井下泵房无人值守系统设计分析.pdf

2018 年第 10 期2018 年 10 月 0引言 泵房作为井下排水系统有效运行的关键核心，其 运行效率质量的高低对整个矿井运行综合效益的获得 影响显著。特别是随着矿井生产规模的不断扩大和机 械化程度的不断提升，借助 PLC （ 可编程逻辑控制器） 技术构建无人值守的现代化泵房控制系统，成为井下 泵房建设发展的必然趋势，同时这也是矿井实现长久 可持续发展的必然选择。 1泵房无人值守系统总体方案分析 井下泵房无人值守系统以 PLC 控制装置作为核心 处理装置，通过触摸显示屏对系统运行状态进行实时 展示并让作业人员对一些设备运行进行设定。在作业 时 PLC 会先对排水系统当前运行状态参数进行测定， 随后通过对所得数据的分析生成相应的操控指令，并 依据指令对电磁阀门、水泵等执行组件进行操控。图 1 所示为泵房无人值守系统整体设计示意图，其主要构 成包括控制柜、配电装置、传感装置和执行组件。其 中控制柜中配设有型号为 S7-300 的 PLC 控制器，其输 入与输出分别配有光耦隔离电路与继电隔离电路，可 有效确保系统运行的安全、稳定；配电装置主要由断 路装置、继电装置和接触器构成，功能为用于构造配 电回路；传感装置用于采集排水系统运行时的水压、 水量、机轴温度、液位等参数信息；执行组件主要囊 括电机、电动球阀和闸阀等[1-2]。 图 1泵房无人值守系统整体设计示意图 系统的作业模式包括自动、手动、检修维护和远程 操控四种模式，其中自动模式指 PLC 控制通过分析所 测得的运行参数信息，对排水系统中各设备的启闭等 进行操控；手动模式指作业人员在井下结合排水系统 运行状况自行操作；检修维护模式指针对系统各设备 开展独立测试，从而对其运行状态的正常与否进行判 定；远程操作模式指作业人员在地面调度室结合所采 集的排水系统运行参数下达指令，从而控制相关组件 的运行。 2系统设备选型分析 对于泵房无人值守系统而言，其主要构成设备包括 PLC 控制箱、电动闸阀、液位监测装置、温度监测装 置、流量监测装置、PLC 控制器等。 收稿日期2018-08-09 作者简介孟云飞，1982年生，男，山西怀仁人，2013年毕业于中 国矿业大学机械电子工程专业，助理工程师。 井下泵房无人值守系统设计分析 孟云飞 （ 山西西山晋兴斜沟煤矿，山西 兴县 033600 ） 摘要 基于PLC控制技术对井下泵房无人值守系统的总体方案设计和主要设备选型进行翔实论述，并在WINCC平台开 展系统软件的设计分析。所提方案能在确保排水系统运行有效性的同时实现井下泵房的无人值守，对于推动矿井的综合 效益提升意义重大，同样希望能为其他矿井相似工程的开展提供借鉴和参考。 关键词 矿井；泵房；无人值守；PLC；设计分析 中图分类号 TD744文献标识码 A文章编号 2095-0802-201810-0188-03 Design Analysis of Unmanned Monitoring System in Underground Pump Room MENG Yunfei Xiegou Coal Mine, Shanxi Xishan Jinxing Energy Co., Ltd., Xingxian 033600, Shanxi, China Abstract Based on PLC control technology, this paper elaborated on the overall scheme design and major equipment selection of the unmanned monitoring system in underground pump room and conducted the design analysis of system software on WINCC plat. The proposed scheme can ensure the operation efficiency of drainage system and realize the unattended operation of underground pump room, which is of great significance to promote the comprehensive benefits of mine, and it is also expected to provide reference for similar projects of other mines. Key words mine; pump room; unattended operation; PLC; design analysis （总第 157 期） 实践运用 超声波液位计 压力传感器 负压传感器 温度传感器 流量计 高压柜配电柜 电动闸阀电磁阀 水泵启停报警 开关量 输入输出 模拟量 输入 PLC 控制柜 触摸屏 交换机 通信 调度室交换机 矿井局域网 188 2018 年 10 月2018 年第 10 期 IO.输入输出 图 2系统控制程序逻辑流程图 a PLC 控制箱。该装置是泵房无人值守系统得以 有效运转的关键所在，其不仅能控制执行组件且兼具 压力、液位、流量等参数的采集功能，此外还能通过 以太网实行与上位机的数据互联。其主要构成组件包 括电源、PLC 控制器、继电装置、通讯设备等；b 电 动闸阀。该装置选用矿井专用的 ZB 系列，具备良好的 刚性和普适性，同时结构设计紧凑，使用周期长；c 液位监测装置。采用超声波液位感应装置，能在不接 触液面的情况下测定具体液位，有效避免检测头的堵 塞问题；d 温度监测装置。采用 PT110 型接触式温度 监测装置，温度测定范围为 -200 ℃800 ℃，检测响 应时间不超过 30 s；e 流量检测装置。选用电磁流量 计，构成组件包括电磁流量转换装置和感应装置，能 将监测所得流量信号转化为 4 mA～20 mA 的电流信 号，具备良好的测量精度和抗干扰性；f PLC 控制器。 采用 S7-300 型 PLC，其 CPU （ 中央处理器 ） 模块信号 为CPU315-2DP，具备大容量数据存储功能和程序设定 功能。同时借助 CP343-1 通讯模型实现同矿井工业以 太网的互联[3]。 3系统软件设计分析 泵房无人值守系统的配套软件均通过 WINCC （ 视 窗控制中心） 平台进行编程，其主要包括程序控制软 件、PLC 程序软件和无人值守软件。 3.1程序控制软件 根据系统设计方案与相关设备选型，构建相应的 控制逻辑程序。其中针对水泵启闭数量的控制依照 “避峰就谷”原则，针对系统运行设定 4 个水位限值， 分别设定为低水位值 H1、中水位值 H2、高水位值 H3和 极限水位值 H4，同时假设当前水位值为 h，则系统控制 程序逻辑流程图如图 2 所示。 运行时，射流泵与电动球阀应提前启动并待泵腔 真空度达到预设值后关闭射流泵，启动单击。同时射 流泵运行耗时应计入作业时长中，且一旦运行超时应 当立即停止水泵并发出预警信号。图 3 所示为水泵自 启动流程示意图。 此外在系统运行时，各监测装置应对系统运行的 各项参数进行实时监测，一旦发现运行参数的异常情 况应立即向作业人员发出警报并自行关闭水泵。同时， 在水泵关闭过程中为避免紧急停泵导致的过力矩现象， 应提前对程序中的水泵关闭用时进行设定，从而确保 水泵关闭作业的可靠性，延长设备使用周期[4-5]。 3.2PLC 程序软件 PLC 程序在运行时会先对泵房中的实时水文及输入 信号进行测定，并结合所选择作业毛事发出相应指令 控制水泵的启闭作业。当其处于自动模式时，水泵的 启闭会依据用电峰谷和液位实时高度进行自主控制， 图 4 所示即为 PLC 程序运行流程示意图。 3.3无人值守软件设计 图 5 所示为无人值守软件作业流程示意图，其构 成模块包括管理模块、实时运行模块、数据存储传输 模块、异常预警模块和数据查询模块等。 通过无人值守软件，作业人员能在地面调度中心， 依据泵号调用 开泵的程序 当前水位小于H1 根据泵号调用开泵 的程序 当前水位大于H1 调用停泵程序调用停泵程序调用停泵程序 当前水位小于H1 是否用电高峰时段 当前水位大于H3 当前水位大于H4 增投另一台水 泵程序 依据泵号进行 相应的操作 依据指示相应处理 开泵 根据均匀磨损确定 开泵序号 当前水位大于H2 自动运行手动状态 否否 否 是 是 是 是 是 否 否 否否 是是是 否 是 否 是 系统自检及门处理 模拟量、 IO处理程序 为高压柜通信 开始 读取操作泵号 图 3水泵自启动流程示意图 开始 启动射流泵 注水排气 真空度达到要求 关闭射流泵球阀 电机启动 水泵抽水 压力达到要求 开启电动闸阀 闸阀开启超时 开始排水 否 是 是 否 是 是 否 否 抽真空超时 声光报警 停泵 孟云飞 井下泵房无人值守系统设计分析 189 2018 年第 10 期2018 年 10 月 （上接 27 页） 5结语 提高煤矿瓦斯抽放技术水平是一项任重而道远的 工作，只有从国家到企业共同努力，才能全面提高煤 矿瓦斯的抽放量和抽放率，提高瓦斯的综合利用水平， 造福大众。围绕瓦斯抽放技术，有针对性地说明了瓦 斯抽放技术中存在的问题及其应对措施，以期为增强 瓦斯抽放效果开拓思路。 提高瓦斯抽放效果是一项系统性的工作，只有不 断探讨、研究瓦斯抽放技术，才能获得更好的瓦斯抽 放效果，增加其利用价值。这是一件利国利民的大事， 具有重大的现实意义。 参考文献 ［1］ 戚志虎， 周栓柱， 翟文杰， 等.高抽巷在五轮山煤矿瓦斯治理中 的应用 ［J］ .煤矿开采， 20156 105-107. ［2］ 谢雄刚， 车海云， 朱云仓.新安煤矿顺层钻孔预抽煤层瓦斯技 术参数研究 ［J］ .贵州大学学报自然科学版， 2012， 293 39- 43. ［3］ 王兆丰.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨 ［J］ .焦作 工学院学报自然科学版， 2003， 224 241-246. ［4］ 周连春， 邹旭. “V” 型瓦斯抽放技术在黄白茨矿的应用 ［J］ .水 力采煤与管道运输， 20133 30-32. ［5］ 高金江， 程章允， 张广磊.瓦斯综合防治措施在突出煤层沿空 掘进中的应用 ［J］ .中州煤炭， 20112 94-95. （ 责任编辑白洁 ） 图 4PLC 程序运行流程示意图 通过显示终端对排水系统运行的数据、模拟曲线等进 行实时查看，并对运行设备进行相应的远程调控。同 时设备运行设定参数的调控全部设定相应的权限功能， 只有管理技术人员成功输入登录密码后方能对排水系 统中各设备的运行参数调整设定，同时相关操作数据 会被系统自行记录以便于事后的安全检查。此外，程 序配套的软件预警功能可以高效识别系统运行的异常 之处，从而对相关故障进行有效预警[6-7]。 4结语 矿井排水系统运行的可靠、稳定是保证回采作业 安全性与持续性的关键要素，矿井管理者理应高度重视 相关问题，加强日常管理的同时，积极引入先进技术手 段，开展针对性的改良优化，从而构建现代化的泵房控 制系统，在确保排水系统运行情况良好的同时，实现泵 房的无人值守，实现企业综合效益的显著增加。 参考文献 ［1］ 贾建阁， 陈军辉.煤矿井下泵房无人值守及自动控制系统研究 ［J］ .内蒙古煤炭经济， 201721 8-9. ［2］ 梁坤， 司士军， 何世珍， 等.基于井下无人值守水泵房的安全预 警系统 ［J］ .煤矿机电， 20171 15-17. ［3］ 李春光.矿井排水系统自动化改造设计与应用 ［J］ .煤炭科技， 20161 74-76. ［4］ 秦宏， 于向东， 高明亮.矿井中央泵房自动监控系统设计 ［J］ . 煤矿现代化， 20154 95-97. ［5］ 韩静.煤矿井下主排水泵房的自动化控制 ［J］ .山东煤炭科技， 20151 147-148. ［6］ 王伟， 许爽， 苏玉.基于 PLC 的泵房自动化改造方案设计 ［J］ . 煤矿机械， 2014， 357 184-185. ［7］ 王章利， 原志坤， 吕继峰， 等.井下泵房自动化控制技术改造与 实践 ［J］ .煤矿机电， 20133 96-97. （ 责任编辑高志凤 ） 根据磨损程 序确定1台 开泵序号 根据磨损程 序确定2台 开泵序号起泵 根据磨损 程序确定 开泵序号 用电峰谷 低水位中水位高水位上限水位 液位判断上位机控制 停泵 设备解耦 独立控制 人工操作 人工模式检修模式远程模式自动模式 运行模式判断 系统自检、 看门狗程序 启动程序 系统启动 系统初始化 主界面模拟图显示 数据报表 实时数据 曲线显示 历史数据 曲线显示 历史数据 存储 用户登录 远控设备检修远控一键启泵、 停泵设置参数 OPC通信正常 是 否 报警 OPC.过程控制 图 5无人值守软件作业流程示意图 190