矿井主排水自动化控制系统.pdf

矿 井主排 水 自动化控 制 系统一 孛胜 旺吉贵 堂赵 晓 旭 ， 等 -3 文章 编 号 l 6 7 l 2 5 1 X 2 0 0 2 O l 0 0 0 30 3 矿井主排水自动化控箭系统 李胜 旺 ， 吉贵堂 ， 赵 晓旭 ， 刘先彪 1 ． 煤炭工业邯郸设计研究院． 河北 邯郸0 5 6 0 3 l ； 2岱庄煤矿 ， 山东 济宁2 7 2 1 0 0 中图分 类 号 T D 6 3 6 文献标 识码 B 摘要 介 绍 了一种 矿 井 中央泵房 主排 水 自动 化控 制 系统的 组成 和控 制 原理 。该 系统 通过 实时连 续检 测 水仓水位和它参数 ， 合理调度水泵运行 ， 将矿井涌水排到地面。具有 自动化程度高、 运行费用低 、 工作 可靠 等特 点。 主题 词 矿 井 ； 排 水 系统 ； 自动化 控 制 Au{ o ma t i o n Co nt r o l Sy s t e m o f M a i n Dr a i n a g e Us e d i n Co a l M i n e I I S h e n g wa n g ． J l Gu i t a n g ． Z HAO Xi a o x u ． LI U Xi a n b i a o 1 Ha n d a n De s i g n Re ．a r c h I n s t i t u t e o f C o a l I n d u s t r y ，Ha n d a n 0 5 6 0 3 1，C h i n a 2 D a i z h u a n g C o a l Mi n e ． J i n i n g 2 7 2 l 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，t h e c o mp o s i t i o n a n d c o n t r o l p r i n c i p l e o f t h e a u t o ma t i o n c o n t r o l s y s t e m o I ma i n d r a i n a g e p ump u s e d i n c o a l mi n e a r e i n t r o du c e d I h e s y s t e m c a n p r o p e r l y c o nt ro l t h 。 s e p u mp s t o d r a i n t he wa t e r o u t b y c h e c k i n g wa t e r l e v e l o f s u mp a n d o t h e r p a r a me t e r s o n r e a l t i me I t h a s s o me a d v a n t a g e s ， s u c h a 8 h i g h i n a u t o ma t i o n ，e c o n o mi c a n d r e l i a b l e i n o p c r a t k m Ke y wo r d s c o a l m i n e，d r a i n a g e s y s t e m ，a u t o ma t i o n c o nt r ol 1 概述 2系统 组成与功 能 矿 井 涌 水 通 常 由 中 央泵 房 主排 水 系统 排 至 地 面 ， 其能否 有效 、 可靠 地 运 行 ， 关 系 到 整个 矿 井 的 安 危。矿井排水 系统一般 由水仓 、 吸水井 、 多 台水泵 、 水 泵及 其吸水 管充水 装 置 多趟排水 管 路 、 闸阀等组 成 ， 具有水 泵 电机 功 率 大 电 压 高 启 动过 程 复 杂 等 特点 。 目前 ， 我 国普遍 采用 人工操 作 ， 存在 劳动强 度 太、 启停时间长 、 不适应现代化矿井管理等问题 虽 早 已开展这方面的研究， 但鲜有成功报道 ， 其主要难 点之一在于“ 避峰就谷” 的实现。本文介绍一种主排 水 自动 化控制 系统 ， 较 好地解 决 了上述 问题 。 2 l 系统 组 成 系统框图如 图 l所示 ， 其 由控制、 检测 、 执行 3 部 分组成 1 控制部分 控制 部 分 主 要 由 P L C、 L C D 显 示终 端 、 中间 继 电器 、 控 制按 钮 、 仪 表 及 柜 体 等 组成 。P L C 为 系 统 控制核心， 所选用的 P L C除具有一般的逻辑处理功 能外 ， 还具有较 强的数据 运算与处理能力 ， 其 由机 架 、 C P U、 开关量 1 ／ O、 模拟量输八 、 电源、 通信等模 块 构 成 由 于 现 场 具 有 A C1 2 7 V、 A C 2 4 V、 A C 3 6 V ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯● 参考文 献 [ 1 ] 王 振 民 S R 电机 自然 机 械特 性 [ J ]煤炭 学 报 ， 1 9 9 6 ． 6 [ 2 王振 民 电机 调速系统 功率 电路 分 析 J 煤炭 科学技 术 ， 1 9 9 6． 6 】 [ 3 郝润 科 S R D调 速 系统及 其应 用 ． J ]煤 炭科 学 技术 ， 2 0 0 0 ， 1 『 4 贾好 来 S R电动机启 动方法与启动转矩分析 [ J J煤 矿 机 电 ． 2 0 0 0． 8 收 稿 日期 2 0 0 1091 0 作者简介 武共华 1 9 6 2一 ． 男 ．i l 程师 ， l 9 8 8年 毕业 于山西矿业 学 院 理上耍从事电机 及其传动 的教学和科研工作 ， 科研成果“ 快速制 动 电动机” 曾获国家发 明三等奖 ． 已发表论文多篇 。 维普资讯 4 I矿 自动 化 2 0 0 2年 第 l期 等几种电压 ， 考虑到模块的互换性与统一性 ， 在现场 设备与 P L C的 I ／ O之间采用 中间继电器传送 和隔 离信 号 。这样 ， PL C的 开关 量 I ／ O 模 块 的输 入 输 出 可采用统一电压 ， 还降低 了由于现场设备 的故障和 电磁干扰等 因素使得 P L C的 J ／ O 口损坏与输入信 号发生错误的可能性。模拟量输入模块统一采用 4 -- 2 0 mA 型 ， 可 有 效 抑 制 现 场 的 电磁 干扰 。显 示 与 运行参数修改 ， 采用工业级轻触式 L C D显示终端来 完成 ， 其与 P L C均 内置相 同的通信协议 ， 以实现两 者之间高速可靠的通信。对于水仓水位等重要的数 据 ， 首 先送 至 P L C柜 的仪表 显示 ， 再送 至 P L C由 L C D显示 终 端显示 ， 其余 的 参数 和状 态均经 P L C处 理后由 L C D显示终端显示 。控制柜柜体 面板除设 有 自动 、 单 台集 中控 制 、 手 动 空 位 选 择 开关 外 ， 还 设有单台水泵机组禁止启动旋钮和单台机组 自动启 动、 停止等按钮 ， 使有关人员操作 、 维修方便 。 用 1系 统 框 图 2 检测 部分 此部 分分 为模 拟量检 测和 开关量 检测 。 模拟量检测的数据主要有水仓水位 、 电机工作 电流、 水泵轴温 、 电机温度 、 三趟排水管流量等。采 用模拟量传感器， P L C可实时连续检测水仓水位的 变化情况 ， 并据此和所建立的数 学模型合理调度水 泵运行。电机电流、 轴温 、 电机温度 、 排水管流量等 传感 器与 变送 器 ， 主要用 于监测 水 泵 电机 的运行状 况 、 超限报 警 ， 以避 免水泵 和 电机损 坏 。 开关量 检 测 的数据 主要有 水泵 高压 启动 柜真空 断路 器和 电抗 器 柜 真 空 接触 器 的状 态 、 电动 阀 的工 作状态与启闭位置、 真空泵工作状态 、 电磁闻状态 、 吸水管真 空度及 水泵 出水 口压 力 电接点 状态等 。 P L C以此作 为逻辑 处理 的条 件 和依据 。 3 执行部 分 P L C所控制 的对象 主要有排水泵 、 真 空泵、 电 磁阀、 电动阀等 。其中真空泵与电磁闻用于水泵和 吸水管的吸水 ， 起辅助作用 ， 使水泵能够正 常启动。 P L C分别与各启动柜和控制箱连接 ， 控制 各部分运 行 2． 2 系统 功 能 1 根据水 仓水位等情 况 自动控 制排 水泵启 停 ； 2 可控制各泵轮流工作 ， 使每台水 泵磨损程 度均等 ； 。 3 根据水仓水位 、 供 电峰谷段时间划分等情 况 ， 合理 调度水 泵 运行 ， 即“ 避 峰就 谷 ” ； 4 可检 测 水 泵及 其 电机 的 工 作参 数 ， 如水 泵 流量、 轴温 、 电机温度 、 电机启动与工作电流等 ； 5 L C D显示终端 可以显示图形 、 图象、 数据 、 文字等 ， 可直观 、 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 、 三 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； 6 故障报警 、 自动保护。 3 控 制原 理 水仓 、 清理斜巷、 吸水井及泵房的剖面示意图如 图 2所示， 在图 中所标 出的 E、 F、 G三个点 中， E点 标高以下部分为水仓 的无效容积， F点 为水仓巷道 顶部最低点 ， G点为永仓巷道顶部最高点。水仓水 位应控制在 E～G点标 高之间。水位变送器设置于 吸水 井 中 ， 略低 于 E点标 高 。 图 2 水仓及清理斜巷剖面围 根据 图 2所 示 ， 水 位 高 度变 化 与 水 仓 容积 变 化 的对应关系可分 3种情况。 1 水仓水位在 E～F点标高之间变化 设水位的高度为 z 假定水位高度以 E点标高 计起 ， 当水位在 E与 F点标高之间从 a变化 到 b 时 ， 水仓容 积变 化 为 6 V f s z d x 6 j B Ll B H0 e t g ax c t g d x 维普资讯 矿 井主排水 自动化控制系统 李胜 旺 吉贵堂赵晓旭 ， 等 B L1 B H0 c t g 6 H 旦 b 8 1 2 水 仓 水位在 F ～G点标 高之 间变化 设水位的高度为 z 假定水位高度以 F点标高 计 起 ， 当水 位从 C 变 化 到 d时 ． 水 仓容 积 变化为 V j S 5 E d ．z - f B L J { s 。 R H 。 c t g 口 一 d z 8L1 B H0 c t g a d c d 一c 2 式 中 z为水仓 坡度 。 3 水位在 E～ 点标高之问变化 此种情况较前两种复杂 ， 可以将其看成水位在 E ～F点标高段 与 F～ 点标高段之问 的变化。假 定水位从 e变 化到 ， ， 那 么可以认为其经历 了从 到 H。 与 H。 到 ，的变化． 其中 H 为位于 F点标 高 时 的水位 ， 根据 1 1 和 2 式 可得 V B L 1 B H t g j ， 竿 L 三 『{H ； 检测与适时调整水泵工作的台数， 使水位在上述时 问段结束时恰为所设定的低位。而在“ 峰段” ， 则通 过不断检测和运算， 监测 “ 峰段 结束前水仓 的容水 状况， 必要时调度水泵运行 ， 以防止水仓溢水事故发 生 。 在解决了 避峰就谷” 问题之后 ， 其余问题如水 泵的轮流运行 、 水泵的 自动启动则相对容易解决 ， 在 此不 再 赘述 。 4系统软件 系统软件分为 P L C与显示终端编程两部分 。 P L C部分 以 P L C所 固有的梯形图语言做主体 架构语言， 而对于“ 避峰就谷 部分 ， 采用 P L C提供 的运算处理软件做成模块， 供梯形 图调用。此为系 统核心， 其根据文 中分析 与现场 实际情况而建立 ， P L C据此台 理调 度水 泵运行 ， 实 现“ 避 峰就 谷” 。 显示终端部分 采用组 态软件编程， 以图形 、 图 象 、 表格等形式动态显示 系统工作状态与参数 3 5结语 从 以上 3种情 况分 析可 以看 出 ， 水仓 、 清 理斜巷 容积的改变与水仓水位的高度变化有着一定的函数 对应关 系 ， 即水仓 两个 水位 之 间的 容量 可 通 过 水 位 传感器所测的水位变化值得到 所谓 “ 避 峰就 谷 ” 、 在 此 是 指 调 度 水泵 在 用 电 的 “ 谷段” 和“ 平 段” 时 间段 工作 ， 尽 量避 免 在 “ 峰段 ” 启 动 。要 实现 “ 避峰就 谷 ” 、 需调 度各水 泵 在用 电的“ 谷 段” 和“ 平段” 时间段将水仓的水位排至设定的低位 ， 以便水仓能够腾 出尽可能大的容积 ， 使其在“ 峰段” 容纳更多的矿井涌水而不用启动水泵。为此， 在“ 谷 段” 和“ 平 段 ” P L C通 过 检 测 水仓 水 位 及 依 据 所 建 立 的数 学模 型 可计 算 出 当前 水 仓 的 水量 ， 并根 据 水 泵的排水流量与矿井的涌水流量得出需启动水泵的 台数 ． P L C控制这些水泵工作， 在运 行时通 过不断 经实际运行表 明 该系统设计先进、 运行可靠、 运行费用低 、 自动化程度高． 较好地实现了文中所提 出的功能 ， 取得 了满意 的效果， 具有 较高的推 广价 值 。 参考文献 1 ] 煤矿矿井 采矿 设计手册 编写组 煤 矿 矿井 采矿 设计 手册 [ M．北京 煤 炭工业出版社 1 9 8 2 2 ] 聂文龙 ． 刘思沛 等 煤 矿供 电[ M]北京 煤 炭工业 出 版 社 1 9 8 7 收稿 日期 2 00 10 90 5 作者筒舟 李胜 旺 1 9 6 3一 ， 男 高级 工程师。现在 煤炭 工业邯郸设 计研究院从事 电子 、 计算 机 自动 控制等方 面的科研 和拄术 开发 工 作 ． 先后主持与完成丁 孙 亲项项 目， 其中 】 项获国家专利 一 矿 井机 车模拟跟踪显 示系统诞生 该矿井机车模拟跟踪显示系统由室 内监控及现 场设备组成， 要求模拟跟踪机车显示与现场设备运 行状 态 同步。室 内 主机 采用 可编 程 控制 器 ； 输 出模 块控制现场信号机 、 电动转辙机及室 内模拟显示盘 ； 输人模块采集传感器、 电动转辙机及控制台的信号 ； 模拟显示是控制系统的终端， 不仅具有跟踪列车位 置的功能， 而且具有系统设备运行状态及设备故 障 报警等功能 ， 如现场信号机灯泡断丝、 道岔不到位及 传感器故障等。 矿 井机 车模拟 跟踪 显示 系统 的结构 采用 小型 塑 料单 元和 发光模块 。这些发 光模块 的表面积 只有 国 铁 同样 设施 的 1 ／ 3 ， 在 同等 面 积 下 可组 合 出 更 多 的 轨道图形， 故拼装灵活、 占用 空间小且成本低 ， 十分 适台矿井的恶劣环境 。 辛创锋 维普资讯