煤矿井下主排水自动控制系统的应用.pdf

第 3期 2 0 1 2年 3月 工矿 自 动 化 I ndu s t r y a nd M i n e Aut o ma t i on NO ． 3 M a r ． 2 O1 2 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 2 0 3 0 0 6 3 0 3 D OI C NKI 3 2 1 6 2 7 ／ TP ． 2 0 1 2 0 3 0 7 ． 1 7 0 6 ． 0 2 1 煤矿井下主排水自动控制系统的应用 槐 利 ， 谭一 川 。 ， 徐 育 军 ， 张喜 萍 ， 程 玉龙 1 ． 中煤科 工集 团重 庆研 究 院 ， 重 庆4 0 0 0 3 9 ； 2 ． 瓦斯 灾害 监控 与应 急技 术 国家重 点实 验室 ， 重 庆4 0 0 0 3 7 摘 要 针 对 目前煤 矿 井下 主排 水 系统 人 工控制 方 式存 在 的 工序繁 琐 、 耗 能 大等 问题 ， 提 出采 用 主排 水 自 动控 制 系统 实现 对 井下水 泵 的 自动控 制 ； 介 绍 了主排 水 自动控 制 系统的 结 构功 能及 其 在 花 山煤 矿 的应 用情 况 ， 详 细介 绍 了 系统 的器件 选型 及 水泵 自动控 制 流程 。该 系统 采 用 P L C作 为控 制 核 心 ， 采 用各 种传 感 器采 集排 水 管道及 水 泵 电动机 的参 数 ， 实现 了对 水泵运 行状 态、 运 行过 程 的 自动检 测和 自动控 制 ， 减 轻 了工 作人 员劳动 强度 ， 降低 了水 泵运 行成 本 。 关键 词 矿 井主排 水 ；排 水 自动控 制 ；水 泵控制 ；PI C 中图分类 号 TD6 3 6 文献 标识 码 B 网络 出版 时间 2 0 1 2 0 3 0 7 1 7 0 6 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ w ww． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 2 0 3 0 7 ． 1 7 0 6 ． 0 2 1 ． h t ml App l i c a t i o n o f Aut o ma t i c Co nt r ol Sy s t e m o f M a i n Dr a i n a ge o f Co a l Mi n e Un d e r gr o u nd HUAI L i 。 ， TAN Yi c h u a n ’ ， XU Yu j u n ’ ， ZHANG Xi p i n g 。 ， CHENG Yu l o n g ’ 1． Ch on gq i n g Re s e a r c h I ns t i t u t e o f CCTEG ．，Cho ng q i ng 4 0 0 03 9，Ch i na．2． St a t e Ke y La b o r a t o r y o f Ga s Di s a s t e r De t e c t i n g，Pr e v e n t i ng a nd Eme r ge nc y Co nt r o l l i ng，Ch on gq i n g 4 0 00 3 7，Ch i na Ab s t r a c t I n a l l us i o n t o p r ob l e m s of c o m pl i c a t e d p r o c e s s ，hi g h e ne r gy c o ns u mpt i on a nd ot he r i s s u e s o f t r a di t i on a l ma nu a l c o nt r o l mo de u s e d i n c ur r e n t m a i n d r a i na ge s ys t e m o f c o a l m i n e un de r gr o un d，t h e p a pe r pr op o s e d u s i ng a ut oma t i c c on t r o l s y s t e m o f ma i n dr a i na g e t o a c hi e v e a u t o ma t i c c on t r o l o f un d e r g r o u nd pump， i nt r o du c e d s t r uc t ur e ， f un c t i on s a n d a pp l i c a t i o n i n H ua s h a n Co a l M i n e o f t he s ys t e m ， a nd i nt r o du c e d d e v i c e s e l e c t i on a nd a u t oma t i c c o nt r o l f l o w of pu m p i n d e t a i l s．The s ys t e m t a ke s PLC a s c on t r o l c o r e，us e s a v a r i e t y of s e ns o r s t o c o l l e c t pa r a m e t e r s o f dr a i n a nd pu mp mo t o r， a nd r e a l i z e s a u t o m a t i c de t e c t i o n a nd c on t r ol o f o pe r a t i o n s t a t u s a n d pr o c e s s o f pu m p， wh i c h r e d uc e s l a bo r i nt e ns i t y o f wo r ke r s a nd c os t of p ump op e r a t i on． Ke y wo r d s m i n e m a i n d r a i n a ge，a ut oma t i c c o nt r o l o f d r a i na ge，pu m p c o nt r o l ，PLC 0 引言 煤 矿井 下排 水 系统是 保证 煤 矿安全 生产 的关 键 环 节 ， 承担 着排 除 井 下 所 有 涌 出水 的任 务 。 目前 很 多 煤矿 的排 水 系统 采 用 传 统 的人 工 控 制 方 式 ， 该 方 式 存在 的 问题 1 水 泵 操 作 人 员 要 根 据 目测 的 水 位高低来启停水泵 ， 易造成在用水 量突然增大 的时 候 不能及 时 开启 水 泵 ， 且 操 作 工 序 繁 琐 ， 噪 音 大 ， 也 容 易造 成操 作人 员 的疲劳 。 2 我 国 每年 水泵 消 耗 的 电能约 占电能总消 耗量 的 2 O 以上 ， 而 电能 消 耗 占水 费成本 的 6 O 以上 _ 1 ] ， 采 用 人 工控 制 方式 无 法 科 学 、 合理 地调 度排水 量 和排水 时 间 ， 造成 了很 大的 浪 费 。煤矿 井下 主 排 水 自动 控制 系统 采 用 P L C作 为控制核心 ， 通过各种传感器采集排水管道 、 水泵电 动 机 的参数 ， 实 现 了对 水泵 运行 状态 、 运行过 程 的 自 动检测和 自动控制。本文结合四川攀枝花煤业集团 花 山煤 矿 的实 际情况 ， 介 绍 主排 水 自动控 制 系 统 的 组 成结 构 、 功能及 其应 用情况 。 收 稿 日期 2 0 1 1 1 2 2 2 基金项 目 中煤科工集团重庆研究院 自立项 目 cQ1 0 0 7 作者简介 槐利 1 9 7 7 ， 男 ， 山西阳泉人， 工程 师， 硕 士， 主要从事煤矿 自动化方面的研究工作。E ma i l h u a i l i一 9 2 6 1 6 3 ． c o rn 6 4 工矿 自动化 2 0 l 2年 3月 1 系统 结构及 功能 1 ． 1 系统 结 构 煤矿 井下 主排 水 自动 控制 系统 主要 由矿用 耐磨 离 心 式 水 泵 、 隔 爆 型 三 相 异 步 电 动 机 、 真 空 系 统 、 隔爆 兼本 安 型 P L C控 制 箱 、 真 空传 感 器 、 压 力 传 感 器 、 流量传感器等组成 ， 系统结构如图 1 所示 。 单 模 光 纤 广 茎 硼l 刀 7 ， 匝壹 本安按钮箱 一 电 缆卜_ - 通信 电缆 ⋯ 水泵 1 高 通 电动 闸阀 电动 球 阀 流量传感器 I 信 [ 嘉 压力传感器I I 广 真空传感器 [ 液位传感器 本安按钮箱 一 电 缆卜 一 水 泵3 蛊 审 通 电动 闸阀 电动 球阀 流量传感器 I 信 [ 蠹 压力传感 器l 真空传感器 [ 液位传感器 图 1煤 矿 井 F主 排 水 自动 控 制 系 统 结 构 1 ． 2 抽 真 空方 式选择 矿 用 耐磨 离 心 式水 泵 在排 水 之前 都 要抽 真空 ， 目前抽 真空 方式 可分 为以下 几种 1 射流方式。该方式需用到射 流总成 、 射流 管道控制阀门、 真空管道控制阀门等设备。该方式 将高压水流 由压力管送入压力喷嘴， 使其具有高速 动能 ， 将 喷 嘴周 围的气 体带走 ， 这样 水泵 腔体 就形成 了真空 环境 。 2 水环式 真 空泵 。该方 式需 用 到水 环式 真 空 泵 、 管 道控 制 阀门 、 真 空管道 控制 阀 门等设备 。在选 用该方式时， 要估算需要抽取 的真空体积， 选用型号 合适 的真空 泵 。 3 利用管道余水抽真空 。该方式将排水管是 道里 的余水 直接 放 到水 泵 内 ， 观 察 到 有水 从 水 泵 上 部流出时 ， 说明水泵腔体内已经注满水 ， 此时关闭放 水阀门， 启动水泵开始排水 。 4 利用水箱抽真空 。有些煤矿 自制水 箱， 该 方式类似于利用管道里的余水抽真空的方式 。 5 利用 管道余 水射 流 方式 。该 方式 将排 水 管 道里的余水高速通过射流器， 使其具有高速动能 ， 将 喷嘴周围的气体带走 ， 这样水泵腔体就形成 了真空 环境。由于水泵扬程较大， 相应压力较大 ， 射流所需 的水压可 以使 水泵 腔 体 形 成真 空 环 境 ， 因此 主排 水 自动控制 系统采 用这种 方式 来抽 真空 。 1 ． 3 系 统 功 能 1 数据采集功能。系统通过传感器采集开关 量 和模拟 量 。开 停传感 器监 测水 泵 电动 机 的开停状 态 ， 给系统 提供 开停信 息 ， 避 免误 操作 。压力 传感器 监测水泵 内部压力 ， 当压力达到设定值时启动水泵 ， 当压 力低 于设定 值 时 自动停 泵 。真空压 力传 感器在 水泵启动之前监测吸水管路 的真空度 ， 当真空度达 到设 定条 件时 ， 启 动 水泵 电动 机 。液位 传 感 器 实 时 监测 水仓 水位 变化 ， 系统根 据 当前 水位 变化情 况 ， 自 动 实现 高水位起 泵 和低水 位停泵 。流 量传感 器实 时 监 测主 排水管路 的流 量 ， 系 统根 据 排水 管 的流 量情 况判断管路是否发生故障， 并在低流量时 自动报警 。 2 控 制功 能 。系 统控制 方 式分 为手 动 、 集控 、 远 控 3种 。手 动方式 在 水泵房 集 中操 作 台上 ， 操 作 员可根据需要 ， 按顺序控制水泵及其关联设备 的开 停 ， 单 台泵各设 备 之间有 联锁关 系 。集控方 式 在 水 泵 房集 中操作 台上 ， 当 自动开泵 或停 泵条件 满足 时 ， 系统可 根据 预先设 定 的 程序 自动 启停 相 应 设 备 ， 单 台泵各 设备之 间 有 联锁 关 系 。远 控方 式 通 过 操 作 上 位机 上 的水 泵监 控 界 面 ， 完 成对 水 泵 及其 它 关 联 设 备 的开停控 制 。系统可 根据操 作人 员 的配置设 置 权 限 。 3 节 能功 能 。系统可根 据 电 网监控 系统统 计 的用电高峰 、 低谷时间 ， 结合分时计费和避峰填谷原 则 ， 确定 水泵 启停 时间 。 4 故 障诊 断 功 能 。水 泵启 动 时 ， 系统 先 启 动 射流泵 或真 空泵 ， 监测真 空管 路压力 ， 当压 力达 到设 定值 时启 动水 泵 电 动 机 ， 同 时关 闭真 空 管 路 阀 门。 水泵 电动 阀门打 开后 ， 监 测排 水管 内 的压 力 ， 当在一 定时 间 内压 力没 有 达到 设 定 值 时 ， 系统 自动停 止水 泵运行 并发 出故 障报警 信号 。控制 阀门打开 或关 闭 后 ， 电动 阀门会 反 馈 一 个 状 态 信 号 给 P I C， P I C判 断反馈信号与发出的信号是否一致 ， 当两者信号不 一 致 时 ， 系统发 出报警并 在上 位机 上显示 报警 信息 。 5 实时 多任务 功能 。实 时传 输 、 处理 、 存储 和 显示 信息 ， 并根据 要求进 行 实时控 制 ， 系统可周 期性 循环 运行 而不 中断 。 2 系统在 花 山煤矿 的应用 2 ． 1 花 山煤矿排 水 系统概 况 花 山煤矿井 下 中 央水 泵 房 安 装 了 3台 D5 8 0 6 0 3型水泵 及 3台 YB 4 5 0 M1 4型 三相异 步 电动 机 。水 泵主要参数 流量为 5 8 0 m3 ／ h ， 扬 程为 1 8 0 m。 一 炳一虾～ 2 0 1 2年 第 3期 槐 利 等 煤 矿 井 下主排 水 自动控制 系统 的应 用 6 5 电动 机 主要 参 数 电压 为 6 k V， 电流 为 5 1 ． 5 A， 功 率 为 4 5 0 k W ， 转 速 为 1 4 8 1 r ／ rai n 。该 水 泵 房 有 2趟 主排水 管路 ， 口径 为 DN3 5 0 ； 3趟 水 泵 排 水 管 路， 口径为 D N2 5 0 ； 采用管道余水射流方式抽真空 ， 射流 管路 口径 为 D N2 5 ， 真 空管 路 口径 为 DN2 0 。 排水 系统 井下 部 分 包 括 2台 DN3 5 0防爆 电 动 闸 阀 、 6台 DN2 5 0防爆 电动 闸阀 、 3台 DN2 5防爆 电 动球 阀 、 3台 D N2 0防 爆 电动 球 阀 、 1台隔 爆 兼 本安 型 P L C控制箱 、 1台本安操作 台以及各种传感器 ； 地面部分包括工控机 、 交换机等 。 中央水泵 房 与地 面监 控机 房通 过 1根 8芯光 缆 2芯 水 泵 控 制 用 、 4芯视 频 用 、 2芯 备 用 连接 。井 下设 备 通过 光纤 分线 盒接 入 P L C控制 箱 ， 通过 光 缆 将信号传输到地面监控 中心 ， 然后通过光端机将信 号转 换 成 以太 网信号 接人 地 面工业 以太 网 。 2 ． 2 系统 器件 选型 1 主控 制器 系 统选 用西 门子 公 司生产 的 S 7 2 0 0 P L C。该 控 制器 是一种 叠 装式 结 构 的 小 型 P L C， 具 有 指 令 丰 富 、 功 能强 大 、 可 靠 性 高 、 适应 性 好 、 结 构 紧 凑 、 便 于 扩展 、 性 价 比高 等优点 _ 3 ] 。S 7 2 0 0 P L C主 机 的型 号种 类 较多 ， 本 系统选 用 C P U2 2 6模 块 。 2 输 入输 出模 块 煤矿井下水泵房内水泵台数不确定 ， 按照 3台 水 泵 设 计 ， 排 水 系 统 需 具 备 约 5 0个 I ／ O 点 ， 而 C P U2 2 6 本 身 的 I ／ O 点不 够 ， E M2 2 3 模 块 具有 1 6路 输 入／ 输 出点 ， 因此选 用 2块 E M2 2 3模 块 扩 展 系 统 I ／ o 点 。 同 时 系 统 需 具 有 1 0 路 模 拟 量 输 入 ， E M2 3 1 模 块 具 有 4路 模 拟 量 输 入 ， 因 此 选 用 3块 E M2 3 1 模 块 。 3 系统 电源 系统电源包括控制箱 的供 电电源 、 传感器电源、 电动 闸 阀电源等 。 目前我 国煤 矿井 下 低压供 电电压 大多为 6 6 0 V， 照 明综 保输 出 电压 为 1 2 7 V， 因此 控 制 箱 的供 电 电源 选 用 6 6 0 V 井 下低 压 供 电 ， 电动 闸 阀供 电 电 源 选 用 1 2 7 V 电 源 ， 传 感 器 可 由 P I C供 电 ， 也 可 由控制 箱 内的本 安 电源板 供 电 。 4 上位 机软 件 系统选 用组 态 王软 件 。该 软 件 驱 动 程 序 多 ， 适 用于多种通信接 口， 可模拟现场实际设备情况 ， 具有 画面直观 、 操作方便等特点。上位机软件 可显示水 仓水位 、 吸水管真空度、 流量等参数， 可监 测系统 当 前 的控制 方式 、 当前 泵 的工作 状态 、 故 障信 号等 。 2 ． 3 系统 控 制 流 程 每 台水泵 有工 作 、 备 用 、 检修 3种工作 方式 。水 泵启 动前 ， 先 打开 射流泵 真空 管路 电动 阀 ， 待排 空管 路 内真空 度达 到预 先 设 定 要求 时启 动 电 动机 ， 同时 关闭射流泵。水泵 自动控制流程如图 2 所示。 设置水泵T作方式 图 2水泵 自动控制流程 3 结 语 介 绍 了煤矿 井下 主排水 自动 控制 系统 的结构 功 能及其 在花 山煤 矿 的应用情 况 。该 系统采用 模块化 设 计 ， 易于 扩展 ， 维 护 简单 ； 实 现 了对 井 下水 泵 的 自 动控制 ， 降低 了水泵运 行成 本 ， 减 轻 了工作 人员劳 动 强度 ， 促进 了矿 井生 产 自动化水 平 的提高 。 参考文献 [ 1 ] 刘法治 ， 赵 明富． 模糊控制技术在高楼恒压供 水系统 中 的应用[ J ] ． 微计算机信息 ， 2 0 0 5 9 2 1 2 3 ． E 2 ] 彭澄伟 ， 徐振 栋 ， 魏岱宁 ， 等． 矿井主排水泵 自动控制系 统研究[ J ] ． 煤炭工程 ， 2 o 0 8 6 7 6 7 8 ． [ 3 ] 吴 中俊 ， 黄 永红 ． 可 编程 序 控 制器 原 理及 应 用 [ M] ． 2版 ． 北 京 机 械 工 业 出 版社 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ] 王永 华 ， 宋 寅 卯 ， 陈 玉 国 ， 等． 现 代 电气 控 制 及 P L C 应用技术[ M] ． 2 版． 北 京 北 京航空 航天大 学 出版 社 ， 2 00 8． E 5 ] 袁小平 ， 白楠 ， 王泽林 ， 等． 煤矿井下排水 泵监控系统 的 设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 O L O 3 l 1 3 1 1 4 ． [ 6 ] 李亚哲．煤 矿井 下主排水 系统工艺流程及其 自动控制 系统设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 1 5 1 5 - 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