基于PLC控制的矿井排水系统研究.pdf

Co a l mi n i n g t e c h n ol o g y 基于P L C 控制的矿井排水系统研究 黄 玉斌 国投新集集团口孜东矿。安徽 阜阳 2 3 6 0 0 0 【 摘要 】 从系统组成、功能和程序设计三个方面介绍了一种 基 于 P L C的的煤矿主排水泵 自动控常 j 系统。该 系统由机械设备层 、 以 P L C 为核 心的控 制及通讯管理层和地 面监控 主站层 三个层次组 成，具有控制、远程通讯、监控及保护功能。 【 关键词 】 煤矿 ； 排水泵； 控制 系 统 引言 在煤矿矿井建设和生产过程 中，随时都有各种来源 的水涌入矿 井 。矿井排水设备不仅要排 除各 时期涌入矿井 的水 ，而且在遭 到突 然涌水的袭击有可能淹没矿井的情况下，还要抢险排水。因此，排 水设备是煤矿建 设和 生产 中不可缺 少的，排水泵的安全 可靠运 行对 保证矿井安全生产起着非常重要的作用 。 目前 ，许 多矿井 下主排 水系统还采用人工控制，水泵的开停及 选择切换均人 工完成 ，完全 依赖于工人的责任心，也预测不 了水位 的增长速度，做不到根据水位和其他参数在用 电的峰谷期 自动开停 水泵 ，这将严 重影响煤矿 自动化管理水平和经济效益 ，同时也容易 由于人 为因素造 成安全 隐患。 1控制系统的组成 整个 系统 由机械 设备层 、以 P L C 为核心的控制及通讯管理层和 地面监控主站层三个 层次组成。 1 ． 1机械设备层 煤矿排水系统主要设备包括电机、水泵、吸水管道、 排水管道、 管道 阀门等 。该 自动控制系统是基 于原煤矿排水 系统 的设计 ，只需 在原有排水系统设备 的基础上进行 部分 改动。除在 电机 、水泵 和管 道上做部分机械结构 的改动 以满足 传感器 的安装需要外，主要 是对 原有排水 阀门、注水 阀门更换 为电动可控 阀门；加装 为水泵注水的 射流泵或为泵抽真 空用 的真空泵以满足 水泵启动的需要 。为保证安 全性，防止 自 动控制系统出现故障时不能正常启动泵组排水，不破 坏原排水系统结构形式，保留原始人工操作方式。 I ． 2控制及通讯管理层 由 P L C和触摸屏组成 的数据采集终端及数据处理系统、电控设 备、 数据交换设备、 信号采集装置等组成。 P L C负责完成信号处理、 逻辑判 断、故障诊断和参数记忆等功能 。通过数据采集模块采集水 位信 号决定泵是否开启以及开启台数，然后根据选择 的控制方式按 流程 启动泵组，此时数据采集模块将采集供 电电源 、电机 、水泵 的 各项 参数，如检 测开关的带 电状态、 电机定子温度 、轴承温度 、 泵出水 口压力 、主排水管流量 、水泵前后轴温度等 。各参数将在触 摸屏上显示，并且通过数据交换设备传输到地面监控主站 。控制原 理如 图 1所示。 1 趣声浪液位仪 冗余备用 1 ＼ l 突水检测信号． l - L ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． _J r _1 1 电机、水囊轴季温度信号 l L 。 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 。 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 一 J 。 。 。 。 。。 。 。 。。 。 _ ‘ ’ -。 。 。 。 。。 。 。 。 。。 _ _ ● ●。 。 。 。 一 『 进出口压力信号。 f 【 ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． _ 。 -_ _ _ _ ● _ - 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 _ ● _ 。 - 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ● _ 一 I 管道毓置信号 1 3 3 8 I 华东科技 图 1水泵自动控制系统原理图 1 ． 3地面监控主站层 主要由工控机、监控组态软件、工业电视监控系统等组成，通 过光缆与井下 P L C 、防爆型网络摄像机连接。工控机通过组态软件 可以实时显示 由井下 P L C采集并传输的主排水泵的运行参数，并存 储相关记录，操作人员也只需在地面生产指挥中心采用 鼠标操作 ， 就可 以实现对各泵组的控制 ；工业 电视和硬盘录像机可实时显示、 记录井下状况 。 2 系统功能 2 ． 1 控制功能 系统设有手动、半 自动和 自动 3种控制方式。手动控制 方式通 过就地控制箱 实现 ，操作方法与原来人 工控制流程相 同，即开泵 时先注 水，泵 体灌满 水后或用真 空泵将泵 体抽 成一定真空度后，启 动电机 ，然 后逐渐 打开排 水阀门，泵组正常工作排水；停泵时先关 排水 阀门，再停电机 。该方式主要用于初期调试和检修时的就地控 制。半 自动控制方式主要是 由人工选择要开启的泵 以及泵的台数 ， 开泵、停泵按P L C设定程序 自 动完成，主要用于满足矿方特殊控制 要求 。自动控制方式完全 以 P L C设定程序 自动执行一系列操 作，完 成排水工作，不需要人为干涉，为正常投入使用后的常用模式。 2 ． 2远程通讯及监控 功能 通过光缆 以及相应信号交换设备 ， 将井下 P L C 与井上 工控机 相连 ，采用 W I N C C 自动化监控软件建立综合 自动化 网络平台 ，可 实 现远程 自动 、半 自动控制 ，实时显示 、记录各泵组运 行情 况和相 关 参数 ， 支持历史数据查询。井下还可装设防爆型网络摄像机 ，通 过 光纤将 图像传送到地面系统 ，地面调度 中心通过硬盘 录像机将 画面 发送到地面工业 电视上 。 2 ． 3保护功能 系统 具有故 障 自诊 断功能，对供 电电压 、 电机电流、电机轴承 温度、电机定子温度、水泵前后轴承温度、进出口压力等各项参数 均有监测 。当某项参数异常或超 出设定值 时，P L C判断故障并报警， 同时停止故障泵组运行，有效保护电机和水泵 ，有利于故障 的及时 排除。 ‘ 3控制 系统程序设计 控制系 统程序 的设计 主要基 于控制 要求和 具体控 制方案 的实 现 本系统程 序设计包括 P L C程 序设计和组态软件程序设计两大部 分 。 3 ． 1 P L C程序设计 P L C程序设计采用 S T E P 7软件编制 。S T E P 7软件是用 于西 门 子 s 7 3 0 0 ／ 4 0 0型 P L C创建可编程逻 辑程序 的标准软件 ，可使用梯 形逻辑 图、功能块 图和语句表进行程序编制 。s 7 系列 P L C包括 一 个供 电单元 、一个 C P U ， 以及输入和输 出模块 I ／ O模块 。P L C 应 用 S T E P 7软件编制的 s 7程序监视控制整个系统，并通过地址寻址 寻找 I ／ O模块，实现数据的输入输出。 P L C编制程序时首先作硬件组态 其主要任 务就是在 S T E P 7中 生成一个与实际硬件系统完全相同的系统， 生成网络、 网络中各个站 的机架和模块， 以及设置各硬件组成部分的参数， 即给参数赋值。硬 件组态确定 了输入／ 输 出变量 的地址 ， 为编制顺 序控制程序打下了基 础 。 用梯形图在 S T E P 7中进行顺序控制程序编程。P L C上电起动 后首先执行 内部初始化， 然后根据手动 、半 自动 、自动控制的方式选 择 ，进入 相应的程序流程 整个程序主要包括运行前水位和供 电状 态检 测、正常启停泵组、运行中参数检测和故障报警、故障停泵等 模块，程序流程如图 2所示。S T E P 7软件通过建立在线连接下载 程 序到 P L C 以对编制好的程序进 行调试， 可实现程序的运行状态 监视、强制性数据变更和输入输出信号的强制开／ 关等。 下转第 3 3 0页 Co a l mi n i n g t e c h n o l o g y 凤 l 焉氇 器 鲁 班 摩 哥 褂 暮 錾祢 咖 L 3 井口 m 囊 罾 nH 毫 O O 意囱 遒 乐 属井 2 酊 幕 井赢 率靖 Ⅷ埔 e l戚韩呲 ， 1 3 博寅 彝， 膨事 帆道 } 2 赫 t ， d 0 2 5 随 e “ l 靖 埔节 上] t 咖平暮 B 4 0 摩冀董 孵幕噜 ∞轨蕾 裤 媾牲 曲 畿≈ 呻o 。 素巷缸 精摹 石n 2 3 2 口 ∞ 椭 q0 q 推水矗 孪鞠 节 麻 薯惝 蒜档啦鼽渣下 口 l J 下 m 幕 】 l 夺期慕 - 啦 绁下 山 0 t 舭 蒜置小 湖幕变电 所 l看 碉节 非常台 库 埘 蔫调节 砒 I 并 宥 啊节 ∞ 且谴 m 星a 0 O岳 5 喇 ≠ 嚣瑚0 嚣 _蚺- ； 娅头 墉节 5 结果分 析 一 9 2 0 m 水 点一条线 通风总阻力为2 3 4 P ． ，应用调节增阻 。 东翼一 8 0 0 m排水 点一条线 通风 总阻力 为 2 1 7 P ， 应用调节增阻 北翼一 8 0 0 m泵房 一条线 通风 总阻力为 3 2 3 P 。 北 翼一 7 4 0 m变 电所一条线 通 风总阻力为 3 2 2 P ， 应用调节增阻 。 从以上结果进行分析可以看出，北翼所有采掘头面均封闭，用 风量 小，最远端井巷通风总阻力为 3 2 3 P ，必要时可在泵房回风道保 留原调节风 门。控制风量 ，以保证其它地点用风 。东翼最远点一 9 2 0 m 排水点一条线通风 总阻力为 2 3 4 P 。 矿 井通风阻力h 3 2 3 P 矿 井总排 风量Q 2 2 8 0 m 3 ／ m i n 矿 井总风阻 R h ／ g 3 2 3 ／ 2 2 8 0 ／ 6 0 O ． 2 2 K g ／ m 等积孔 A I ． 1 9 XQ ／ v r 1 ． 1 9X 2 2 8 0 ----2 ． 5 1 m 丽 6 结论 东风井主要通风机停止运行后 ，经通风员现场测定，井下各泵 房 、排水 点、变 电所 、绞车房和各通风行人巷道风量均满足规 定要 求 ，东风井风需要风量为2 1 1 O m 3 ／ m i n ，实际进风量2 9 9 6 ／ m i n ，总 排 风量 为3 0 3 8 m ／ m i n ，风量满足要求 ，达到 了预期 的目标 。 参 考文献 [ 1 ] 张国枢， 杨运良， 谭允桢． 通风安全学．徐州 中国矿业大学出版社， 2 0 0 0 ． [ 2 】 国家煤矿安全监察局． 煤矿安全规程． 北京 煤炭 工业出版社 ， 2 0 1 1 ． 作者简介 郭昌松 1 9 7 9 一 ，男 ，贵州赫 章人，2 0 0 5 年毕业于贵 州大学矿业工 程学院，助理工程师 ，学士学位 ，从事煤矿 一通三 防技术管理工作 。 上接第 3 3 5页 图2案例6 示意图 救护小队迅速进入， 当走到上山[ 3 B 点， 正准备往上山眼侦察时， 发生了局部瓦斯爆炸， 而此时B 点人员全部在内帮高台阶处， 免受冲 击波 的伤 害， 而A 点风机 处人员 当场死亡 ， 掘进工作 面和回风巷未掘 透的部分因爆炸而破开， 在c 点处的几名维修工受伤。 这次事故主要是 因为停止局扇风机运转 ， 造 成瓦斯积聚 ， 引发爆 炸。此矿为高沼气矿井， 此头为急倾斜上山掘进头， 且事故发生后停 止了局扇运转， 加上头上无待救之人， 救护 队不应 冒险进 入。 3结束语 矿井五大 自然灾害猛于虎 ，而其 中矿井 瓦斯 和火 灾又为五大 自 然灾害之首，时时刻刻威胁着矿井的安全生产；防范胜于救灾，我 们只有从思想上高度重视 ，坚持预 防为主的原则，在 发现任 何事故 隐患后必须在行动上采取得力措施，才能杜绝矿井瓦斯和火灾事故 的发生 。 参考文献 【 1 】 吴中立． 矿井通风与安全【 M】 ．徐州中国矿业大学出版． 1 9 9 6 ． 【2 】 王省身， 张国枢． 矿井火灾防治[ M] ． 徐州中国矿业大学出版． 1 9 9 6 ． 作者简介 童瑞， 1 9 7 7 年1 0 月出生， 现任国投新集集团刘庄煤矿综掘八队队长。 上接第 3 3 8页 图 2程序控 制流程图 3 ． 2组态软件程序设计 组态软件编程主要用于生成人机交互界面 ， 以便进行实时监控 。 本系统应用西 门子公司 的 W I N C C自动化监控软件进行程序设计 ，可 以生成标准化输入／ 输出域、棒图、趋势图、光栅和矢量图，且具有 动态性能的属性， 可进行便捷的过程可视化， 并提供集成的消息和报 警系统 。 编制的人机界面主要有控制画面、参数显示画面及故障报警记 3 3 0 I 华东科技 录等状态信息 ，编程框图如图 3所示。操作员可通过触摸屏进行系 统 的控制方式选择 以及各项 检测 参数的显示，实现 了整个控制过程 的可视 化。并且可以通过通讯同步到地面上位机 ，实现远程控制与 监测 。 图3组态软件编程框图 参考 文献 [ 1 ] 陈远立．电气控制与可编程控制器 [ M ] ．广州 华南理工大 学 出版社 ，2 0 0 4 ． [ 2 ] 乔东凯． P L C 和变频器在电气控制系统中的应用 [ T ] ． 矿山机 械 ，2 0 0 9 2 ． [ 3 ] 胡奇芸， 于岩， 于卉． 基于带式输送机电控系统设计及应用『 1 ] ． 矿山机械 ，2 0 0 9 3． 作者 简介 黄玉斌，男，1 9 7 6 年生，1 9 9 5 年毕业于安徽省电子工业学校。