矿井自动化排水的PLC实现(1).pdf

第 2 期 2 0 0 6年 4月 工 矿 自 动 化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n NO ． 2 AD r ． 2 0 0 6 文章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 o o 6 0 2 0 0 3 3 --0 3 矿井自动化排水的P L C实现 卢恩责， 赵冬梅 河北能源职业技术学院， 河北 唐山0 6 3 0 0 4 摘要 根据煤矿 井下排水泵的工作特点， 从 水泵运行状 态、 供 电系统、 排水管路、 水泵操作程序等几个方 面分析了矿井自 动化排水对控制系统的要求， 绘制了水仓水位随时间变化的曲线， 介绍了在采用 P L C实现 自动化排水控制时， 排水系统 中的各环节应向 P I C提供的信号和这些信号的取得方法， 介绍 了P L C控制系 统与原有手动排水控制 系统的衔接 。 关键词 矿井； 排水； 自动化； P L C 中图分 类号 T D 6 3 6 文 献标识 码 B 0 引言 近年来 ， 人们在矿井 自动化排水 也可称矿井无 人值守排水 方面的研究已取得了一定 的进展 。 特别 是在中、 小型涌水量较小的矿井 ， 用小规模的继电器 一 接触器控制系统就能实现水泵的 自动控制 ， 但对 水泵功率大 、 台数多、 有 限电等特殊要求 的大 型煤 矿， 若用继电器一接触器控制系统来实现井下 自动 排水的控制是不可想象也是不可能的， 而 P I C的出 现为矿井 自动化的实现开辟 了一条新的途径 。下面 以开滦范各庄煤矿井下 2 0 5泵房为例进行讨论。 1 控制系统的要求 开滦范各庄煤矿是一座年产 3 0 0万 t 原煤的新 型现代化矿井， 由于地址 条件 的原 因， 其涌水量较 大， 井下排水的可靠性一直是该 矿井 的安全生 产焦 点。特别是在 1 9 8 4年 6月 2日发生的世界罕见的 透水淹井事故后 ， 水患一直威胁着该矿的安全生产。 范各庄煤矿井下共有 6个排水泵房 ， 其 中 2 0 5泵房 是该矿最大 的泵房 ， 它担 任着 3 0 t ／ mi n的排水任 务 。 最大排水能力为 6 7 ． 5 t ／ mi n ， 因此提 出了对该泵 房乃至全矿井进行 自动化排水的设计课题。 1 ． 1 水泵运 行状 态对 控制 系统 的要 求 在该泵房中， 设有 1 3台 6 k V、 1 0 5 0 k W 的水 泵。 其 中4台工作 、 5台备用、 4台检修 。在实际运行 收稿 日期 2 0 0 5 1 2 1 9 作者简介 卢恩贵 1 9 6 3 ， 男 ， 河北丰 润人 ， 高级工 程师 ， 副教 授 ， 1 9 9 0年毕业于东北工 学院工业 电气 自动化专 业， 现从事 教学工 作 。 已发表论文 9篇 ， 已完成科研项 目 3项 。 中并不是把每台水泵的工作状态固定 ， 而是人为地 轮换启动运行， 减免 了备用水泵在启动前 的烘干程 序 ， 使 1 3台水泵都处于免受潮湿、 保证绝缘水平的 互为热备用状态 ， 同时还能保证水泵的均匀磨损 、 提 高水泵的利用率、 延长水泵的检修周期 。这就要求 控制系统 能够实现水泵工作状态 的 自动选 择和确 定 ， 利用 P L C的逻辑判断功能及时提供水泵的故障 信号 ， 根据水泵故 障信号的类 型决定水泵是否进入 检修 状态 。 1 ． 2 井下供 电系统和排水管路对控制 系统的要求 由于该泵房的排水量和 电动机功率均较大， 泵 房 由 5段 6 k V母线供电。为保证排水系统合理运 行和 6 k V母线的压降不致过大 ， 还要求 4趟管路中 的任意一趟 所接 的水 泵不能 超过 3台 同时运 转、 5段母线中的任意一段所接的水泵不能超过2台同 时运转。这就要求 自动控制系统要具备对主管路是 否启用 、 哪趟管路上的水泵排水阀门允许打开 、 哪条 母线上的水泵允许启动等的逻辑判断功能。 l _ 3 水 泵操 作程 序 对控 制 系统 的要 求 阻碍实现 自动化排水的一个重要因素是水泵的 启、 停操作 ， 不仅要有严格 的操 作程序 ， 同时还包含 着水泵司机的操作经验， 因此要求矿井 自动化排水 控制系统具有“ 智能” 控制功能。 1 ． 4 水泵运行 时 间和 水仓 水位 对控 制 系统 的要 求 自动实现“ 躲峰填谷” 将会给煤矿带来可观的经 济效益 。 这 就要 求 每天在 电价 比较 高 的 8O 0 ～ 1 2 O 0 和 1 8 O 0 ～2 3 O 0进行停泵限电， 而在其余 的时间内根据水位 的高低启动合 理的水泵台数， 启 泵时间间隔不小于 5 mi n ， 然后以递减的方式停泵， 水泵启动后的运转时间不小于 2 O mi n 。 目的是 以最 维普资讯 3 4 工矿 自动化 2 0 0 6年 4月 少的启泵次数和最少的经济投入完成排水任务 ， 使 限电停泵时水仓的水位回落到 3 5 0 mm。 据此笔者对该矿“ 2 0 5泵房运行 日志” 进行了统 计 ， 并提 出了自动化排水对控制系统的要求 ， 求得了 “ 手动系统水位变化曲线” ， 并设计计算 出“ 理想水位 变化曲线” 和“ 自动排水设计水位变化 曲线” ， 如 图 1 所示 。 0 O 0 0 警戒 1 2 水 0 位 0 0 0 0} 手 动 系 统 9 0 0 位变化 ． 8 0 0 娥／ 0 0 障 运转 捧才 启I 动 泵 泵 泵 2 备 1 3 8 8 ． 2 运转l 『 问 I限 电 时 间 0 I 2 3 4 5 6 7 8 9 1 01 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 71 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 小时i 8 9 1 0 1 1 1 21 3 1 4 1 5 1 61 7 1 81 9 2 0 2 1 2 2 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 点钟 图 1 水位变化曲线 2 自动化排水的 P L C实现 对于该控制系统 ， 必须采用先进的计算机控制 才能实现控制要求。由于P L C具有可靠性高、 耗电 量小、 编程简单和带载能力强等特点 ， 已成为目前最 为理想的控制装置。特别是它省去 了因接点数量不 够而增设的众多的中间继电器和繁琐的时间继电器 整定工作 ， 还具备多机联 网和易于实现 全矿井 的生 产调度 自动化等功能， 所以用 P I C实现矿井 自动化 排水有着广阔的前景。 2 ． 1 水位监 测和 保护 的 实现 水位监测和保护电路的功能是实时检测水仓 的 水位和 自动排水系统的启动 、 运行等工作状态， 根据 警戒水位 的到达和系统故障类型及时发出报警和实 施保护。由于 P L C的输入信号可以是开关量 、 数字 量和模拟量 ， 所 以水位检测装置的设计 比较简单， 有 多种型式 的传感器 可供选择 ， 只要满足煤矿井下工 作环境如防爆 、 防潮等特殊要求 ， 且具备工作安全可 靠 、 性能稳定 、 寿命 长、 价格低等特点 的传感器基本 都可作为水位检测装置。另外， 也可采用传统的浮 球 、 滑轮传导方式把水仓的水位引到泵房 ， 再转换成 电信号输送给 P L C， 同时便于人员观察。系统的保 护装置应具备 以下必要功能 1 若水仓水位在排水 阶段达到警戒水位 ， 这 是矿井涌水量突然增大的极危险情况 。自动排水系 统要发出紧急报警信号并向矿井调度 中心发送告急 指令 ， 同时 自动启动备用泵 。 2 若在限电阶段达到警戒水位 ， 自动排水系 统首先要发出较紧急连续提示报警信号， 同时启动 计时器 如设定 1 0 mi n等 ， 由司机或由控制 中心决 定是否提前启泵排水 。若司机或控制中心认为可以 等到限电结束后再启泵， 则可人为消除报警 ， 但这时 将启动 另一 个计 时器 如设 定 2 o rai n等 。若 在 2 0 m i n 以后所有的水泵仍处于停止状态， 将再次发 出提示报警信号； 若在提示报警信号发出后且在达 到整定时 间 1 0 mi n 前没有人为干预 ， 系统将 自动 提前启动水泵 ， 以保证矿井 的安全。 3 在启动 水泵期间， 若某 台水泵启动时间过 长或启动电流太大 ， 则可认为该水泵 出现故障， 应退 出“ 工作泵” 行列 ， 这时系统可发出一般故障报警信 号并 自动执行该泵 的停止程序 ， 同时记 录故 障水泵 以备检修； 系统还将 自动启动下一台水泵并把其 中 的一 台备用泵纳入工作泵行列 ， 保证矿井正常排水。 4 对水泵的运行状态实时监测。若水 泵在运 行 中出现电流、 压力异常等现象时， 可发 出故障报警 信号并使该水泵停运 ， 根据排水需要启动另外的水 泵 。 2 ． 2 管路和母线逻辑判断的实现 管路和母线的逻辑判断在于实现排水系统的经 济运行 ， 保证每段母线上 的电压降不致过大而影响 整个系统 的安 全和正常运转 。要实现这些 逻辑判 断， 需向 P L C提供各管路 总排水阀、 联络阀、 水泵 出 水 口阀门的工作状态信号 ， 提供各母 线上所接 电动 机 的工作状态信号； 然后 由 P L C计算每趟管路、 每 条母线上所运行水泵 的台数 ， 经逻辑运算后 向启泵 程序发出管路和母线是否还允许再占用的信号； 最 后执行启泵程序， 自动启动具备启动条件的水泵。 P L C完成逻辑运算所需 的信 号和提供信 号的 方式 1 对 于总排水 阀和联络 阀， 需 向 P L C提 供 “ 关闭到位” 和“ 打开到位” 两个信号 ， 以控制阀 门电 动机 的启动和停止， 同时作为逻辑运算的条件 ； 2 对 于水 泵 的出水 口阀门， 需 向 P L C提 供 “ 关闭到位” 、 “ 打开到位” 和“ 预打开到位” 3个信号， 前2个信号用于控制阀门电动机 的启动和停止及逻 辑运算 、 输出管路是否允许再 占用信 号， “ 预打开到 位” 用于水泵的启动和停止程序的执行过程。这些 信号可以用行程 开关或光 电等无触点装 置产生 ， 也 可在主排水管和环管上安装流量传感器 ， 通过对流量 的检测来反映每趟管路所接水泵 的运行 台数 ， 但用 后者反映“ 阀门预打开到位” 的状态信号比较困难 。 维普资讯 2 0 0 6年第 2期 卢恩贵等 矿井 自动化排水的 P L C实现 3 5 3 对于母线 是否 占用信号 ， 可从原高压开关 柜的电流互感器引 出， 若直接 引出影响原保护装置 的灵敏性或可靠性 时， 可另外装设 电流互感器 。由 于水泵电动机是对称三相设备 ， 采用单相互感器 ， 再 配以相应的电流 电压转换 电路 就能 向 P L C提供 逻辑运算所需要的母线占用信号和启泵程序所要求 的“ 启泵正常” 电流信号以及停泵程序所要求 的“ 即 时停泵” 电流信号 。 2 ． 3 启 、 停 泵程 序 的 实现 启泵程序 首先 由 P I C对水位监测单元 、 保护 单元 、 管路逻辑单元和母线逻辑单元发送 过来 的限 电信号、 水位信号 、 管路和母线允许占用信号等进行 综合 ， 如果满足启泵条件 ， 则启动第 1台水泵的射流 泵进行抽真空 ， 真空度达到时可由真空表所带 的电 触点 向 P I C发出“ 真空度达到” 的电信号 ； 然后启动 该水泵的出水阀门电动机 ， 进行 阀门预打开； 当阀门 预打开到合适位置时 ， 位置传感 器发 出相应信号启 动主电动机， 水泵 电动机启动电流的变化趋势是先 有一个较大的冲击 电流 电动机转速上升过程 ， 然 后回落 电动机相当于空载启 动 ， 再逐渐上升到额 定值 水泵 出水 口建压过程 ， 如图 2所示 。当电动 机电流接近额定电流且水泵出水 口的压力达到工作 压力时 认为水泵工作正常 ， 电流检测装置和带 电 触点的压力表将分别发出信号 ， 再次启动阀门电动 机直至阀门全打开， 水泵启动结束。在水泵启动期 间， 电流检测装置在冲击电流作用下也将有“ 电流接 近额定值” 的信 号输 出， 为避免 提前启 动阀门 电动 机 ， 应在程序中设置适当的延时， 延时时间可在调试 中根据水泵的实际启动情况确定 。水泵启动失败的 判断可用时问原则 ， 如对抽真空、 阀门预打开 、 电流 回落 、 电流上升 、 水 口的压力和阀门全打开等根据实 际情况设置相应的时间 ， 哪个 环节没有在设定 时间 内完成其动作就说 明哪个环节存在 问题， 系统还可 据此显示故障类型 。 图 2 水泵启动电流 停泵程序 P I C根据停泵水位信号、 限 电信号 或故障信号要求， 先发出启动水泵 出水阀门电动机 的指令， 实施阀门关闭动作， 当电动机电流降到一定 数值时 ， 电流检测装置发出信号切断主电动机电路 ， 电动机断电 自由停车， 当水泵转速为零时阀门完全关 闭， 停泵结束。在这过程 中， 切 断主电动机所需的电 流整定值必须符合现场实际情况， 整定值偏大时电动 机将提前停转， 排水管中的强大水压会对水泵产生反 冲击 ； 整定值偏小时阀门将提前关闭， 造成停泵前 出 水 口压力的突然升高 ， 对电动机产生不应有的损害。 2 ． 4 PL C控制 系统 与原水 泵控 制 系统的衔 接 实现矿井排水 自动化的 目的是保证矿井安全生 产的进行 ， 同时也要考虑经济性 ， 即以最小的投入获 得最大的效益。因此 ， 在进行 自动化排水设计时应 尽可能地利用原有 的控制设备 ， 如原有的高压断路 器 、 各种继电保护装置和计量 指示 表等得 到了最 大限度的保留。P L C具有输 出接点容量大的特殊 优点， 它可直接驱动泵房电动阀门电动机的接触器。 对于射流泵的电磁阀和高压断路器的合闸线圈和跳 闸线圈， 可通过 中间继电器间接驱动， 这样即可完成 对主电动机和各 电动 阀门的控制。P L C的输 出点 或 中间继电器输出接点 可直接与原来的控制按钮 并联 ， 也可通过转换开关转换 。如果原有主电动机 是采用手动减压启动方式 ， P L C再增加 1个输出点 即可。较困难的是各种 电流信 号的取得 ， 在不影响 原有继电保护装置的灵敏度和可靠性的基础上 ， 尽 量从原有的电流互感器上提取， 必要 时需对开关柜 进行简单改装 ， 增 设新 的电流互感 器。总体来讲， P L C控制系统与原水泵控制 系统 的衔接是 比较简 单的 ， 实现 自动化排水所必须增加的只是 P L C设备 及其电源和与上位机联络的通信电缆等 。 3 结 语 矿井 自动化排水是矿井生产 自动化的一个重要 组成部分 ， 这一技术的实现不仅可以为企业带来经 济效益 ， 而且可减少人为的失误判断和操作 ， 实现井 下不同水平 、 不同泵房的统一调度和统一控制， 同时 矿井调度 中心可直接 了解井下各排 水泵 的工作 状 况， 为整个矿井的安全生产提供保障。本文对开滦 范各庄煤矿井下 2 0 5泵房进行 了初步设计 ， 控制程 序经模 拟 运行证 明可 行 。 参考文献 [ 1 ] 赵 明． 工厂 电气控 制设备 [ M] ． 北 京 机械 工业 出版 社 ， 1 9 9 9 ． [ 2 3 钟肇新． 可编程控制器原理及应用[ M] ． 广州； 华南理 工 大学 出 版社 ． 2 0 0 2 ． 维普资讯