(jiān)測環(huán)節(jié)：在水泵啟動或運行過程中，要實時監(jiān)測設(shè)備運行的相關(guān)參數(shù)。監(jiān)測的主要參數(shù)為：入口真空度、進水管流量、出口壓力、電機電流和電機溫度等。參數(shù)不正常時，要及時停泵，轉(zhuǎn)為啟動另臺水泵運行。2）自動排水系統(tǒng)控制過程。通過傳感器信號檢測、plc程序控制、執(zhí)行機構(gòu)動作完成排水泵啟動、停止及水泵房的在線監(jiān)測。啟泵過程：水位傳感器監(jiān)測得設(shè)定水位，并把信號傳給plc控制器。plc控制器輸出信號啟動射流泵和抽真空電磁閥，并對排水泵抽真空。真空傳感器監(jiān)測真空度達到要求，傳送信號給plc控制器。plc控制器輸出控制信號起動電機。排水泵電動機起動，返回信號。排水泵電動機電流降至正常值，

14、水泵出口壓力達到正常值，返回信號給plc控制器。啟動閘閥進行排水，并返回信號給plc控制器。關(guān)閉抽真空設(shè)備。排水泵停泵過程：水位傳感器監(jiān)測到吸水井低水位。plc控制器輸出信號，驅(qū)動閘閥關(guān)閉。關(guān)閉排水泵電動機。自動排水系統(tǒng)控制過程，詳見圖3所示。7 主排水自動控制系統(tǒng)應(yīng)用情況該自動控制系統(tǒng)設(shè)計，應(yīng)用在煤礦井下排水，運行比較穩(wěn)定可靠，充分完全滿足了現(xiàn)場的實際要求，并具有操作非常簡單方便，安全可靠性高等諸多優(yōu)點。其真正實現(xiàn)了水位檢測的實時性和準確性，并且大大減輕了操作人員的勞動強度和降低了排水成本，又實現(xiàn)了泵房的無人值守的效果。結(jié)束語：煤礦井下主排水系統(tǒng)，應(yīng)用西門子s7型plc系統(tǒng)為核心設(shè)計控制，其

15、水泵的自動控制系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。期間通過有效和合理的設(shè)計，能使整個系統(tǒng)自動依據(jù)水位和流量的變化等參數(shù)跟隨變化進行自動調(diào)節(jié)，這不僅有助于提升礦井排水的安全性，還能大幅降低電耗，使排水成本得以有效降低。借助通訊模塊，又可實現(xiàn)對井下設(shè)備的遠程操控。它能為實現(xiàn)礦井各生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備的自動控制和現(xiàn)代化管理提供良好的技術(shù)保障，利用此可編程控制器plc組成的監(jiān)控平臺，也可實現(xiàn)礦井各環(huán)節(jié)的全自動控制。參考文獻：1馬文智，等.plc技術(shù)在礦井排水全自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用j.第18屆全國煤礦自動化與信息化學(xué)術(shù)會議論文集，254-259.2傅鐘慶.plc控制系統(tǒng)和人機對話m.中國電力出版社，2010，06.3孫永乎.煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控可視化仿真系統(tǒng)的設(shè)計j.城市建設(shè)理論研究，2012(2