矿井中央水泵房综合自动化系统的设计模式.pdf

8 煤矿机电 2 0 0 5 年第4 期 矿井中央水泵房综合 自动化系统的设计模式 张广龙，史丽萍 中国矿业大学 信电学院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 根据煤矿生产调度综合自动化的要求， 结合 目前测控技术和网络技术的发展， 本文提出 一 种实现矿井中央水泵房综合自动化的设计模式。系统采用西门子 s 7 3 0 0 P L C作为现场控制单 元， 结合各种传感器实时采集水泵系统的运行参数， 完成自动控制水泵的启停等功能； 采用 O P C技 术作为系统通讯标准。 提高了系统的可靠性和开放性。 关键词 中央泵房； P L C ； 综合自动化； O P C 中图分类号 T D 7 4 4 ； T P 2 7 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 0 8 7 4 2 0 0 5 0 4 0 0 0 8 0 4 Th e De s i g n Mo d e o f I n t e g r a t e d Au t o ma t io n S y s t e m f o r Mi n e Ce n t r a l P u mp R o o m ZH A NG G u a n g l o n g，S HI L i - p i n g C o l l e g e o f I n f o r m a t io n a n d E l e c tri c a l E n g i n e e ri n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e r e q u i r e me n t o f c o l l i e r y p r o d u c t i o n a n d d i s p a t c h i n g i n t e g r a t e d a u t o ma t i o n，c o mb i n i n g wi t h t h e d e v e l o p me n t o f p r e s e n t me a s u ri n g c o n t r o l t e c h n o l o gy a n d n e t w o r k t e c h n o l o gy ，t h e a r t i c l e i n t r o d u c e s a d e s i g n e d mo d e t o a c t u a l i z e i n t e gra t e d a u t o ma t i o n o f mi n e c e n t r al p u mp r o o m．T h e s y s t e m a d o p t s S I EME NS s 7 3 0 0 P L C a s l o c ale c o n t r o l u n i t ，c o l l e c t s r u n p a r a me t e r s o f t h e p u mp s y s t e m i n t e gra t e d w i t h ma n y s e n s o rs，an d c o mp l e t e s a u t o c o n t r o l f u n c t i o n o f p u mp s u c h a s s t a rt a n d s t o p ；i t als o a d o p t s OP C t e c h n o l o gy a s c o mmu n i c a t i o n s t a n d a r d wh i c h i mp r o v e s t h e r e l i a b i l i t y a n d o p e n i n g o f t h e s y s t e m． Ke y wo r d s c e n t r al p u mp r o o m；P L C；i n t e gra t e d a u t o ma t i o n；OP C 矿井主排水系统是煤矿大型设备的一个重要组 成部分， 其正常运行与否直接关系到整个矿井的安 全生产。该系统一般由若干主排水泵、 配套电机和 排水管路组成， 统一安置于井底中央泵房内。该系 统具有可靠性要求高， 耗电量大， 启泵、 停泵操作繁 琐等一系列特点， 故如何提高矿井中央泵房的自动 化程度， 做到科学运行、 管理， 且满足煤矿生产调度 综合自动化的要求， 便成了急需解决的问题。针对 以上特点和要求， 本文提出一种实现矿井中央泵房 综合自动化的设计模式， 并付诸实践， 在枣庄矿业集 团某新投产矿井得到了实际应用。 1 主系统设计 根据矿井实际需求， 在中央泵房内并排布置了 5台矿用多级耐磨泵， 并配套5台6 k V异步电动机， 采用三趟并行排水管路将井下水仓积水排至地面。 水泵抽真空环节设计中， 采用了射流管及真空泵的 管路， 并确定装设负压传感器及受控的电动球阀的 位置。抽真空环节对控制质量与成功开泵将产生直 接影响， 负压传感器一般只能工作在负压状态， 安装 位置要选择在避免受到正压的地方， 否则极易使传 感器损坏， 进而影响后续控制。合理设计球阀位置， 可实现两种抽真空方式之间的有效闭锁。主排水系 统如图 1 所示。 2 控制系统设计 1 系统功能 1 主要功能 维普资讯 2 0 0 5 年第4 期 煤矿机电 9 图 l 主排水系统图 1 5 一电动球阀； 6 一电动闸阀和逆止阀； 7 一泵体； 8 一超声流量计； 9 一压力传感器； l 0 一负压传感器； 1 1 一 l 2 一真空泵； l 3 一射流阀 a ． 根据水仓水位等情况 自动控制排水泵启停； b ． 控制各泵轮流工作， 使每台磨损程度均等； c ． 根据水仓水位、 供电峰谷段时间划分等情况， 合理调度水泵运行， 节省运行费用； d ． 检测水泵及其电机的工作参数。如 水泵流 量、 压力、 轴温、 电机温度、 电机启动与工作电流等； e ． 具有故障报警、 自 动保护等功能； f ． 组网功能 通过工业用上位机的接口接入全 矿综合 自动化系统。 2 控制方式 考虑到系统控制的灵活性 ， 系统分别设计了就 t - 位机系统 地、 半 自动 远控 及 自动三种控制方式。就地方式 可以实现对各电动闸阀等执行机构进行一对一的单 独操作， 通过检测其开到位、 关到位、 过转矩等反馈 信号对系统的状态进行测试， 方便检修维护； 半自动 方式等同于远控方式， 操作人员在触摸屏通过开／ 关 两个按扭就地控制水泵完成启、 停的所有操作； 自动 方式就是根据水位等参数 自动完成启泵 ， 停泵的一 系列操作。另外， 考虑到全矿井综合 自 动化的要求 ， 系统还留有网络接口， 可以方便地和全矿井机电要 害场所无人值守系统集成在一起 ， 并且可以实现由 地面控制井下泵的启、 停。 2 系统构成 系统采用分层式设计模式 ， 其构成见图 2 所示。 系统共分三层， 其控制核心位于井下中央泵房和中 央变电所内， 主要由P L C控制柜， 低压柜， 就地控制 箱和外围传感执行机构构成。系统中参与控制的很 多为开关量， 且整个工作过程为逻辑判断性的， 故选 择擅长逻辑判断的可编程序控制器 P L C作为本系 统的控制器， 用于输入方式选择信号 就J g ／ 半 自 动／ 自动， 射 真空泵 ， 泵 的启、 停信号， 电动球 阀、 电动闸阀的开到位／ 关到位／ 过转矩信号及高压 开关柜状态等信号， 并输出相应的开／ 关控制信号。 同时， 水位信号是控制的核心参数， 为了解设备运行 状态， 还需对水泵和电机的前后轴温， 定子电流以及 图 2 控制系统框图 维普资讯 1 0 煤矿机电 2 0 0 5 年第4 期 泵体的震动情况进行监测 ， 要求该 P L C还可以处理 传感变送器输出的4～ 2 0 m A标准电流信号， 并可以 通过网络传送到地面调度， 同时， 该 P L C还要具有 模拟量处理功能和联网功能。综上， 特选择西门子 s 7 3 0 0系列可编程序控制器作为系统控制柜中的 核心控制器， C P U模块选用 C P U 3 1 5 2 D P 。由其远 程 I ／ O E T 2 0 0 M做成 5 个就地控制箱子安装在水泵 附近实现就地控制。对于现场底层的一些数据如真 空度／ 流量等模拟量， 通过 E T 2 0 0与传感器相连取 得， 而对于电动球阀等的状态则直接引入其 D I 模 块。就地控制箱除 E T 2 0 0 M本身的 A I ， D I ／ D O外， 还配有欧姆龙的2 4 V直流继电器和空气断路器， 外 部面板设有操作按扭。5台就地控制箱和 P L C控制 柜之间通过 P R O F I B U S D P总线相互通信， 将所采 集的现场数据通过总线送给 P L C的C P U模块， 经过 C P U的逻 辑 判 断 和 处 理 后， 再 通 过 总线 返 回 E T 2 0 0 M的输出模块 ， 发出控制指令， 驱动各电动阀 的开／ 关， 完成泵的启、 停操作。低压柜主要用于给 P L C控制柜和就地控制箱提供电用。 3 水泵启、 停控制 水泵的启、 停是由位于井下中央变电所的高压 开关柜控制的。根据现场条件， 为了实现用 P L C控 制高压开关柜的分合闸， 采用 P L C通过通信管理机 和高压柜现有的综保装置通信， 间接的控制分合闸。 即 P L C通过其 2 3 2通讯模块 C P 3 4 0与 R T U通讯管 理机通讯 ， R T u通讯管理机将高压柜测控单元的数 据上传到 P L C ， 同时将 P L C给出的5 Y ／ 合闸信号给 高压柜， 从而实现对水泵的启停控制。 3 系统通信模式设计及上位机功能 系统采用了O P C技术作为通讯标准， 它提供了 一 种从底层硬件设备提取数据并传递到应用程序的 标准途径。E T 2 0 0 M通过 P R O F I B U SD P总线与 P L C交换信息， 现场控制单元 s 7 3 0 0 P L C的 C P U 模块选用了C P U 3 1 5 2 D P ， 并配置一个通讯处理器 模块 C P 3 4 3 1 。它与上位机的通讯采用的是工业 以太网方式， 该 P L C通过以太网模块与交换机相 连 ， 并采用了光纤做为传输介质， 因此， 要在 P L C端 和交换机端分别设置光发送机和光接收机。系统设 置 3台研华工控机作为上位机， 其中一台用作客户 端， 另外两台作为主服务器， 互为备用， 以提高系统 的可靠性。3台上位机通过 1台交换机相连， 构成 调度室局域网络 ， 给更大范围的联网提供条件。两 台主服务器配置西门子公司提供的 s 7和 S O F T N E T 软件包， 这是 s 7 3 0 0 P L C的 O P C服务器驱动程 序。当P L C网络组态成功后， 可实现于与水泵 I P 地址 1 9 2 ． 1 6 8 ． 5 ． 1 2 的P L C通讯。组态硬件以后， 根据上位机要获得的信息在 O P C S c o u t 中配点， 定 义实际变量在 P L C存储区中的位置 ， 从而取得各种 数据。主服务器采用 I n t o u c h 作为组态软件开发上 位机功能， 利用其 O P C客户端驱动程序 O P C L in k 建立和 O P C S c o u t 的连接， 根据定义实时地从其中 取得所需数据 ， 放入 自己的数据库中。水泵客户端 只需安装 I n t o u c h 组态软件， 作为监控中心主机， 通 过局域网络建立和主服务器的连接。系统通信模式 如图 3 所示。 地面 井下 图3 系统通信模式 操作人员可以利用水泵客户端将操作指令传至 P L C ， 控制水泵运行。P L C同时将水泵机组的运行 状态与参数经通信网络传至地面监控中心主机， 管 理人员在地面既可掌握井下主排水系统设备的所有 检测数据及工作状态， 又可根据自动化控制信息， 实 现井下主排水系统遥测 、 遥控， 并为矿领导提供生产 决策信息。 4 结语 1 以 P L C的开关量、 模拟量处理功能和联网 功能， 以及基于 T C P ／ I P协议 的工业以太网技术和 基于 O P C技术的客户端／ 服务器模式所构建的中央 泵房自动化系统， 具有较高的可靠性和良好的开放 性 。 2 基于 P L C和 O P C技术的中央泵房综合 自 动化系统， 经实践表明其运行可靠， 明显地提高了矿 井 中央泵房的自动化管理水平， 为实现煤矿生产调 维普资讯 2 0 0 5 年第4 期 煤矿机 电 截割头截齿安装定位的设计方法 徐小粤 煤炭科学研究总院 太原分院，山西 太原 0 3 0 0 0 6 摘要 介绍一种截割头的设计方法， 它能够准确、 有效地实现截齿及齿座安装定位设计。 关键词 掘进机； 截割头； 截齿 中图分类号 T D 4 2 1 ． 5 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 0 8 7 4 2 0 0 5 0 4 0 0 1 1 0 3 A De s i g n Me t h o d f o r At t a c h i n g Bi t s ．On t o Cu tt i n g He a d XU Xi a o - y u e C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e T a i y u a n B r a n c h ， T a iy u a n 0 3 0 0 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e p a p e r i n t r o d u c e s a d e s i g n me t h o d o f c u t t i n g - h e a d，w h i c h c a n e x a c t l y 、 e ff e c t i v e l y c a r r y o u t t h e a t t a c h i n g d e s i gn o f b i t s a n d b i t - h o l d e r s ． K e y wo r d s r o a d h e a d ；c u t t i n g - h e a d；b i t 在掘进机截割头设计中， 截齿排列是一项重点 内容， 它包括确定截割头的包络、 截距 、 螺旋头数等 排列参数， 还必须准确确定齿座有关的安装参数。 安装定位设计问题是至关重要的。 1 安装参数 截齿及齿座的安装参数决定截齿的空间位置及 方向， 除齿尖位置参数外， 还包括决定截齿三维空间 姿态的角度参数 倒角 、 转角 O t 和仰角 y 以及与 截割头体配合有关的齿座安装角 ￡ 等。此外， 截割 头体的外廓尺寸也与截齿及齿座的安装参数密切相 关。这些参数关系到截齿排列， 直接影响截割头的 截割性能_ l J 。 2 设计方法 截齿及齿座安装定位设计的主要 目 标是 ① 使 截割头满足截齿排列设计的要求； ② 使各个截齿具 有实现最佳截割性能的空间姿态； ③ 使各个齿座与 截齿及齿座的安装定位设计是三维空间设计， 常规的设计方法很难适用， 需要借助空间几何等数 学方法来解决设计中的问题。 1 假想平面 所谓假想平面， 就是将截齿和齿座对称剖分的 平面， 见图 1 a 。对截齿及齿座的平移、 旋转等操作 都可用假想平面的相应行为来表述。 假想平面用 表示， 上面设坐标系 z ， 坐 标原点在齿尖处； 同时让齿座底面与 坐标轴相垂 直， 这样可使截齿和齿座定位参数的描述最为简化。 比如， 齿尖位置 A就是 0 ， 0 ， 0 、 齿座底面中心点 B 就是一 s ， 一 t ， 0 。图 1 b中还表示 出截齿的方向 矢量 F和齿座底面的法向矢量 J7、 ，。这两个矢量的表 示为 Ni 、 z 轴分量均为 0 ， Fs i n s i c o s s j z 轴分量为 0 ， 其中， 表示齿座的安装角。截齿和 齿座被视为“ 捆绑” 在假想平面内， 它们之间没有任 何相对运动。 2 安装定位过程 截割头体的配合可行并且合理。 ， ， ， ， ， ， ， ’ ， ， ， ’ ’ ， ， ， ， ， ， ，， ，， ，， ， ，， ，， ， ，， ， ，， ， ， ，， ， ，， ， ，， ， ，， ， ，， ， ， ，， ， ，， ， ，， ， ，， ， 度综合 自动化系统做了准备。 参考文献 [ 1 ] 牟秋锋， 姜昌金、 基于 O P C的分布式监控系统的研究与设计 [ J ] ． 工业控制计算机， 2 0 0 4 9 作者简介 张广龙 1 9 8 1 一 ， 男， 在读硕士研究生。 2 0 0 3 年毕业于 中国矿业大学电气工程与自动化专业， 现主要从事配电网 自动化的 研究。 收稿 日 期 2 0 0 5 0 4 0 7 ； 责任编辑 姚克 维普资讯