PLC控制在井下排水系统中的研究与应用.pdf

2 0 1 1 年第7期 中州煤炭 总第 1 8 7 期 P L C控 制在 井下排水 系统 中的研究与应用 章 立 平 煤 股份 五矿 ， 河 南 平 项 山4 6 7 0 9 1 摘要 平煤股份五矿 井下涌水量大， 合理有效地排放矿井 涌水 ， 对保 障煤矿安全 生产意义 重大。将 S I MA T I C 7 - 2 0 0系统作为井下排水系统的 中心控制单元 ， 并扩展 了其他必要的控制模块 ， 使排水系统能够根据 井下水 仓水位 自动启动水泵并判定 唐动水泵 的台数 ， 另外 ， 该 系统还具备故 障监测和保护功能 ， 提高 了系统可靠性。 关键词 P L C ； 排水系统； 自动控制 中图分类号 T D 7 4 4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 f 2 0 1 1 0 7 0 0 3 0 0 2 平 煤股份 五矿 是设计 生 产 能力 2 0 0万 t ／ a的现 代化矿井， 井下涌水量较 大， 中央泵房设计安装 1 2 台 MD 4 5 0 - 6 0 ／ 8 4 7型 高 效 耐 磨 离 心 式 水 泵 ， 流量 为 4 5 0 n l ／ h ， 扬程 4 2 0 m； 水泵配用 的电机型号为 Y B 6 3 0 S 2 ， 额定功率 9 0 0 k W， 额定 电流 1 0 5 ． 4 A， 转 速为 1 4 8 7 r ／ m i n 。通过该 泵 房敷 设 7趟排 水 管路 。 正常涌水时， 5台工作 ， 5台备用 ， 2台检修。鉴 于 P L C的先进性和可靠性 ， 对 1 2台主排水泵及其附属 的抽真 空系 统及 管 道 电动 阀 门等 装 置 实 施 P L C 自 动控制 ， 运行参数 自动检测 并动态显示 ⋯ ， 实现 了 井 下水 泵根据 水位 自动启停 及 实时监测 等功 能 。 1 系统总体方案设计 1 ． 1系统概述 系统通过 检测水 仓水位 和其他 参 数 ， 设计 了 1 2 台泵 自动轮换 工作 控 制 ， 控制 程 序 自动记 录 并 累计 水 泵启停 次数 、 运行 时 间 ， 管 路 使用 次 数 、 流 量等 参 数 ， 并根据 这些 运行 参 数 按一 定 顺 序 自动 启 停水 泵 和相应管路 ， 使各水泵及其管路的使用率分布均匀。 系统通过触摸屏 ， 以图形 、 图像 、 数据 、 文字等方式 ， 直 观 、 形 象 、 实 时 地 反 映 系 统 工 作 状 态 以及 水 仓 水 位 、 电机工作 电流 、 电机温 度 、 轴承 温度 、 7趟 排 水管 流量等 参数 ， 并通过 通 信 模 块 与综 合 监测 监 控 主机 实现数 据交换 。 1 ． 2水 泵控 制流程 1 ． 2 ． 1 启 动过 程 收稿 日期 2 0 1 1一 O 3 2 8 作者简 介章立 1 9 6 6 一 ， 男 ， 安徽 淮南人 ， 工程 师， 1 9 8 7年 毕业 于徐州煤炭工业学校， 现任平煤股份五矿副总工程师。 3 0 当水位传感器在线检测到水位的高度， 即将数 据传送到中央处理单元 P L C， 中央处理单元 P L C通 过与预 先设定 值 进行 对 比、 判 断 。当 水位 达 到或 者 高 于预 先设定 的高 度 时 ， P L C接 通控 制 射 流泵 的 电 磁阀的线圈 ， 使其开启为离心式水泵进行注水。当 水泵入 口处的真空度增加 到一定的数值 ， 中央处理 单 元 P L C会 接 收到 安 装 在 水 泵 入 口处 的真 空 传 感 器反馈的信号 ， 当真空度的数值达到预先设定的值， P L C通过继电器和接触器接通水泵电动机的常开触 点使其运行 ； 在 电动机启动的过程中， 水泵的出口处 的压力 会逐渐 增加 ， 最后达 到某 一数值 而不再增 加 ； 水泵出 口压力 通过 压力 传感 器 和变 送器 反馈 给 P L C。P L C将这个反馈回来的数值 电流信号 与预 先设 定 的压力 值进行 比较 ， 当满 足条件 时 ， 开启该 水 泵出口处的电动闸阀， 水泵机组进行排水 ； 同时， 关 闭射流 泵 ， 停 止 为其 引 水 ； 水泵 运 行 过 程 中 ， P L C装 置会 监控 水泵 机组 的各 个参 数 的变化过 程是否符 合 要 求 。 1 ． 2 ． 2停 机过 程 在 水 泵 的作用 下 水位 逐 渐下 降 ， 直 到达 到需 要 关闭水泵的水位 ， 这时应关闭排水管的电动闸阀， 随 后 关闭 水泵 电机 ， 使其 停止 工作 。 2 传 感器选型 系统运行 过程 中 ， 不 仅要对 矿井水 位进行 检测 ， 还要对诸如真空度、 压力等启动用参数和管路流量、 系统压力、 电机温度等系统安全保障参数进行检测， - 才能使系统在 自动运行过程 中选择正确的控制策 略， 并在元件发生故障时发出报警信号。 2 ． 1 超 声波水 位传 感器 2 0 1 1 年第 7期 章立 P L C控制在井下排水系统中的研究与应用 总第 1 8 7期 由于水位 检测 在煤 矿井下 的排 水系统 中具 有重 要地位 ， 采用 2套传 感器 相结 合 的方法来 检测水 位 。 该 系统 采用 超声 波液位 仪测 量水仓 水位 ， 其频 率高 、 波长 短 、 绕射 现象 小 ， 且 方 向 性好 ， 能够 以射 线形 式 定 向传 播 。 2 ． 2流量检 测传 感器 ’ 系统采 用 L D 系 列 大 口径 电磁 流 量 计 检 测 流 量 。该 流量计 采用 全数 字量处 理 ， 抗 干扰 能力 强 ， 测 量可靠 ， 精度高； 没有附加压力损失。可根据用户实 际需要 在线修 改量 程 。高清 晰度 背 光 L C D显 示 ， 全 中文 菜单 操作 ， 使 用 方便 ， 操 作 简 单 ， 易 学易 懂 。采 用 1 6位 嵌入式 微处 理器 ， 运算 速度快 ， 精 度高 ， 采用 可编程 频率低 频矩 形 波 励 磁方 式 ， 提 高 了流 量测 量 的稳定 性 ， 同时它 的功耗 也 比较 低 。 2 ． 3 水 泵压 力传 感器 系统采用 H S ． 9 5 6系 列 薄膜 压 力 变 送器 采 集 水 泵 压力 信号 。HS ． 9 5 6系列 薄 膜 压 力 变 送 器 由高 性 能的薄膜 压力 传感 器与信 号调 理 电路 组成 。该 系列 产 品技术 独特 、 性能优 越 ， 具有体 积小 、 质 量小 、 安 装 简便 、 能在恶劣 环境 长期稳 定工 作 的特点 ， 特别适 合 频 繁 冲击 压力 的测 量 ， 是 目前 理 想 的 流 体压 力 测 量 仪 表 。 2 ． 4 电机及水 泵温 度检 测 系统选择 P T 1 0 0温度传感 器检测 电机及 水泵 温 度 ， 它 的热响 应时 间短 ， 可 弯 曲安 装使 用 。2节 式 结 构适用 于各种 流速 ， 并能抵 御各 种 冲击力 ， 保护 测 温元 件正 常工作 ， 当需 要检修 或更 换 时不需停 机 。 3 硬件设计 S I MA T I C S 7 2 0 0系列 2 2 6芯 片 集 成 了 2 4个 输 入 、 l 4个输 出接点 。P L C和 部分 变 送、器 的连 接方 式 如 图 1所示 ， 各模块 采用 2 4 V直流供 电。部分地 址 分配 见表 1 。 温水 流压温水流压温水 流压 度位 量力度位量力 度位 量力 传 传传 传 f -／ 传传传传 传传 感 感感 感感感感感 感感 感感 器 器器 器器器器器器器 器器 ⋯⋯⋯⋯1 口 L _J l l I l 口 口 口 口 口 226 匡 垂I『[ 圣 L 【 一 口口 口 口 口 图 1 P LC 和 部 分 变 送 器 的 连 接 方 式 表 1 I ／ O 地 址 分 配 表 4软件设计 利用 西 门子 开发 的 S T E P 7软 件 ， 在 Wi n d o w s 环 境 下进行 编 程 。通过 S T E P 7软件 ， 可 以非常 方便 地 使用梯形图和语句表等形式进行离线编程 ， 经过编 译后 通过转 接 电缆直 接送 人 P L C内存 中执 行 ， 在 调 试 运 行时 ， 可 以在线 监 视 程序 中各 个 输入 输 出或 状 态 点 的通断 状况 ， 也可 以在线 修 改程序 中变 量 的值 。 当 P L C接 收到启动 某 台水 泵 的 指令 后 ， 按 照 图 2所 示 的水泵启 动 流程进 行水 泵 的 自动启 动控 制 。 运行 图 2水泵 自动开启流程 下转第 5 4页 31 2 0 1 1 年第7 期 中州煤炭 总第 1 8 7 期 该 判据 在 正 常运 行 时 ， 能 正 常判 断 C T二 次 开 路， 甚至在一次相问短路故障时， 由于保护二次电流 较大 ， 电流端 子排 连 片螺 丝 不 紧 而发 热烧 毁 而 导致 C T的开路 ， 也 能 准 确判 断 ， 主 要 是利 用 同名 相 电流 突变量 只有在 C T开路 时才减 小这 一原理 。 该装置不增加任何硬件设施 ， 且就原理分析没 有保护死 区。但 是必须有 2组 以上 C T采样 ， 2组 C T同时开路有 可能判别不 出。只有与上述 C T二 次 开路装 置联 合 使 用 ， 才 能使 C T二 次 开 路 保 护 更 加趋 向完 善 。 另外 ， 该方 案 还 能 广 泛 应 用 于 光 C T采 样 故 障 判别 ， 也就是智能化电网中。但不论是电子电路式 ， 还是 避雷器 式 过 电压 C T二 次 开 路 保 护 装 置 ， 在 光 C T不正常运行时就无法使用了。 上接 第 3 1页 首先是启动抽真空系统将水泵体 内的空气排 除， 让其充满水 ， 这时， 抽真空管路上 的负压表 真 空表 会达到要求值 ， 当 P L C检测到负压表读数满 足启动要求时， 就会发指令给高压开关柜， 启动水泵 电机 ， 并 关掉抽 真 空 设备 。这 时 位 于水 泵 上 方 主排 水管路上 的压力传感器承受的压力越来越大， 当达 到要求值时 ， P L C发指令开启电动闸阀， 开始排水。 从 图 2中 可 以看 出 ， 如果 出现 异 常 ， 对 于 实 时 C P U以及 I ／ O模块内部的错误 ， 自动控制系统会 自 动跳入故障处理程序块 中进行相应处理； 如果有外 部回路接线错误或传感器失效等故障 ， 系统会 自动 切 断 ， 并停 泵 ， 禁 止 该 泵 投人 自动 循 环 运 行 中并 自 锁 。运行 过 程 中 ， 主要 监测 压 力 、 温度 、 流 量 等状 态 量 ， 出现异常， 即停止水泵并 自锁。停止过程中主要 结合 定时器 监测 动作是 否正 常 ， 出现故 障进 行报 警 ， 并给出故障提示。 5 控制 系统的抗干扰措 施 煤矿井下环境较恶劣 ， 存在各种干扰 。这些干 扰会 导致控 制精 度降低 、 P L C内部 数据 丢失 、 机器 误 动作 ， 甚至造成 P L C发生故障或损坏。所 以采取相 应抗 干扰 措施 可确保 P L C控 制 系统可靠 运行 。 5 ． 1抗供 电 电源 干扰 采用专用电源 ， 电源的供电与大的用 电设备分 开 ， 避免 大用 电设 备 启 、 停 时 对 电源 供 电 电压 的影 响 ； 控 制 的交流 电源与 P L C机 之 间采 用双 屏 蔽 的隔 离 变压器 ， 在隔离 变压 器和 P L C之 间加装 交 流稳 压 54 4 结 语 C T开路 保护装 置不但 应采 用过 电压保 护装 置 ， 还要利用微机测控保护一体化的 C T二次开路保护 原理， 这样才能更全面防止 C T二次开路 ， 使系统更 加 安全 可靠运 行 。 参 考文 献 [ 1 ] 靳建峰 ， 乔中华 ， 邱 文严． 关 于 c T开路保 护装置 的几点 见解 [ J ] ． 华北水利水电学院学报 ， 2 0 0 6 3 3 4 - 3 6 ． [ 2 ] 靳建峰 ， 翁利民， 王毅 ， 等． C T开路 保护装置 技术性能校验 的 研究[ J ] ． 继 电器 ， 2 0 0 7 2 3 6 2 - 6 5 ． [ 3 ] 周志 敏， 周纪 海， 纪爱华． 继 电保护实 用及技术 问答 [ M】 ． 北 京 电子 工业出 版社， 2 0 0 5 ． 责任 编辑 刘欢 欢 器或交流低通滤波器滤除高频脉冲， 降低 电网电压 波动对 P L C电源 电压的影 响 。 5 ． 2抗 电弧 干扰 为了避免或减少启动 电弧对 P L C的电磁干扰， 尽量 将 P L C远离 大 电机启动 装置 ， 并选 用 C J X 系列 交 流接触 器 ， 它具有 分 断 能力 高 、 灭 弧 时 间短 、 飞 弧 距 离小 等特点 。 5 ． 3 电源 线 、 输 入／ 输 出线与 动力线抗 干扰 布线时， P L C的输入／ 输 出线 与其 他控制线分 开 ， 外部布线控制电缆 、 动力电缆 、 输入／ 输出线分开 单独 布 线 ， 它们 之 间保 持 3 0 e l n以上 间距 。在 同一 线槽 布线 时 ， 用金 属板将 控制 电缆 、 动 力 电缆 、 输入／ 输 出线 间隔开来加 以屏 蔽 ， 金 属板还必 须接地 。 6 结 语 该系统 根据 平煤股 份五矿 的井下 主排水 系统实 际工况 ， 按照功能要求选择一定数量和类型的传感 器 ， 通过估算 的输入 、 输 出点数 和要求 P L C的存储 容量 及响应 速度 ， 设计 出 了系统控制 的流程 图 ， 确定 所用 P L C的型 号 和 功能 模 块 。使 用 P L C语 言 编 写 了水 泵 自动控制 的程 序 ， 达 到 对排 水 系 统进 行 自动 控制 的 目的 。 参 考文 献 [ 1 ] 谭国俊 ， 韩耀 飞， 熊树． 基于 P L C的中央泵房 自动化 设计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 6 1 4 8 - 5 0 ． [ 2 ] 栾振辉 ， 廖玲利． 煤矿机械 P L C控制技术 [ M] ． 北京 化学工业 出 版社， 2 0 0 8 ． 责任编辑 刘欢欢