煤矿井下排水系统方案的研究与设计.pdf

总第2 0 9期 2020年第9期 机 械 管 理 开 发 MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT Total 209 No.9, 2020 PLC 控制器 出水口压力 H| 人水口真空度 水 仓 水 位I HI电机电源电 ““““电机温度 图 2煤矿井下排水系统硬件设计 输出点、 模拟量输人输出点并扩展相应的模块， 水泵 电动机的启动、 停止控制， 电动闸阀控制， 电磁阀控 制以及错误报警控制作为数字量输出点；控制模式 选择、 水泵状态作为数字量输入点； 出水口压力、 人 水口真空度、 电动机电源电压、 电机绕组温度作为排 水系统的模拟量输入变量。PLC控制器通过获取控 制模式指令， 分析水泵状态后， 控制电动机、 电动闸 阀以及电磁阀动作，进行排水作业。PLC控制器以 TCP/IP通信模式将排水系统所有数据上传至煤矿井 下工业环网并至上位机和地面监测分站，便于实现 对排水状态的远程监测[ 7 ] 。 2 . 2 软件设计 煤矿井下排水系统软件设计基于数学模型以及 硬件系统实现， 采 用ST编程语言实现排水系统软件 排水智能控制系统| 上位机 ___________ I |地面监测分忌|-| 交 换 机 /煤y井 下 环 网 | 以太网接口 引言 在煤矿井下煤炭开采过程中，井下会聚集煤层 涌水以及地下水。 根据地质条件差异以及季节不同， 井下涌水量可达1720m3 /S， 甚至更高。当井下涌水 量急剧增加， 超出井下排水系统排水能力， 溢出储水 仓后， 极易发生突水事故， 影响煤矿安全生产甚至发 生伤亡等严重事故。近年来， 在山西王家岭煤矿、 阳 泉麻地港煤矿、大同姜家湾煤矿以及福建后洋煤矿 都发生了煤矿透水事故， 并造成人员伤亡[ 1 _ 3 ] 。 因此， 优化、 完善煤矿井下排水系统具有积极的意义。 国内 外煤矿企业以及高校对煤矿井下排水系统进行大量 的研究和探讨， 优化排水管道和泵组组合， 引入模糊 控制对排水系统进行动态监测和健康诊断，研究提 高排水效率的措施和方案，引人变频控制理论在保 证完成功能的前提下节约电能损耗[ 4 ] 。本文针对吉 安矿特点， 对其排水系统方案进行研究和设计。 1排水系统模型 煤矿井下排水系统模型如图1所示， //,为该水 仓的最高极限水位， //2为该水仓的安全水位， 々 ） 为该矿井工作面的单位时间涌水量，为该排水 智能控制系统的输入控制量。由排水智能控制系统 根据水仓水位对l i号水杲进行控制， 保证水仓水 位控制在//fW,之间，且当水位达到或超过//,时 ， 进行声光报警。在进行排水系统设计时， 将“ 高低水 位” 控制、 “ 避峰就谷” 控制方法进行综合考虑， 保证 控制水仓水位在安全水位以下， 节能电能。 2方案设计 2_1硬件设计 煤矿井下排水系统方案硬件设计如图2 所示， 核心控制器为PLC, 选用西门子S7 300系列PLC, 根据排水系统实现的功能，统计所需的数字量输人 收稿日期2020-05-09 作者简介散利鹏（ 1986） ， 男， 毕业于大原理工大学采矿工程 专业， 助理工程师， 从事机电管理工作。 自动化技术与设计 D0110.16525/l4-1134/th.2020.09.102 煤矿井下排水系统方案的研究与设计 散利鹏 山西长治郊区三元南耀吉安煤业有限公司， 山 西 长 治046000 摘 要针对煤矿井下排水系统存在的运行效率低下、 控制策略单一的问题， 以吉安矿排水系统为研究对象， 提 出基于排水系统模型的排水方案， 给出详细硬件设计和软件设计， 并对该方案中的故障与保护进行分析。综合 考虑“高低水位”以及“避峰就谷”的排水方案， 可降低劳动强度， 改善劳动环境， 达到节能降耗的目的。 关键词 数 学 模 型 控 制 策 略P L C避 峰 就 谷 排 水 系 统 中图分类号TD636 文献标识码A 文章编号 1003-773X 202009-0241-02 数字量输入/出模块 模拟量输人模块 242. sa讓e 第 3 5 卷 功能。排水系统数学模型中， 考虑“ 避峰就谷” 因素， 在用电高峰时间段减少水荥开启数量，在用电低谷 时间段增加水泵开启数量， 达到节约电能的目的。 基 于数学模型， 将一天的排水周期划分为yv段 ， 利用 递推算法对排水策略进行动态规划，保证在时刻友 排水策略最优。图 3 所示为排水系统水泵启动软件 流程， 在对水泵进行启停控制时， 需考虑水泵的出水 口压力、 入水口真空度以及水仓水位等因素。PLC控 制器软件控制依次开启真空阀、 射流阀后， 需获取入 水口真空度传感器数据并进行分析，当真空度满足 要求时，才可以启动水泵电动机使水泵进行排水作 业。 水泵排水期间，PLC控制器需实时检测出水口压 力值是否满足设定要求， 不满足时， 触发声光报警并 关闭出水闸阀和水泵电动机;满足压力要求时， 则开 启电动闸阀。 br 图3排水系统水泵启停软件流程 在软件设计中，PLC控制器还要负责与煤矿井 下工业环网建立TCP/IP连接， 将排水系统运行时的 所有数据经TCP/IP连接上传至工业环网， 由上位机 或地面监测分站进行数据收集和处理，方便对井下 排水系统进行远程监测。 2 . 3 泵与管路的选型 据核算， 吉安矿井正常涌水量为15.4 m , 最大 涌水量为17 m3 /h， 设计水仓容积为1 980 m3,其中主 水仓容积为1 330 m3,副水仓容积为650 m3。设计选 用MD280-43 x 5 型矿用耐磨多级离心泵3 台， 配备 YB2 型防爆电动机， 额定功率为280 kW， 额定电压 为 10kV， 额定转速为1 480r/min。 正常涌水时， 一台 工作， 一台备用， 一台检修;最大涌水时， 两台工作， 一台检修。泵站内排水支管选用D219x6 无缝钢 管 ， 干管选用Z245 x 7 无缝钢管。主排水管路沿副 井井筒敷设,井筒内排水管路选用D245 x7 无缝钢 管。正常涌水时， 一■趟工作， 一■趟备用;最大涌水时， 两趟管路同时工作。 3故障与保护 煤矿井下排水系统设计有多种故障与保护功能 1 传感器故障与超限报警， 系统中的压力、 流量、 真空度等传感器设置有区间值，当PLC控制器采集 传感器数据并经A/D转换后，若该数值不在设置区 间值内，则进行故障报警；当PLC控制器在时间r 内， 无法采集该传感器信号时， 同样需进行故障报警。 2 电动闸阀故障， 当PLC控制器控制电动闸阀 门动作时,在时间r内， 需 向PLC控制器发送ACK 信号；若PLC控制器在时间r内没有接收到ACK 信号， 则发出报警信息。 3 水泵保护， 当人水口真空度在时间r无法满 足水杲启动条件时,PLC控制器需控制水栗自动停 机并发出声光报警;水泵在运行过程中，PLC控制器 采集到的压力、流量以及水仓水位严重偏离预期曲 线时， 需立即停止水泵并发出声光报警。 4 通信故障， 对TCP/IP通信进行实时监测和故 障报警， 能够对通信故障进行自诊断和自恢复。 5 对水泵电动机进行欠压、 过压、 过流、 缺相、 断 相 、 两相粘连、 温度保护,延长水栗电动机使用寿命。 4结语 建立煤矿井下排水系统数学模型，对排水控制 策略进行分析，并完成排水系统方案的硬件设计和 软件设计， 实现排水方案的最优控制。综合考虑“ 避 峰就谷” 等因素， 在节约电能的同时,可减轻井下工 人的劳动强度， 改善劳动环境。 参考文献 [ 1 ] 罗少平.煤矿井下排水系统的设计研究[J ].能源与环保， 2018,405167-170, [ 2 ] 刘映群.煤矿井下自动排水远程监控系统的研究与设计[J].中 国煤炭，2014,403 77-80. 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Key words ventilator; variable frequency speed regulation; PLC control; MODBUS; industrial Ethernet communication 上 接 第242页 ） Study and Design of Underground Drainage System in Coal Mine San Lipeng Sanyuan Nanyao Ji“an Coal Industry Co., Ltd., Changzhi Shanxi 046000 Abstract Aiming at the problems of low operation efficiency and single control strategy of underground drainage system in coal mine, taking the drainage system of Jian mine as the research object, this paper puts forward the drainage scheme based on the drainage system model, gives the detailed hardware design and software design, and analyzes the faults and protection in this scheme. Considering the drainage scheme of “high and low water level“ and “avoiding peak and valley “, the design reduces the labor intensity, improves the working environment and achieves the purpose of saving energy and reducing consumption. Key words mathematical model; control strategy; PLC; peak-shaving valley； irai 上 接 第247页 ） A Study and Design of Coal Mine Side Wind Door Based on PLC Control Chen Chun Shanxi Sanyuan Fuda Coal Industry Co., Ltd., Changzhi Shanxi 046000 Abstract Aiming at the problem that the function of the wind door is single and the wind door needs to be combined with the top wind window to adjust the air volume and wind speed, this paper puts forward a kind of side-roll wind door which can combine the function of the wind window with the function of the wind door, and studies and designs the mechanical structure and electrical control part of the side-roll wind door based on and designed. Key words coal mine ventilation system; PLC; side wind door, air volume regulation