基于PLC的矿井自动排水系统设计.pdf

系 统 解 决 方 案 基于 P L C的矿井 自动排水系统设计 王光生， 尹文波， 闰东， 韩洪彬， 樊兆同 充矿 集团 南 屯煤矿 ，山东 邹城2 7 3 5 1 5 摘要 NP L C自动检 测水井水位和 其它参数 ， 根据 水井水位 的高低 、 矿井 用电信 息等因素 ， 建立数 学模型 ， 合理 调 度水泵运行， 实现对矿井排水系统的全 自动控制， 可以达到节省人 力资源和避峰填谷节能的目的， 具有一定的推广应用价 值 。 关键 词 矿井 ； 自动化 ； 排 水 系统 ； P L C D e s ig n o f Mi n e Au t o ma t i c Dr a in a g e S y s t e m Ba s e d o n PL C W ANG Gua n g - s h e n g，YI N W e n - b o， YAN Do n g， HAN Ho n g - b i n， FAN Zh a o - t o n g Na n tu n Co a l Mi n e o f Ya n z h o u Mi n i n g I n d u s t r y Gr o u p , Z o u c h e n g 2 7 3 5 1 5 ，Ch i n a A b s t r a c t Ac cor d i n g toth e wa t e r w e U wa t e r l e v e l ， e l e c t r i c i t yc o n s u mp ti o n f a c to r s i n f o r ma ti o n , t h e P I _ Ca u t o ma ti c wa t e r we ll wa t e r l e v e l d e t e c t i o n a n do the r p a r a me t e r s ， t h ema the ma t i c a l mo d e l i s e s t a b l i s h e dt od i s p a t c hthe wa t e r p u mp r e a s o n a b l yan di mp l e me n t a u t o ma t i c c o n tr o l o f mi n e d r a i n a g e s y s tem． T h i s me thod s a v e s t h eh u ma n r e s o u r c e s ande n e r g yc o n s u mp t i o na n dh a sc e r ta i np romo t i o na p p li c a t i o nv a l u e K e y wo r d mi n e ； a u t o ma t i o n ； d r a i n a g e s y s te m； P L C O引言 随着计算机控制技术的迅速 发展， 以微处理器为 核心 的P LC 控 制已逐步取 代继 电器控制 ， 普遍应用于 各行各业的 自动化控制领域 。 煤炭行业也不例外， 但目 前煤矿井下主排水 系统仍多采用继 电器控制， 水泵的 开停及选择切换均 由人工完成， 还做不到根据水位或 其它参数 自动开停水泵， 这将严重影响井下主排水泵 房的管理水平和经济效益的提高。 随着矿井信息化 、 自 动化建设的推进 ， 矿井排水子系统将逐步实现无人值 守 自动运行功能。 以下就P L C矿井 自动排水系统设计 原则 、 控 制原理及系统 的功 能和特 点作详 细介绍 。 1 系统设计原则 1 ． 1安全可靠性 1 拥有远端控制及就地控制两种控制方式， 当集 中控制柜与远端监控平台通信中断时， 自动转入就地 控制方式 。 就地控 制方式又可分为就地集 中控 制及就 地手动控制。 2 全方位监控 电机、 水泵 、 起动柜、 真空系 统等各环节， 对系统出现的异常能够提前给出预警。 3 按照规定的程序对水泵进行 自动起 、 停。 4 选用可靠的 控制元器件， 水泵房控 制核心选用西门子公 司的P L C s 7 3 0 0 ， 继电元件选用施耐德公司的器件。 1 ． 2先进性 1 采用光纤环网通信技术取代了原来的总线传输 技术， 使得数据传输更加快捷 、 可靠 。 2 采用组态软件控 作者简介 王光生 1 9 8 0 - ， 从事供电 技术工作。 收稿日期 2 0 0 9 1 0-1 2 制技术取代了VC 编程技术， 不仅使可靠性大为提高， 而 且使程序更加具有通用性 ， 也使系统 的二次开发及扩 容变得更加规范、 容易 。 3 遵循矿井综合监控系统标准 子 系统接 口规范， 使得该系统 可以非常容易地并人矿 井综合监控 系统 中， 与其它子系统实现数据的共享。 1 ． 3经济 性 1 将电价的避峰填谷原则引入水泵启动算法中， 使得水泵耗能处于最经济 的状态 。 2 对水泵的运行时 问进行累计， 每次起 动累计运行时问最小的水泵 。 这样 就实现了水泵 的均匀磨损， 避免 了某 台水泵经常使用 造成设备疲劳， 同时避 免了某 台水泵长期不使用造成 生锈。 3 通过对水井水位的起动水位 、 报警水位、 超 限 水位、 停机水位的设定， 在保 障水井水位绝对安全 的前 提下， 水泵的起动次数达到了最少 。 4 由于本系统是按 照无人值守的原则进行设计， 所 以现场无需人员进行 值守， 这样就节省了大量的人力资源。 系统结构图如图 l 所示 。 图 1 系统结构 图 自动化应用 ；2 0 1 0 2 期 ； 1 9 系 统 解 决 方 案 2 加装的辅助装置及器件 除安装P LC控制等核心装置外， 在泵房原有基础 上还应加装以下装置和器件 1 在每个水泵 出水管路安装压力传感器 。 2 安装6 个贴片式磁钢温度传感器， 检测水泵及 电机的前、 后轴温度 ， 水泵 回水温度 。 3 每个水泵配套的射流装置的阀门应安装手 、 自 动电磁 阀 。 4 在水泵的吸水管安装一个真空度传感器 。 5 每个吸水池安装一个投入式液位传感器， 以确 认水泵 吸 口真 空度。 6 在水井安装一个非接触式超声波液位传感器， 作为控 制水泵起动的主要数据 。 7 闸阀配置为既可电动又可手动的智能型 电动 闸 门。 3系统控制原理 该 无人值 守系统 以水井 水位作为水泵起停 的基 本条件， 在此条件满足的前提下， 再根据均匀磨损 、 电 价避峰填谷 的原则实现水泵的起停 。 该原理为 首先设定4 个水位限值日。 、 日 、 H 、 如图2 所示 ， 当水位达到报警水位时， 首先对 电网的负荷进行监测， 若处于用电谷段或平段时， 可以立即起动； 若处于用电 峰段， 则暂缓起动。 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 即起动水泵 。 若水位继续上 升到超限水 位时， 则表 明一台水泵的排水量 已不足以 排除矿井出水 ， 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P L C 读取的水井水位值为 时， 表示水井水 位低于低限水位， 水泵机组将不投运； 水位值不小于 H， ， 并且时间为电价谷段或者平段时问， 一 台水泵机组 投运 ， 如果为峰段时间， 则等待水位上涨到日 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 仍然上涨到日 ， 则继续投入一台机组运行， 如果水位仍 然上涨， 则陆续投入所有水泵。 机组运行至水位下降到 日 时， 水泵机组退出运行。 程序流程如 图3 所示 。 4系统功能及特点 1 P L C 控制程序采 用模块化结构 ， 系统 可 按程序模块分 段调 试， 分段运行 。 该程序结构 具有清晰、 简捷、 易懂、 便于模拟调试 、 运行速 度快 等特点。 2 系统根据水位 和压力控制原 则， 自动 图 2 水 井水位 图 2 0 、 ， 1 w r． a u t o a p p ly ． c o m i 自动化应用 注 Ⅳ为 投入 运行 水 泵的 台数 ； 日为实 时水 位 。 图 3 程 序流程图 实现水泵的轮换工作， 延长 了水泵的使用寿命 。 3 系统根据 电网负荷和供电部门所规定的平段 、 谷段 、 峰段供 电电价 时间段 ， 以“ 避峰填 谷” 原则确定 开 、 停水泵时间， 从而合理地利用电网信息 ， 提 高矿井 的 电网运行质量 。 4 P L C自动检测水位信号 ， 自动投入和退出水泵 运行台数， 合理地调度水泵运行 。 5 监控主机上动态监控水泵及其附属设备的运 行状况， 实时显示水位、 流量 、 压 力、 温度、 电流、 电压等 参数， 超限报警， 故障画面 自动弹出， 故障点 自动闪烁 。 具有故障记录， 历史数据查询等功能 。 6 系统具有通信接 口功能， P L C可与地面监测监 控主机通信， 传送数据， 交换信息， 实现遥测遥控功能。 7 系统保 护功能有 以下几种 。 超温保护 水泵 长 期运行 ， 当 轴承 温度 或 定子 温度 超 出允 许值 时， 利用温度保护装置及P L C 实现超限报警；流量保护 当 水 泵起 动 后 或 正 常 运行 时 ， 如 流量 达 不 到 正常 值 ， 利 用 流量保 护 装置 使本 台水 泵 停车 ， 自动 转换 为起动另一台水泵； 电动机故 障 利用P L C及触摸屏 监视水 泵 电机 过 电流 、 漏 电 、 低 电压 等 电气 故障， 并 参与控制； 电动闸阀故障 由电动机综保监视闸阀 电机 的过 载 、 短 路 、 漏 电 、 断 相等 故障 ， 并参 与水泵 的联 锁控 制 。 8 系统控制具有 自动和手动检修2 种工作方式。 自 下转第 2 2页 系 统 解 决 方 案 图 2 柳 钢冷轧 AGC控 制系统总体结构 图 机架的出 口厚度值， 通过与实测厚度值进行 比较而获 得需要调节的参数值， 从而达到准确控制出 口厚度偏 差的目的。 柳钢 冷轧轧机区域分别在第一、 二机架出口 安装 了激光测速仪， 用于检测带钢线速度， 形成速度反 馈， 信号传送给AGC系统 。 3 台测厚仪分别安装于第一 机架前后及第五机架后 ， 用于实时检测运行 中的带钢 厚度值， 并与AG C系统实时通信。 2 ． 2 厚度控制系统的数据通信 轧制前， 首先在过程计算机 L 2 中对各种与厚度 相关的工艺参数进行预设定， 然后通 过以太 网送到基 础 自动化系统 L 1 ， 控制模型和设备动作时序控制都 在基础 自动化系统 内实现， 基础 自动化系统里用到的 P L C 采用意大利安萨尔多的A MS A S I R o b i c o n Mi c r o p r o ． c e s s o r S y s t e m 控制器， 这是一种可实现高级算法控制、 闭环控制、 高性能多C P U的P L C， 用户可以使用梯形图、 功能块图和顺序功能图等多种 手段进行编程 。 厚度控制系统通过P r o fi b u s D P 网与传动装置进行 数据通信。 要达到良好的厚度控 制精度， 轧机就必须保 持 良好 的速度及张力的稳定性 。 柳钢冷轧 的轧机主传 动采用A B B 的DC S 8 0 0 系列直流调速系统。 在控制方式 上， 轧机为速度控制， 给整个轧机提供稳定的线速度基 准。 开卷 机和卷取机为恒张力控制。 3 厚度控制系统的调试 在柳钢冷轧进行热负荷试车之前 ， 对AGC 系统输 出量加一个限幅环节 以保证机械设备的安全可靠， 在 能够保 证带钢厚度控制精 度的前提下对 测厚 仪反馈 回来的带钢厚度偏差值适当加入一个死 区以防止AG C 系统过于灵敏 ， 频繁动作而对液压 高压 系统造成频繁 冲击， 同时也避免了测厚仪在受到干扰的情况下， 发送 异常带钢厚度值对系统造成冲击 。 由于冷 L AG C系统配套的液压系统是高压 系统， AGC 本身也要求液压系统有较快的响应性， 信号跟随 性能要求很强， 只允许有微小 的滞后。 在对A GC 位置闭 环控制系统的调试时确保系统响应较快， 过渡过程短； 响应基本无超调量， 跟随性能好； 跟随后， 系统无振荡 现象 ， 系统稳定。 在 热负荷试车过程 中， 发现AGC系统对带钢厚度 控制的效果还不够理想， 主要是系统响应不够快速， 跟 随性能不够好， 存在动作滞后 现象， 不能满足冷轧高速 轧制的要求。 于是AG C 调节器做了进一步精调 。 经过参 数优化后， 柳钢 l 5 5 0 mm带钢厚度控制系统的应用效果 很明显， 带钢厚度 问题得到了大幅度改善 。 实测带钢厚 度接近 目标厚度 ， 达 到了预 期的设 计要求 。 4结语 柳钢1 5 5 0 ra m冷, L A G C 系统从建立数学模型开始， 根 据现场实际条件 ， 综合考虑影响冷轧带钢厚度波动的多 个因素， 设计 出带钢厚度控制系统 。 经过现场安装、 调试 以及一段时间的生产试运行， 目前对已生产出各种规格 的带钢厚度进行厚度测量， 经验收测试， 各种指标均达到 设计要求。 产品的精度和质量控制效果比较明显。 上接第 2 0页 动时， E h P L C 检测水位 、 压力及有关信号， 自动完成各泵 组运行， 不需人工参与； 手动检修方式为故障检修和手 动试车时使用， 当某台水泵及其附属设备发生故障时， 该 泵组将 自动退 出运行， 不影响其它泵组正常运行 。 P L C柜上设有该泵的禁止起动按钮， 设备检修 时， 可防 止其他人 员误操作， 以保证 系统安全可靠 。 9 系统 可 方便 地 与矿 井其 他监 控 系统 互联 。 预 留足 够 的 升级 接 口， 能 很 容 易地 接 入 排 风 系 统 监 控 、 瓦斯 报 警 系统 监控 、 视 频 系统 监 控 等 。 5结论 该设计方案已在北宿煤矿 中央 泵房实施应用， 就 2 2 i w r ．a u t o a p p ly ．c o r n i自动化应用 运行 情况来看， 该 系统运行稳定正常 ， 实现 了对矿井 主排水系统 的全 自动控制， 节省 了人力 资源， 达到 了 避峰 填谷节能的 目的 ， 符合矿井信息化 、 自动化建设 要求， 具 有一定 的推广 应用价值 。 参考文 献 [ 1 ]李泽松． 井下水泵房 自动排水系统研究[ D】 ． 太原 太原 理 工大学． 2 0 0 5 【 2 J刘善增． P L C 控制系统的可靠性设计【 J 1 ． 工业控制计算 机 ， 2 0 0 4， 0 7 [ 3 】王孝颖， 张丰敏， 张学松． P L C在煤矿井下主排水控制系 统中的应用[ J 1 ． 中国煤炭， 2 0 0 2 ， 0 8