基于PLC的煤矿井下恒压供水测控系统研究.pdf

第 2 4卷 第 6期f 总第 1 1 2期1 V o 1 ．2 4 N o ． 6 S U M N o ． 1 1 2 机械管理开发 MECHANI CAI MANAGEMENT AND 2 0 0 9年 1 2月 DC C． 20 0 9 基于P L C的煤矿井下恒压供水测控系统研究 郝 启峰 晋城无炳煤矿业 集团有 限责任公 司 寺河煤矿机电科 ， 山西晋城0 4 8 2 0 5 【 摘要 】 在分析煤矿井下供 水系统特点的基础上 ， 设计 了基于 P L C的恒压供 水 系统。通过 P L C控制 变频 器实现 电机调速控制 采 用压 力传感器获取 系统水压信号 ， 并对系统流量 、 液位 等进行测量 ． ． 研究表明设计方案具有 节能和 可靠性 高的优点 【 关键词 】 恒压供水 ； 变频 器； 压力传 感器 【 中图分类号】 T P 7 7 3 【 文献标识码 】 A 【 文章 编号 】 1 0 0 3 7 7 3 X 2 0 0 9 0 6 0 0 3 4 0 3 0 引 言 大型煤矿采掘工作面单纯依靠静压水生产供水的 方式 往往不 能满 足生产 需要 。为 确保 生产 系统对 水压 的要求， 通常配套的水泵电机功率余量较大， 以备扬程 增加 要求 。 由供水 原理 可 知 ， 调 节供水 流 量 ， 原 则上 有 二种 方 法 ； 1 节 流调 节 开 大供 水 阀 ， 流 量 上 升 ； 关 小 供水阀， 流量下降 。2 调速调节 水泵转速升高 ， 供水 流量增加； 转速下降， 流量降低 。 采用传统节流方式造 成不 管水量需 求 大小 总是维 持水 泵最 高压 力 而形 成 不 必要的能量损失 ； 水泵长期高速运行 ， 易使轴承损坏， 影响 使用 寿命 采用 手T 操 作 ， 导 致调 节 滞 后 ， 自动化 程 度低 。 因此 进行 调速 技术 改造具 有重 要 意义 。 对 于地 面供水系统 ， 许 多学者对恒 压供水 系统及装 置进 行 了研究 。文献f 1 1 设计 了基 7 P L C 控 制的变频调 速 供水系统， 由P L C进行逻辑控制 ， 南变频器进行压力调 节 ， 通过P L C控制变 频 与1 二 频 切换 控制 ， 实 现闭环 调节 恒压 变量 供水【 1 运 行 结果表 明 ， 系统具 有 压力 恒定 、 结 构简单 、 可靠的优点。设计基于P L C的变频恒压变流量 供水系统， 能够根据管网压力 、 流量信号 自动调整水泵 的运行 状态 ， 实现 无级 压力 调 整 ； 同时 由于设 计 了控制 程序 ， 水 泵 可 以 自动启停 、 自动控 制运 行频 率， 真正 做 到 了用水 和供 水 的动态 平衡， 有效地 节约 了能源． 达 到供水 系统稳定和节能供水的目的。 采用可编程序控制器P L C 和交 流 电机 变频 调速 技 术，研 制 出全 自动 恒压 供 水 系 统 。应用表 明。 系统在节能 、 保 持水质 、 水压平 稳性 、 自动 化等方面， 大大优于传统的供水方式。 本文 采用 P L C 控制 变 频 器 ， 实 现煤 矿 井 下恒 压 供 水控 制 ； 采 用本安 型压 力传 感器 采集 供水 出 15压力 ， 本 安型投入式液位传感器采集水位信息，隔爆兼本安型 超声波流量传感器采集系统流量信息。数字P I D 控制 算法采用P L C实现 ， 对煤矿井下供水 系统进行 自动控 制 。 控 制 器采 用 S I E ME N S S 7 2 0 0 P L C C P U 2 2 6 D C D C R L Y ， 扩 展 了E M2 3 5 、 E M2 3 2模 块 ， 通过 A l l 3 采 集 系 统 压 力 、 水 位 、 流 量 信 息 ， D ／ A 输 出控 制 变 频 器 输 频 率 ， 调节 电机转 速达 到恒压 调 节 的控 制要 求 1变频调 速控 制 1 ． 1 变 频 恒 压 供 水 原 理 l 0 J 交流 电动机 的转 速 n6 0 1 5 ／ p ． 式 中 为定子供电频率 ； p 为极对数 ； S 为转差率 。从 上式知 ， 若均匀地改变定子供 电频率 ， 则可平滑地改变 电机 的同步转 速 。为 了保持 调速 时 电机 的最 大转 矩不 变 ， 需要 维持 磁通 恒定 。 这就 要求 定子 供 电电压 也要作 相应 调节 I 由流体力 学原 理知 ，水 泵供 水流 量与 电机转 速及 功率 的关 系 为 一 ．盟 一 r n l 、 2．旦 一 ， n l 、 3 0， 一n ，’H， 一 n ， ／’ 一 n 7 ／‘ 式中 Q 为供水流量 ； 为水泵扬程 ； P 为电动机轴功率 ； n 为电动机转速 。分析可知， 降低电动机转速能够节约 可观 的功 率 1 ． 2 变频 器的 组成 与工 作原理 变频 器 由主 电路 与控制 电路 组成 。主 电路将 工频 交流电变为频率和电压可调的三相交流电。其输入为 尺、 5 、 ， 输 出为 、 、 。主 电路包 括 整流 及滤 波 电路 ， 功能 为将 T频 交流 电整 为直 流 ， 并 滤波 。逆变 电路 ， 功 能 为将 直 流逆 变为频 率 和 电压 可测 的 相交 流 电。制 动 电阻和 制动 单元 。功 能为 产生 制动作 用 。控制 电路 包括 主 控制 板 ， 功 能 为变 频 器 的控 制 中心 ； 操 作 面板 、 包括 键 盘及 显 示屏 等 ； 电源 ， 控 制 电路 的 电源 。 由 内部 电源板 提 供 ； 外 部端 子 ， 包 括模 拟端 子 和接点端 子 。 变频 调速 主要有 保 持 厂 常 数 的 比例 控 制方式 ； 保持 M 常 数 的恒 磁 通控 制 方式 保持 常 数 的恒 功 率控 制方 式 。交一 直一 交变频 器 ，它将 交流 电先经 可 控 整流 器 或 其 它方 法 变成 幅值 可变 的 简称 V V 直 流 电压 ，然 后冉 将此 直流 电压 经逆 变器 变成频 率可 调 的 简称 V F 交 流输 。采 用斩 波 器或P WM方式 调压 ， 具有较高功率因数 装置元件数量较少 ， 元件利用率较 高 频率调节范围宽。 控 制变 频器输 m频率有 如 下几种 方法 由操作 面 板 上 的功能 键控 制频 率 ； 预 置操 作 由操作 面板 上 的功 能电位器控制频率 ；模拟量控制端子控制 。为构成闭 环 自动恒压 供水 系统 ． 故选 择 最后 一 一 种方 式 。 2 参 数监 测装 置 2 ． 1 本 安型 压 力传感 器 本 安 型压 力传感 器是 带显 示 的工 业用 压力 测量仪 器 ，主要用于煤矿井下管道中的流体压力测量 。传感 收稿日期 2 0 0 9 0 6 2 6 作者简介 郝启峰 1 9 7 2 一 ， 男， 山西晋城人 ， 工程师， 本科， 研究方向 煤矿设备管理 。 3 4 第 2 4卷第 6期 总第 1 1 2期1 郝 启峰 基 于P L C的煤矿 井下恒压供 水测控 系统研 究 2 0 0 9年 1 2月 器 的传感元件采用扩散硅压力传感器 ，精度高 、线性 好 。压力传感器通过压力敏感元件将压力值转换成电 平信号， 送人其信号放大电路 ， 传感器 中的单片机控制 单元将接收到的电信号处理转换 ，最终输出显示数据 和各种制式 的信号。该传感器靠外供l 8 ～ 2 4 V本安 电 源工作 ， 标 准两 线制 传感 器 ， 4 ～ 2 0 m A输 出。 2 ． 2超 声波流 量传 感 器 超声流量传感器是“ 速度差法” 为原理测量圆管 内 液体流量的仪表。 它采用了先进 的多脉冲技术 、 信号数 字化处理技术 、 纠错技术 ， 能够有效地抵抗来 自变频设 备 的干扰 、 电磁 场 的干 扰和 系统 流态 的干扰 。 插入式超声传感器 将探头直接插入管壁内。 带压 安装 无滴 漏 ， 测量 精度 高 、 运行 稳定 可靠 。实现 安装 不 停 产 、 运行 免 维护 。 外夹式超声传感器 非接触式管外测流 ， 将探头安 装在 管外 壁上 ， 就 可实 现对 流量 的测 量 。安 装不 停 产 ， 可 非常方 便 的更换 测 流点 。特别 适 用 于腐蚀 性 较强 的 液体流量测量 。 该传感器靠外供A C1 2 7 V电源工作 ， 标准两线制传 感器 ， 4 2 0 mA 输出。 可动态显示瞬时流量与累积流量。 2 - 3 本 安 型投入 式 液位 传 感器 投入式液位传感器采用不 锈钢隔离膜片敏 感元 件 ，将芯片装入一不锈钢壳体内。采用特制的防水通 气 电缆将 信号 引 出 。 传 感头 投入 被 测液 体 内 ， 电缆接 入 仪表 盒 。 由于 采用 特制 的 防水通 气 电缆 ， 使感 压膜 片 的 背压 腔 与大 气 良好 相通 ，测 量液 位不 受 外 界 大气 压 的 影 响 ， 测量 准 确 、 长期 稳 定 性好 ， 并 具 有优 良的密 封 和 防腐性能 ， 可直接投入水中长期使用 。 该传感器靠外供l 8 ～ 2 4 v本安电源工作 ，标准两 线制传感器 ， 4 2 0 mA 输出。 3 S I E ME NS P L C A／ D采集 与D／ A控 制 3 ． 1 S I E ME NS P L C控 制 器 系统 选用 本 安兼 隔爆 型P L C控 制 器，西 门子 公 司 S 7 2 0 0 型 P L C 为控 制 主机 ， 模 块 化结 构 ， 由 P L C 机 架 、 C P U、 数字量I ／ O、 模拟量输入 、 电源 、 通讯等模块构 成 。选用 的 C P U 2 2 6主 机输 入 和输 出点 数 为4 0点 ， 具 有 扩 展 能力 。 最 大 可扩 展 为2 4 8点 数字 量 ； H 3 5点 模 拟 量， 增加了通信 口的数量 ， 通信能力大大增强 。变频器 的 启 动 与 停 止 ，采 用 P L C 开 关 量 控 制 ；调 速 采 用 E M2 3 5 D ／ A输 控制 ， 信息采集采用E M2 3 5 ， 显示部分 采用 T P 1 7 1 。根据设定 的压力给定值 ，实际压力值经 E M2 3 5 A ／ D采集转换为数字信号。 获得偏差 、 偏差信号 经运算后 ，运算后的信号经E M2 3 5 D ／ A转换为模拟电 流信 号 ， 输 人到 变频 器模 拟控 制输 人端 ， 实现 自动 调节 电机转 速 ， 从 保 持 压力 恒定 。 3 ． 2 A ／ D信 息 采集 为适 应现 场控 制 的需 求 ， S I E ME N S S 7 2 0 0 P L C 扩 展了模 拟模块E M2 3 5 ， E M2 3 5 它有 1 2 位分辨率 、 4 路 模拟输入 ， 分别用于对水位信号 、 压力信号 、 流量信号 采集 。 在本系统 中， E M2 3 5 为单极性输人， 量程都取0 ～ 5 V， 相对应 的分辨率均为1 ． 2 5 mV。 水位传感器测量范围为0 ～ 5 IT I ， 输出信号为4 ～ 2 0 m A ， 对 应量化公式为 【 赢 4 4 1 6 ] x 5 输出 值 式 中 为输入到 A ／ D水位传感器数字量采集值。 压力传感器测量范围为0 1 0 MP a ， 输出信号为4 ～ 2 0 mA ． 对应 量 化公 式 为 x 4 4 1 6 ] 1 0输出值． 式中 y 为输入到 A ／ D压力传感器数字量采集值。 流量传感器测量范 围为0 ～ 3 0 0 m 3 ／ m i n ，输 出信号 为4 ～ 2 O m A， 对应 量化 公式 为 6- 6o o x 4 4 1 6 ] 3 0 0 输 出 值 式 中 为输入到A ／ D 流量传感器数字量采集值。 3 ． 3 D／ A调 速 控 制 E M2 3 5还有一个模拟输 出点。 电流输 出为0 ～ 2 0 mA． 数据字格式为0 ～ 3 2 0 0 0 ， 满量程分辨率为l l 位 ； 电压输 出为_ 1 0 V， 数据字格式为 3 2 0 0 0 ～ 3 2 0 0 ， 满量程分辨 率 为1 2位 。 变频器频率变化范 围 0 ～ 5 0 Hz ，对应电流信号为 4 ～ 2 0 mA ， 对应 量化 公式 为 [ ／ t 2 0 4 1 6 ] 5 0 设定值 H z ． 式 中 为输 出 tJ D ／ A口数字 量 值 ，可 对应 到 欲控 制 的 设定值 对应频率值 。 4结束 语 根据管网最大供水量进行压力设定 ，通过安装在 管道上 的本安压力传感器 ， 测出压力 的变化 通 过A ／ D 采集并量化 ，然后将压力值与给定压力比较。比较后 的结果经过量化后 ， 对应 到相应的控制频率 ， 通过D ／ A 转换为标准电流信号对变频器进行控制，实现水泵电 机 无 级调 速 。 工业 试验 证 明， 本 文 方案 具 有节 约 电 能 、 减少对设备的冲击 、 提高电网功率 因数等诸多优势 ， 对 煤矿安全高效生产具有重要意义。 参考文献 [ 1 ] 莫慧芳． P L C 在变频恒压供水 系统 的应用『 J ] ． 变频器世界， 2 0 0 7 5 8 0 - 8 3 ． 【 2 ] 何小于， 欧 阳雄． 基 于P L C 的变频恒压供水计算 机控 制系统 Ⅲ． 工业控制计算机， 2 0 0 7 ， 2 0 5 5 6 5 8 ． [ 3 】 贺玲芳． 基 j z p L C 控制 的全 自动变频恒压供水 系统f J ] ． 西安 科 技 学 院学 报 。 2 0 0 0 ， 2 0 3 2 4 3 2 4 5 ． [ 4 ] 王廷 才 ， 王伟． 变频器原理及应用[ M ] ． 北京 机械工业出版 社 。 2 0 0 8 下转 第 3 7页 35 第 2 4卷第 6期 总 第 1 1 2期 赵燕， 等 平 面机 构 自由度 计算中几个问题的探 讨 2 0 0 9年 1 2月 成 转动 副 ，倘若 有 两 个 以上 的构件 在 同一处 形成 多个 低副 ， 而转动副数 目小于 3 的时候 ， 则不能算作复合铰 链 。例 如 图 3中 ， 在转动 副 C 点处 ， 构件 2 和 3 之 间为移 动 副 ， 3 和 4之问 为转 动副 ， 3与5 之 间为 转动 副 ， 4 与 8 之 间为移动 副 ，即在 C点 共有 5个 构件 2 、 3 、 4 、 5 、 8形 成 了两个 转动副 、 两个移动 副 ， 共 4个 低副 ， 因此根 据复 合铰链 的定 义 ， 这 里并不存 在复合铰链 。 3 虚 约束 组成机构的各构件均需引入约束 。 当引入的约束对 机构中其他构件不产生约束作用时 ，即产生虚约束闭 。 自由度计算时， 学生对于两个常见题 目的虚约束处理都 均 存在 一些 问题 ， 下 面 来做 分 析 。 第 一 种 题 目见 图 4 ， 这 是 凸轮 一 连杆 组 合 机 构 ， 很 多学生认为在 D 点处存在 虚 约束 ，即他们认 为 ， D点 处 的 两个 滑 块 对 运 动 没 有 任何作用 ，就算没有滑块 ， 两 根 杆 1 与 2 还 是 正 常 运 动 ， 因此这个地方应该有虚约束 。但是实际上 ， 对D点 处 的两个滑块所引入 的约束数 目进行计算 ，两个滑块 共带来 6个 自由度 ， 两个移动副带来 4个约束 ， 一个 转动副带来 2个约束 ． 带来的总约束为 P’ 2 x 3 3 x 2 0 。通过计算看出， 虽然D处的两个滑块的引入对理想 运动没有影响 ， 但也不存在虚约束 。 第 二种 题 目见 图5 ， 这 是压 床 机 构 ， 活 动 构件 数Ⅳ 1 1 ， 低 副个 数 P L 1 7 ， 没有 高 副 ， 自 由度 为 F 3 x l 1 2 x l 7 一 1 根 据 自由度 可知 ， 该装 置 应为 一超 静定 的 刚性 构架 ， 然而该装置显然是1 个 自由度的机构。 因此 图5 示 机构 中必有虚约束存在 。一般认为在 E C D 以左 的构 件 组 均 属 于 虚 约 束 ． 可 直 接 将 这 一 部 分 去 掉 简 化成 成 图6 ，此 时 3 x 5 一 2 x 7 0 1 ．该 机 构 为 1 个 自由度 ， 满 足 机 构 有 确 定 运 动 的要 求 。 笔者 认 为上 述 观点 有 一 定 问题 首 先 将 E、 C、 D 以左 构件 组 ，当作 虚 约 束全部除去 ．理由不充 分 ，因为原 始 机构 并 不 是 一个 对称 机 构 ．更 不 是 以E， C， D为对 称 轴 的 对称机构 ，故全部 当作 虚约束来 除去不妥 其 图5压 床 简 图 图6压 床 简 图 次 ，将E， C， D 以左构件组一次性当作虚约束除去 ， 也 不符合书中所写列的产生虚约束 的其他 3种情况。此 时应 视 和 为带 入 虚 约束 的杆 ，这两 个 杆属 于用 双 转动副杆连接两运动构件上某两点之间的距离始终保 持不变 ， 从而机构 中存在两个虚约束 ， 机构 自由度应为 F 3 x l 1 一 2 x 1 7 0 - 2 1 。 4结束 语 在计算机构 自由度时 ， 要注意机构的结构 ； 具体问 题具体分析 ， 才能正确计算机构的 自由度 ， 从而进行机 构 的结 构分 析 。 参 考文 献 【 1 】 黄华梁 ， 彭文生． 机械设计基础【 M] ． 北京 高等教 育出版社 ， 1 9 96． [ 2 】 郑文纬 ， 吴克坚． 机械原理【 M】 ． 北京 高等教育出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 3 】 杨可桢 ， 程光蕴． 机械设计基础[ M】 ． 北京 高等教育 出版社 ， 2 0 03． 【 4 ] 徐锦康 ， 机械原理． 机械原理【 M】 ． 北京 机械 工业 出版社 ， 1 9 96． ． Di s c u s s i o n 0 n t he Ca l c u l a t i o n o f Pl a n e m e c h a ni s m M o v e m e n t ’ S Nu m be r ZH AO Yan． W ANG Kun ． LI S huo Au t o ma t i o n D e p a r t me n t 。 Hu o z h o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y W u c h a n g C a mp u s W u c h a n g 4 3 6 0 6 4 ， C h i n a [ Ab s t r a c t ] T h r e e q u e s t i o n s a r e c o n c e r n e d i n t h i s p a p e r t h e n u mb e r o f c o n s t r a i n t w h i c h i s i n t r o d u c e d b y k i n e ma t i c p a i r o f t h e p l a n e me c h a n i s m a d e fi n i t i o n a n a l y s i s f o r t h e c o mp o u n d h i n g e ； a d e fi n i t i o n a n a l y s i s f o r v i r t u a 1 c o n s t r a i n t ． B y d i s c u s s i n g t h e t h r e e q u e s t i o n s ． i t l a ys t he t he o r e t i c a l foun d a t i o n for t h e p l a n e -- me c h a ni s m c a l c ul a t i o n． a nd i t s c on s t r u c t i o n． f Ke y wo r d s] P l a n e -- me c h a n i s m；Mo v e me n t ’ S n u mb e r ；C o mp o u n d h i n g e；Vi r t u a l c o n s t r a i n t 已． 昱 要已 已 ● 曼． s ●s j s j 巳 三● 巳 三 点 L ￡ ● 已 ● 已 已 副 已 虽 L 副 三 要． ￡ ● 曼 上接 第 3 5页 Re s e a r c h o n Co ns t a n t Pr e s s ur e W a t e r Su pp l y M e a s u r e a n d Co n t r o l S y s t e m Ba s e d o n PLC i n Co a l M i ne HA O Qi - f e n g J i n c h e n g An t h r a c i t e Mi n i n g Gr o u p ， S i h e Co a l Mi n e ， J i n c h e n g 0 4 8 2 0 5 ， C h i n a A b s t r a c t T h e w a t e r s u p p l y s y s t e m i n c o a l m i n e w a s s t u d i e d i n t h i s p a p e r ． B a s e d o n t h e a n a l y s i s o f w a t e r s u p p l y n e t w o r k c h a r a c t e r i s t i c ， t h e c o a l mi n e c o n s t a n t p r e s s u r e w a t e r s u p p l y s y s t e m b a s e d o n P L C w a s d e s i g n e d ． T h e mo t o r s p e e d wa s c o n t r o l l e d b y i n v e r t e r s o n P L C， t h e wa t e r s p o u t p r e s s u r e i s me a s u r e d b y p r e s s u r e s e n s o r ，a n d t h e s y s t e m fl o w ，l i q u i d l e v e l s u c h a s i n f o r ma t i o n we r e me a s u r e d ． Re s e a r c h s h o ws t h a t t h e p r o g r a m h a s t h e a d v a n t a g e s o f e n e r g y c o n s e r v a t i o n a n d h i g h r e l i a b i l i t y ． [ Ke y w 0 r d s ] C 0 n s t a n t p r e s s u r e w a t e r s u p p l y ； I n v e r t e r s ； P r e s s u r e s e n s o r 37