基于PLC技术的矿井智能排水系统研究.pdf

2 0 1 5年第 1 0 期 总第 1 2 1 期 i { I占 键 E N E R G Y A N D E N E R G Y C O N S E R V A T 1 0 N 2 0 1 5 年 1 0月 髓嚣￡ ￡ ≈％ ； 嚣≮￡ ％≈ ％； 瓤 粒 赫 糍 l嚣 驻 菇 ；嚣 蟹 瓣 ￡菇 蕊 誊 基于 P L C技术的矿井智能排水系统研究 毛 化 文 同煤 浙能麻 家梁煤 业有 限公 司，山西 朔州 0 3 6 0 0 2 摘 要 结合 国 内煤矿 井下 自动排 水 系统现状 ，给 出了一种适 用于 国内矿井的 井下智 能排 水 系统结构 ，将传统继 电器 操作方案用可编程逻辑控制器 P L C 代替，给出基于P L C 技术的系统方案设计。 关键词 可编程逻辑控制 ；感应式水位传感器 ；电量测量模块 ；数据通信 中图分类号 T D 6 3 6 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 0 8 0 2 一 2 0 1 5 1 0 0 0 0 5 0 2 Re s e a r c h o n M i ne I n t e l l i g e n t Dr a i n a g e Sy s t e m Ba s e d o n PLC Te c h no l o g y MAO Hu a we n M a j ia l i a n g C o a l I n d u s t r y C o ． ， L t d ． o f Z h e n e n g ， D a t o n g Co a l Mi n e Gr o u p ， S h u o z h o u 0 3 6 0 0 2 ， S h a n x i ， C h i n a Ab s t r a c t C o mb i n e d wi t h d o me s t i c c u r r e n t s i t u a t i o n o f c o a l mi n e d r a i n a g e s y s t e m,t h i s p a p e r p r e s e n t e d a n a p p l i c a b l e i n t e l l i g e n t d r a i n a g e s y s t e m s t r u c t u r e u s e d i n d o me s t i c u n d e r g r o u n d mi n e ，i n w h i c h t r a d i t i o n a l r e l a y o p e r a t i o n s c h e me wa s r e p l a c e d b y p r o g r a m ma b l e l o g i c c o n t r o l l e r P L C ， g i v e n s y s t e m d e s i g n b a s e d o n P L C t e c h n o l o g y ． Ke y wo r d s p r o gra mma b l e l o g i c c o n t r o l ；i n d u c t i o n t y p e w a t e r l e v e l s e n s o r ；p o we r me a s u r e me n t mo d u l e；d a t a c o mmu n i c a t i o n 0 引言 煤炭是中国重要 的能源资源 ，煤矿井下工作状况 与人身安全有密切关 系，透水事故一直是制约矿井安 全生产的重要 因素 ，由此带来 的设备财产损失和人员 伤亡非常严重 。如果煤矿井下排水不顺畅 ，造成矿井 涌 出水无法清除 ，从而引起水灾事故 ，严重时会造成 人身伤亡及损坏设备甚至引起矿井坍塌事故『 】 ] 。针对 矿井水位监测技术领域 ，国内仍处 于摸索时期 ，应用 技术检测精度不高，运行可靠性差【2_ 3 】。因此设计一个 煤矿井下智能排水控制系统具有重要意义 ，要求该系 统能够实时跟踪矿井涌出水速度变化 ，并迅速将井下 积水排除。将数字感应式传感器引人井下水位实时测 量 中，将各个水泵电动机的电量数据实时传送给P L C， 以此来判断相应 电机工作状态是否正常 ，达到故障预 警与快速检修的 目的。 1 用于矿井排水水泵 系统 的电动机 工作原 理 如今 国内用于井下排水 的水泵主要选用离心式来 承担主排水功能 ，对整个排水系统控制而言 ，关键就 收稿 日期 2 0 1 5 0 7 2 0 基 金项 目湖南省 自然科学基金项 目 0 9 J J 6 0 9 7 作 者简介 毛化 文，1 9 8 6 年生 ，男 ，山西定 襄人 ，2 0 1 0 年 毕业 于太原科技大学煤矿机电专业，助理工程师。 是对离心式水泵状态 的在线监测 。和其它类型水泵相 比，离心式水泵启动 、停机两个过程均 比较复杂 。当 出现启停控制程序不是依照规定流程执行时，会导致 离心水泵不能够正常启动 ，甚至会烧坏拖动 电机。为 有效控制对离心水泵 ，首先给出一般性工作原理及控 制过程 。 1 ． 1 离心水泵启动过程 利用水位传感器实时检测现场水位高度 ，将该水 位数据传送给中央处理单元 P L C ，并且和系统设定 的排水阀值高度进行比较，以此来判定启动排水水泵 的条件 ，若水仓水位超过规定阀值高度 ，可编程逻辑 控制器P L C 将用于射流泵控制的电磁 阀线圈接通 ，在 启动射流泵的基础上 ，对离心式水泵实施注水。通过 射流泵 的作用 ，离心式水泵人 口真空率会增大 ，在大 气压作用下 ，配水井 中的水注入离心水泵腔体并将其 注满 。此时离心水泵入 口真空率 因为增大到一定而停 止增加 ，离心水泵人 口真空传感器将检测到的信号反 馈给中央处理器 ，在人 口真空率达到预先设定的阀值 时 ，通过反馈信号来判定是否应该接通拖动水泵组 的 电动机常开触点 ，常开触点的接通是通过继 电器 和接 触器来完成的。在 电机启动过程 中，离心水泵出口处 压力会不断增加，但在到达某一峰值后停止增加。利 用压力传感器及变送器将该压力峰值反馈给中央控制 器P L C 。比较该反馈值和规定阀值，若达到规定条件， 启动水泵 出口电动 闸阀 ，实 现离心水泵组 的排 水功 5 2 0 1 5 年 第1 0 期 缸i { 【 与 钍 2 0 1 5 年1 O 月 能 。同时 ，将用于为水泵 引水的射流泵关闭 。在水泵 正常运行中 ，通过传感器与P L C 配合监控水泵机组运 行参数，包括离心水泵人口真空度率、拖动水泵的电 动机电流值、出口压力值、用于管道流量的计量值等 参数。 1 ． 2 离心水泵停止运行过程 井下仓位的水位度在排水水泵作用下不断下降， 同样利用P L C 和传感器配合，监测现场水位是否达到 规定值，此时关闭排水管电动闸阀，停止拖动水泵电 机工作。 2 用于矿井排水 系统 的整体设计 方案 如图l 所示 ，将可编程逻辑控制器P L C 作为核心控 制单元，P L C 输入信号分为模拟量和数字量，模拟量 水泵电机的开关状态 电动阀的开关状态 电磁 阀的开关状态 控制方式选择 电机的开关按钮输入 故障复位 急停 打印机 UP S 数 字 量 输 出 模 块 上 位 监 控 计 算 包括水仓水位高度、排水管水流量、电动机温度、水 泵转轴温度、水泵入水口真空率、出水 口 压力值；数 字量包含拖动水泵电动机 、排水管电动阀及射流泵电 磁阀相应开关状态量 、水泵控制方式选择开关量 、锁 定启动开关信号、紧急停止、故障复位信号；数字量 输出信号包含拖动水泵电动机、射流泵电磁阀开关信 号 、排水管电动 阀及警铃开关信号 。同时控制单元还 包含电量监测模块及与上位机连接的两个通信接 口。 仅利用其中一个通信接口，就能够实现传送水泵电动 机所有电气参数 ，该种设计方案因为减少 了模拟量输 人接 口数 目，从而降低了该模块的经济费用。另外 ， 系统还增加了与上位机连接的打印机，方便工作人员 打印历史数据及参数分析 。弓 『 人U P S 电源 ，防止 因为 断电造成历史数据丢失。 电 量 监 测 模 块 通信模块 C P U模块 模拟量输入模块 数 字 量 输 出 模 块 图 1 矿井自动排水系统的结构框图 该系统方案的中心控制单元选用三菱公司F X Z N 系列P L C ，由于采用了模块化结构设计 ，各个功能模 块 可 以进行 多项 组合及功 能扩展 。其 主要 结构分为 P L C 中心处理器、扩展I ／ 0 接口模块、模拟量输入模块 及通信模块。利用通信模块和上位机进行人机交互。 3 自动排水 系统方案设计 3 ． 1 水仓水位的实时监测 本系统用于测量水仓水位状态变化的数字水位传 感器 ，测量精度达到1 c m，能够满足煤矿井下 自动排 水系统需求。设计应用程序过程中，将水仓水位分为 6 水泵电机的开关状态 电磁阀的开关状态 电动阎的开关状态 警铃开关控制 9 个水位点 ，即8 个 区段 ，其 中设置水仓 的底层为水位 点1 。实际应用中因为水位不会增加到第8 个区段因此 可以将水位点8 设置为极 限水位 ，警戒水位为水位点 7 。当检测到水位达到警戒值时，将启动所有水泵实 施排水；当检测到水位上升到极限值时，在全部功能 排水的基础上同时启动报警程序。上述水位点能够依 据水仓深度改变而更新设 置 ，P L C的数据寄存器存储 每个 区段长度 。若水仓水位达 到某个设定点 ，记录从 前一个水位点增加到当前水位点的时间，利用当前区 段长度和相应时间相除得到水位增加的平均速度 ，保 下转 1 4 4页 2 0 1 5 年 第1 0 期 缸； 夏 占 钍 2 0 1 5 年1 0 月 抽拉单元A 4 图 5 抽拉 单元 A 4 故障消除。 3 结语 一 旦出现多个伺服机故障后 ，就要根据C A N 传输 总线协议来判断故障，只要出现下面所有故障，就是 “ A 4 G 4 3 ”直流2 4 V电源模块没有2 4 V直流输 出 伺 服机1 8 一 A 3 E 1 7 1 故障；伺服机1 7 一 A 3 E 1 7 0 故障 ；伺服 机1 4 一 A 3 E 1 5 3 故障；伺服机1 2 一 A 2 E 2 5 1 故障；伺服机 1 1 - A 2 E 1 5 0 故障 ；伺服机 1 0 一 A 3 E 1 4 7 故障 ；伺服机 5 - A 3 E 1 4 2 故 障 ；伺 服 机4 一 A 3 E 1 4 1 故 障 ；伺 服 机 3 - A L E 1 4 0 故障；伺服机2 一 A 2 E 1 3 3 故障。 同 时 出 现“ A 2 E1 3 2 ” “ A 5 E 2 4 6 ” “ A 5 E 2 7 2 ” “A5 E2 7 3 ” “A5 E2 6 0 ” “ A5 E2 5 2 ” “ A6 E2 6 1 ” “ A 6 E 2 7 4 ” “ A 6 E 2 4 3 ” “ A 6 E 2 4 4 ” “ A 6 E 2 4 5 ”伺服 机故障，就是l 2 V 本安电源模块 “ A 4 G 1 ”没有l 2 V 直流电源输出。 出现其它多个伺 服机故 障 ，就要 根据C A N总线 图，逐步按照C AN 总线顺序拆除伺服器 ，拆除后 面伺 服器后前面伺服机故障消失，那么就是该伺服机后面 相邻的伺服机有问题。 责任编辑 高志凤 ●0● ● ●, c - ● ● ● ● ● ● ● ● ●0●o● ● ●0●0● ●o● 0● ●0●o● ●o● ● ●0●0●0●0●● o●0● ●0●0● ●0● 0● ● ●0● ● ●0● 上接 6页 存到P L C 数据寄存器中。据此能够得到所有由下到上 区段 的平均水位上升速度 ，该特征量能够反映井下涌 水状态变化。 3 ． 2 自适应避峰就谷功能 为降低能耗 ，需要考 虑供 电网络 “ 避 峰就谷 ” 。 与节能相比较而言 ，井 下安全生产具备更高的优先级 别 ，因此 当上述两个因素产生冲突后 ，需要首先考虑 水仓水位变化状态 。基于这样的核心思想 ，采用下述 控制逻辑 。若供 电质量属于 “ 谷段 ” “ 平段”时 ，且 井 下涌水位 于水位点5 ，需启动两 台主水泵排水 ；到 达水位点6 的情况，同时接通两台备用水泵，剩余的 一 台备用泵在矿井达到水位点7 时启用 ，上升到水位 点8 后 ，立即启动声光报警。若供电网络处于 “ 峰 段 ” ，被监测水仓水位达到水位点5 时，排水泵均不启 动；水位继续快速上升且达到水位点6 时 ，启动两台 工作泵，若水位上升比较缓慢，不启动排水泵；当达 到水位点7 时 ，无论水位上升速度快慢 ，均需要将两 台工作泵启动 ，此后水 位若继续上升 ，在原基础上启 动其中一台备用泵，如仍然无法满足设定的水位下降 要求 ， 需启用其它两台备用泵。如果井下涌水到达了 水位点8 ，迅速发出声光报警。当供电质量介于 “ 谷、 平 段”和 “ 峰段 ”间时 ，井下涌水只需达 到水位 点4 就将排水泵启用。 3 - 3 所有水泵间的轮换工作功能 水泵轮换工作软件程序，每个水泵都附带有两个 数据寄存器A 和B ，水泵运行时间放置在A 数据寄存器 中，水泵运行次数存放至B 数据寄存器中。每一次要 1 4 4 求启动水泵时 ，系统会智能识别水泵组中能够正常运 行且运行次数最好的水泵，将其确定为目标启动水 泵 ；如果 出现某两 台水泵运行 时间接近或相同情况 ， 历史累计运行次数较少 的那台水泵具有优先启动权 。 当水泵将井下水位排放至合格位置后，控制中心 自动 录入本次排水时间同时更新工作次数。对于某一 台水 泵连续工作情况，其工作时间不断上升，可能会导致 数据寄存器溢出，可以将所有寄存器的工作时间总数 减掉当前累计 的最少工作时间。如果某一台水泵运行 次数一直增加 ，同样将所有寄存器的运行次数均减掉 所有水泵 中最少的运行次数 。如果某一台水泵在运行 中发生故障 ，启 动立即停止功能 ，同时退 出轮换 程 序， 再次按照上述轮换原理启动剩余水泵。 4 结语 详细说明了基于P L C 技术的井下自动排水装置和 整体方案中的各个功能模块，在将水位分为8 个区段 的基础上 ，利用相应时间寄存器来监测水位变化及变 化速度。同时考虑供电系统 “ 避峰就谷”要求 ，提出 多种控制方式。 参考文献 [ 1 ] 许世华． 矿井水的来源及其防治措施[ J ] ． 矿业安全与环保 ， 2 0 0 2 ， 6 2 9 8 4 - 8 8 ． [ 2 ] 陈雄， 刘俊杰， 张震斌， 等． 矿井水资源化与生态环境安全 探讨[ J ] ． 安全与环境学报， 2 0 0 4 ， 4 S 6 5 6 8 ． [ 3 ] 桂祥友， 马云东， 王 文． 矿井水资源管理系统的研究[ J ] ． 辽 宁工程技术大学学报 ， 2 0 0 2 ， 2 1 4 4 6 6 4 6 8 ． 【 责任编辑 季鑫