運(yùn)用PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦井主排水系統(tǒng)的自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)

1、 運(yùn)用plc技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦井主排水系統(tǒng)的自動(dòng)化控制設(shè)計(jì) 摘要：本文對(duì)煤礦井下主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)作了簡(jiǎn)介介紹，分析論述了煤礦井下主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路、煤礦井下主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要功能、plc應(yīng)用井下主排水泵自動(dòng)控制的功能、煤礦井下主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)、煤礦井下主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理，以及主排水自動(dòng)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(dòng)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(kāi)采，其地層結(jié)構(gòu)也會(huì)伴隨發(fā)生改變，使得采區(qū)便貫通了地下儲(chǔ)水層，以至于大量的水涌出。這些涌水若不及時(shí)地通過(guò)排水系統(tǒng)排出，就會(huì)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(qiáng)排水設(shè)備安全運(yùn)行的可靠性，并提高設(shè)備的自動(dòng)化控制程度，對(duì)煤礦井下排水系統(tǒng)就要設(shè)計(jì)成自動(dòng)化控制系統(tǒng)。對(duì)此，可根據(jù)礦井實(shí)際情況和一些性能要求，采用plc控制器為核心的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)排水的全自動(dòng)控制。1 煤礦井下主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)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(dòng)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(dòng)作又必須由工人手動(dòng)控制來(lái)完成

3、。該方式相較于plc控制技術(shù)存在明顯劣勢(shì)。如將plc技術(shù)應(yīng)用到此主排水泵控制之中，這可通過(guò)控制中心的顯示器實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵運(yùn)行的水位、流量、溫度等狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。還可依據(jù)實(shí)際需求，通過(guò)通訊設(shè)施和控制主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)主排水泵的遠(yuǎn)程操控，使系統(tǒng)不僅靈活了，且安全性也更高了，能切實(shí)保障排水的安全。圖1為主排水泵自動(dòng)控制示意圖。2 煤礦井下主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)輪換模塊、自動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、故障報(bào)警和通訊模塊），系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)示意圖2。各模塊的功能：信息采集模塊：它包括模擬量檢測(cè)采集和數(shù)字量檢測(cè)采集，前者針對(duì)水泵水位、水流量、電機(jī)電流大小

4、和各機(jī)械裝置工作溫度等信息采集；后者用于對(duì)各機(jī)器工作狀態(tài)信息檢測(cè)采集（如啟動(dòng)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(dòng)輪換模塊：為避免主排水泵發(fā)生意外狀況故障停機(jī)，常配備備用排水泵和相關(guān)電器。但是，長(zhǎng)期備用泵若不啟動(dòng)運(yùn)行，容易受潮等原因造成自身工作性能降低。對(duì)此，plc系統(tǒng)自動(dòng)輪換模塊可依據(jù)以往運(yùn)行參數(shù)按照一定順序依次自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)停這兩種水泵，以保證平均使用。自動(dòng)控制模塊：它的功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于能否準(zhǔn)確檢測(cè)井下水文情況。為了可靠起見(jiàn)，系統(tǒng)布設(shè)多套傳感裝置（包括多臺(tái)水文傳感器、開(kāi)關(guān)量傳感器和模擬量傳感器），均布設(shè)在排水倉(cāng)內(nèi)，以實(shí)時(shí)監(jiān)控水文變化，并將檢測(cè)信息傳輸?shù)絧lc中。pl

5、c則會(huì)依據(jù)接收的信息將水文信號(hào)劃分為多個(gè)時(shí)段，分別計(jì)算不同時(shí)段內(nèi)的水文增長(zhǎng)速率，從而真實(shí)的進(jìn)行涌水情況判定，并以此為依據(jù)控制水泵開(kāi)閉。同時(shí)，也實(shí)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(guó)外最先進(jìn)的觸摸式顯示技術(shù)，則能在顯示屏上實(shí)現(xiàn)對(duì)主排水泵各組成部分工作狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)顯示，并且根據(jù)顯示圖像色彩變化和閃爍標(biāo)識(shí)等對(duì)設(shè)備故障或意外情況實(shí)施報(bào)警。通訊模塊：plc系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)雙向通訊（既可讓操作人員借由控制端將操作指令實(shí)時(shí)傳遞到plc控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)排水泵遠(yuǎn)程操作，又可以由plc系統(tǒng)將監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息通過(guò)顯示屏展示給控制中心的工作人員）。其功能是通過(guò)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(yùn)行日志并對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存儲(chǔ)等）。3 煤礦井下主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要功能1）主要控制功能。在無(wú)人值守情況下，系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)水井水位和峰谷電價(jià)時(shí)機(jī)，按設(shè)定規(guī)則，合理調(diào)度三臺(tái)水泵自動(dòng)啟停；在地面集控室，可通過(guò)計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)水泵的啟停；可保留現(xiàn)有的分步手動(dòng)控制方式。2）主要顯示功能。在地面控制計(jì)算機(jī)上可顯示并記錄：各水泵工作狀態(tài)、水位、每臺(tái)泵出水口壓力、入口真空度、各電動(dòng)閥位置、電機(jī)工作電流、重要位置的

7、溫度等參數(shù)；泵房操作臺(tái)或現(xiàn)場(chǎng)儀表上能顯示：水泵運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)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(yùn)行時(shí)刻和累計(jì)運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)；有效記錄水位、排水口壓力、進(jìn)水口真空度和閥門(mén)位置等歷史資料(過(guò)去)；能記錄過(guò)去某時(shí)刻系統(tǒng)所處的運(yùn)行狀態(tài)，以及操作員的操作過(guò)程。4）自動(dòng)報(bào)警功能。若被檢測(cè)參數(shù)超限或設(shè)備工作不正常時(shí)，在井下操作臺(tái)和地面計(jì)算機(jī)顯示屏上均有報(bào)警顯示。4 plc應(yīng)用井下主排水泵自動(dòng)控制的功能分析1）plc系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。其主排水泵plc控制程序，可通過(guò)step7軟件編制實(shí)現(xiàn)。像西門(mén)子系列專用的標(biāo)準(zhǔn)編程軟件，即可編制功能模塊與語(yǔ)句表，還能進(jìn)行邏輯圖的編制。2）系統(tǒng)所具備的功能。運(yùn)

8、用模塊化結(jié)構(gòu)組合，使系統(tǒng)能依據(jù)實(shí)際需要對(duì)各模塊功能進(jìn)行分時(shí)、分段運(yùn)行調(diào)試或維護(hù)，確保了程序操作的快速和精準(zhǔn)；系統(tǒng)具備通訊模塊，能實(shí)現(xiàn)控制顯示屏和地面管理的實(shí)時(shí)通訊，為信息溝通提供便利，并具備遠(yuǎn)程操控功能；能依據(jù)水位或其它參數(shù)變化適時(shí)自動(dòng)輪換水泵，對(duì)延長(zhǎng)水泵使用期有利；能實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)排水倉(cāng)水位，并對(duì)增長(zhǎng)速率進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)而開(kāi)閉水泵，實(shí)現(xiàn)能耗優(yōu)化；具備良好的自保護(hù)功能，包括流量、高溫、電機(jī)故障和電動(dòng)閥故障保護(hù)等；具備自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)操控模式，可依據(jù)具體情況在自動(dòng)和半自動(dòng)模式下自動(dòng)切換。5 煤礦井下主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)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(guò)光纖環(huán)網(wǎng)

9、和光電設(shè)備連接傳輸信號(hào)。地面部分包括監(jiān)控計(jì)算機(jī)和監(jiān)視器等，井下部分包括plc控制器、本安型操作臺(tái)、真空傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、水位傳感器、電機(jī)磁力啟動(dòng)器控制、出水閘閥開(kāi)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?jī)?nèi)設(shè)礦用plc控制箱一臺(tái)。任務(wù)：通過(guò)可編程控制器plc的輸入模塊采集各監(jiān)測(cè)傳感器的信號(hào)，按程序要求自動(dòng)控制水泵的啟停；通過(guò)通信接口(rs-485)把信息傳送給地面控制計(jì)算機(jī)，或操作臺(tái)的命令控制水泵啟停。在泵房安設(shè)本安操作臺(tái)一個(gè)，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(cè)傳感器：水位傳感器用于監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(jì)算機(jī)。主要由光信號(hào)接收轉(zhuǎn)換器、西門(mén)子中繼器、電源模塊等組成。計(jì)算機(jī)選用ibm工控機(jī)，光信號(hào)接收轉(zhuǎn)換器選用cvr/t單模光端機(jī)。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(xiě)的，采用模塊化結(jié)構(gòu)編程，包括監(jiān)測(cè)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(yùn)行安全可靠，修改方便，且易于擴(kuò)展。上位機(jī)程序：采用組態(tài)軟件wincc開(kāi)發(fā)，可提供可視化過(guò)程、數(shù)據(jù)獲取和監(jiān)視控制功能。采用面向目標(biāo)的開(kāi)發(fā)方法，可快速容易按照操

11、作設(shè)計(jì)處理、顯示生產(chǎn)過(guò)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(jìn)行制作和修改監(jiān)控畫(huà)面，也可隨時(shí)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(dòng)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(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：即水位自動(dòng)監(jiān)控、射流抽真空控制、電機(jī)和閘閥操縱、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)。水位自動(dòng)監(jiān)控環(huán)節(jié)：任務(wù)是對(duì)吸水井的水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便根據(jù)水位的高低監(jiān)測(cè)情況自動(dòng)發(fā)啟、停水泵命令。系統(tǒng)采用投入式水位傳感器監(jiān)測(cè)水位，采集信號(hào)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(hào)和設(shè)置的控制程序自動(dòng)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(méi)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(shí)現(xiàn)正常排水。假如真空度不夠，泵內(nèi)就有空氣存在，將會(huì)造成不上水和轉(zhuǎn)動(dòng)部件“干燒”等故障。電動(dòng)閘閥電動(dòng)機(jī)自動(dòng)操縱環(huán)節(jié)：為減小排水泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)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(dòng)。當(dāng)水泵停車(chē)時(shí)，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(dòng)過(guò)程：打開(kāi)射流泵和抽真空控制閥進(jìn)行抽真空真空度達(dá)到要求啟動(dòng)水泵電機(jī)水泵電機(jī)電流降至正常值，水泵出口壓力達(dá)到設(shè)定值打開(kāi)閘閥，進(jìn)行排水關(guān)閉射流泵和抽真空控制閥。停泵過(guò)程：關(guān)閉電動(dòng)閘閥

13、，再關(guān)閉水泵電機(jī)。設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)：在水泵啟動(dòng)或運(yùn)行過(guò)程中，要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)。監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)為：入口真空度、進(jìn)水管流量、出口壓力、電機(jī)電流和電機(jī)溫度等。參數(shù)不正常時(shí)，要及時(shí)停泵，轉(zhuǎn)為啟動(dòng)另臺(tái)水泵運(yùn)行。2）自動(dòng)排水系統(tǒng)控制過(guò)程。通過(guò)傳感器信號(hào)檢測(cè)、plc程序控制、執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作完成排水泵啟動(dòng)、停止及水泵房的在線監(jiān)測(cè)。啟泵過(guò)程：水位傳感器監(jiān)測(cè)得設(shè)定水位，并把信號(hào)傳給plc控制器。plc控制器輸出信號(hào)啟動(dòng)射流泵和抽真空電磁閥，并對(duì)排水泵抽真空。真空傳感器監(jiān)測(cè)真空度達(dá)到要求，傳送信號(hào)給plc控制器。plc控制器輸出控制信號(hào)起動(dòng)電機(jī)。排水泵電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，返回信號(hào)。排水泵電動(dòng)機(jī)電流降至正常值，

14、水泵出口壓力達(dá)到正常值，返回信號(hào)給plc控制器。啟動(dòng)閘閥進(jìn)行排水，并返回信號(hào)給plc控制器。關(guān)閉抽真空設(shè)備。排水泵停泵過(guò)程：水位傳感器監(jiān)測(cè)到吸水井低水位。plc控制器輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)閘閥關(guān)閉。關(guān)閉排水泵電動(dòng)機(jī)。自動(dòng)排水系統(tǒng)控制過(guò)程，詳見(jiàn)圖3所示。7 主排水自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用情況該自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)用在煤礦井下排水，運(yùn)行比較穩(wěn)定可靠，充分完全滿足了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際要求，并具有操作非常簡(jiǎn)單方便，安全可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。其真正實(shí)現(xiàn)了水位檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，并且大大減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和降低了排水成本，又實(shí)現(xiàn)了泵房的無(wú)人值守的效果。結(jié)束語(yǔ)：煤礦井下主排水系統(tǒng)，應(yīng)用西門(mén)子s7型plc系統(tǒng)為核心設(shè)計(jì)控制，其

15、水泵的自動(dòng)控制系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。期間通過(guò)有效和合理的設(shè)計(jì)，能使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)依據(jù)水位和流量的變化等參數(shù)跟隨變化進(jìn)行自動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)井下設(shè)備的遠(yuǎn)程操控。它能為實(shí)現(xiàn)礦井各生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備的自動(dòng)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(tái)，也可實(shí)現(xiàn)礦井各環(huán)節(jié)的全自動(dòng)控制。參考文獻(xiàn)：1馬文智，等.plc技術(shù)在礦井排水全自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用j.第18屆全國(guó)煤礦自動(dòng)化與信息化學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，254-259.2傅鐘慶.plc控制系統(tǒng)和人機(jī)對(duì)話m.中國(guó)電力出版社，2010，06.3孫永乎.煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控可視化仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)j.城市建設(shè)理論研究，2012(2