煤矿强排自动控制系统设计.pdf

第 4 3卷 第 5期 2 0 1 7 年 5月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i n e Aut o ma t i o n Vo1 ． 4 3 NO ． 5 M a y 2 01 7 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 5 0 0 7 5 0 4 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 0 5 ． 0 1 9 宫学东 ， 陈威 ， 朱亚坤． 煤矿强排 自动控制系统设计E J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 7 ， 4 3 5 7 5 7 8 ． 煤矿强排自动控制系统设计 宫 学 东 ， 陈威。 ， 朱亚 坤。 1 ． 中国有 色金 属建设 股 份有 限公 司 ， 北京 1 0 0 0 2 9 ；2 ． 山西 天地 王坡煤 业 有 限公 司 ，山西 晋城0 4 8 0 2 1 ； 3 ． 太原 理工 大学 机 械工 程学 院 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘 要 设 计 了适 用 于煤矿 井 下并 可在地 面控 制 室对 潜 水泵 等设 备 进 行 集 中监 测 和控 制 的 强排 自动 控 制 系统 。该 系统 以可编 程控 制技 术 为核 心 ， 通 过各 种矿 用本 质安 全 型传 感 器 实时监测 潜水 泵现 场 的水仓 水位 、 出水 口压力、 潜水泵的温度等参数 ， 通过对潜水电动液控 闸阀的操作 实现强排 系统的 自动控制 。现场工业性 试验结果表明， 该 系统运行情况良好 ， P L C控制稳定。 关键 词 矿 井排水 ；应急排 水 ；强排 系统 ；自动控 制 ；可编程 控制技 术 中图分类号 TD6 3 6 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 7 0 4 2 5 1 8 2 4 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 7 0 4 2 5 ． 1 8 2 4 ． 0 1 9 ． h t ml De s i g n o f a u t o ma t i c c o nt r o 1 s y s t e m o f f o r c e d d r a i n a g e o f c o a l mi ne GONG Xue d ong ． CH EN W e i ． ZHU Ya ku n。 1． Chi n a Nonf e r r ou s M e t a l I ndu s t r y’ S Fo r e i g n Eng i ne e r i ng a n d Co ns t r u c t i o n Co． ，Lt d． ， Be i j i n g 1 0 0 0 2 9 ，Ch i n a ；2 ． S h a n x i Ti a n d i Wa n g p o Co a l Mi n i n g Co ． ，Lt d ． ，J i n c h e n g 0 4 8 0 2 1 ，Ch i n a ； 3 ． Co l l e g e o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g ，Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n a Abs t r a c t A u t o m a t i c c o n t r ol s y s t e m o f f o r c e d d r a i n a ge wa s de s i gne d whi c h wa s a ppl i c a b l e t o c o a l mi ne a nd c a n a c h i e v e mon i t o r i ng a n d c ont r ol o f s ub me r s i b l e p umps i n a gr o und c o nt r o l r o o m ．Th e s y s t e m t a ke s pr o gr a mma bl e c ont r ol t e c h no l og y as c or e，us e s a v a r i e t y o f m i n e i nt r i n s i c a l l y s a f e s e ns o r s t o r e a l ～ t i me l y 收稿 日期 2 0 1 6 1 2 2 0 ； 修 回日期 2 0 1 7 0 3 2 2 ； 责任编辑 胡娴 。 作者简介 宫学东 1 9 7 6 一 ， 男 ， 天津人 ， 高级工程师 ， 主要从事矿山开采等方面的研究工作 ， E ma i l g o n g x u e d o n g n f e c h i n a ． c o rn。 [2] [3 ] [4] [5] [6 ] [7 ] [8 ] 袁 中书． 矿 井 人 员 定 位 系 统 关 键 设 备 研 究 与 开 发 I- D] ． 合肥 合肥 工业 大学 ， 2 0 1 4 ． 何颖 ， 鹿剑 ， 郭亮． 煤矿井下人员定位 系统 的研究 和实 现[ J ] ． 测试 技术学报 ， 2 0 1 1 ， 2 5 3 2 0 0 2 0 4 ． 胡志坤 ， 蒋英 明， 王 文祥 ， 等． 基 于 Z i g B e e的井 下人员 精确定位方案 及实 现 I- J ] ． 计 算机 应用 与 软件 ， 2 0 1 3 ， 3 0 5 1 5 9 - 1 6 2 ． 刘志 高， 李春 文 ， 耿 少博 ， 等． 带盲 区巷道 网络 人员全 局 定 位 系 统 [ J ] ．煤 炭 学 报 ， 2 0 1 0 ， 3 5 增 刊 1 23 6 - 2 42 ． 孙妍． 基于 Z i g B e e的井下人 员管 理系 统 的设 计 [ D] ． 上海 上海交通大学 ， 2 0 0 9 ． 朱庆豪． 基 于 Z i g B e e的井 下人 员定 位 系统研 究 E J ] ． 科技创新 与应 用 ， 2 0 1 5 ， 3 9 3 3 2 6 2 7 ． 郭继坤 ， 丁龙． 矿井 非视距 环境 下 UWB人 员定 位算 法 [ J ] ． 黑龙 江科 技大学学报 ， 2 0 1 3 ， 2 3 2 1 8 1 1 8 4 ． 唐丽均 ， 杨智 勇． 煤矿井 下高 精度 定位节 点设 计 [ J ] ． 数字通信 ， 2 0 1 4 ， 4 1 3 8 0 8 2 ． 唐 丽 均 ， 杨 智 勇． 煤矿 井 下 精确 定 位 技 术 比较 分 析 I- J ] ． 煤矿现代化 ， 2 0 1 4 4 7 1 7 2 ． 张鹤丹 ， 卢才 武． 基于 Wi F i 技术 的井下人员 定位 系统 研究[ J ] ． 金属矿 山 ， 2 0 1 2 9 9 9 1 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； p r o g r a mm a b l e c o nt r o l t e c hn ol o g y 供 审 0 引 言 长 期 以来 ， 中国煤 矿 井 下 排水 系 统 均 采用 中央 泵 房 、 电动 机驱 动 卧式离 心水 泵 的模式 ， 其 中的主要 电器设 备不 具 有 防水 性l 1 ] 。在 遇 到 水 侵 害 时 ， 电气 系统 必然遭 到 损坏 而导 致断 电 。根据 国家 对煤 矿排 水系统的要求 ， 在水文地质复 杂、 有 突水危险 的矿 井 ， 除 了保 证 有正 常 的排水 系统 外 ， 还 必须 建 立强排 系统【 。 煤矿防治水规定 第 6 6条规定 在正常排 水 系统基 础上 安装 配备 排水 能力 不 小于最 大 涌水 量 的潜 水泵 排水 系统 [ 。强排 自动 控制 系统 可对 矿 井 潜水 泵 等设备 进 行集 中监 测和 控制 。国 内对 强排 系 统的研究主要是将大排量 、 高扬程 的潜水泵作为主 要研究对象 ， 并从潜水泵在强排系统中的安装方式、 预防意外涌水的作用 、 强排 系统 的设计 等方面进行 研 究 ， 对强 排 自动控 制 系统 的设计 研究 不 多 l 4 ] 。本 文设计 了一 套 适用 于 煤 矿 井 下 ， 并 可 在 地 面控 制 室 对 矿 井潜水 泵 等设 备进 行集 中监 测 和控制 的强 排 自 动控 制系 统 。该 系统 以可 编 程 控 制技 术 为核 心 ， 利 用工业控制计算机为操作平 台， 通过各种矿用本质 安全型传感器实时监测煤矿井下设备的工作状态 ， 通过 对潜 水 电动液 控 闸阀 的操作 实现 强排 系统 的 自 动控制 ， 使强排系统安全 、 可靠、 经济 、 合理运行 。 1 强排 自动控 制 系统 组成 及结构 强排 自动 控 制 系统 的主 要设 备 包 括 潜 水泵 、 潜 水电动液控闸阀、 高压开关 柜、 低压配电柜、 自动化 控制 系统 等 ， 配套 设 备 包 括 排水 管路 、 高 压 电缆 、 低 压电缆、 控制电缆及各种传感器元件等。电缆均采 用 防水 阻燃 型 电缆 ， 潜 水 泵 和 潜水 电动 液 控 闸 阀均 为 隔爆 型 ， 接 线 盒具有 防水 功 能 ， 就 地控 制箱 和 电源 开关 放 置在 高位 斜巷 内。强排 自动 控制 系统 组成 如 图 1所 示 。 强 排水 所用 的主 要排 水 设 备 是 潜 水 泵 ， 可 根 据 矿 井井 深 和涌水 量确 定潜 水泵 的扬 程 、 流量 等参 数 。 潜水电动机采用高压电动机 ， 高压开关柜 主要通过 控 制潜 水 电动机 的启 停来 控制 潜水 泵 。 图 1强 排 自动 控 制 系统 组 成 逆止 阀安 装在 潜 水 泵 出水 口的上 方 ， 其 主要 作 用是当潜水泵突然停止运转或未关闭水泵潜水电动 液控 闸 阀 的情 况下 停泵 。逆 止 阀能 自动关 闭并 切 断 管路 中的水流 ， 避 免 潜水 泵 因受 到 排 水 管 中的水 力 冲击 而损 坏 。潜水 电动液控 闸阀安装 在专 用 的排水 管路 上 ， 位于 逆止 阀的上方 ， 其 主要作 用是 调节 水 泵 的流量 和辅 助潜水 泵 的启停 控制 。 井下采用 的传感器均经过防水处理 ， 用于检测 潜水 泵 现场 的水仓 水 位 、 出水 口压力 、 潜水 泵 温度 等 参数 。 自动 化 控 制 系 统 以可 编 程 控 制 器 为 控 制 核 心 ， 结合力控组态软件 ， 实现运行参数的实时采集和 控制。上位机主要用于实现人机信息的交流和监控 功 能 。 自动 化控 制系 统 的总体 结构 如 图 2所 示 。 潜 水电动液 控 闸阀状态 潜 水电动液 控 闸阀位置 按键控制信号 c P u 模 块 通 信 模 块 数 字 量 输 出 模 块 上位机监控 中心 图 2 自动化控制系统总体结构 一一一一 一一一一一一一 模拟量输入模块 一 一 数字量输入模块 一 一一 一一 一一 一一 一一 2 0 1 7年 第 5期 宫学 东等 煤 矿 强排 自动控 制 系统 设计 7 7 2 强排 自动控 制 系统功 能设计 在发生透水事故或矿井涌水并淹没井下常规 的 排水设备、 造成常规排水系统瘫痪的异常工况下 ， 需 要启动强排 自动控制系统。鉴于强排 自动控制系统 使用工况的特殊性 ， 其应具备 以下功能r 8 ] 。 1 实 时 监 控 。 由 于 矿 井 透 水 事 故 具 有 突 然 性， 所以 ， 系统要实时监测井下水仓水位和潜水泵机 组运行 的实时参数。根据实际需要 ， 可在监 控界 面 显示水仓水位、 水泵出 口压力 、 流量 、 潜水泵 电动机 电流和 电压 、 潜水 泵机组 温度 、 故 障信 息、 报 警信 号 等 。 2 保护功能 。强排控制系统应具有 以下保护 功能 超温保护 ， 潜水泵轴承温度或 电动机绕组温度 过高时 ， 温度保护装置使潜水泵停车； 过流保护， 潜 水泵 工作 时 ， 一旦 电流 超 过 按 照额 定 电流 设 置 的保 护值 ， 控制系统发出故障信号 ， 同时停机 ； 低 电压及 漏电流保护 ， 当潜水 电动机的供电电压小 于低 电压 保护 的设 定值 时 ， 控制 系统 发 出停机 命令 ， 同时进 行 故障报警 。 3 操作模式转换功能 。在操作模式上 ， 强排 控制系统有 自动 、 半 自动和手动 3种操作模式可 以 选择 。自动模式下， 控制系统 自动完成排水动作 ， 由 P L C根据采集到的水位 、 压力等信号进行判断并发 出启 动 和停止 命令 ， 整个 控 制过 程不 需要 人 工参 与 ； 半 自动模 式下 ， 由人工 选择 需要 开启 哪 台潜水 泵 ， 并 通过一键操作完成排水过程； 手动模式下 ， 系统的开 启和关闭等操作都需要人工按照一定的操作顺序来 完成 。手动操作模式可使强排水泵强制开启 。 4 意外状况下保证可开启潜水泵 。为防止强 排 自动控制系统长期搁置不用 ， 导致相应 的潜水泵 机组 、 潜水电动液控闸阀出现机械故障或电气故障 ， 使得在出现紧急状况时系统不能及时投入使用 ， 有 必要设计潜水泵定期开启的工作制度。 3强排 自动 控 制 系统 硬 件设计 3 ． 1 检 测 元件 选择 在可编程控制系统中， 检测元件 即各种传感器 是进行数据采集的基础 ， 所 以检测元件 的精度和可 靠性会对控制系统的性能产生影响。检测元件的选 择通 常需 考 虑 以下 3 个 方 面 ① 量 程 。检 测元 件 需 要测量的参数 的最大值必须稍小于该检测元件规定 的最大值 。若量程过小 ， 会造成检测元件的损坏 ； 若 量程过大 ， 会使测量的结果不精确 ， 从而影响控制效 果 。② 线性度。检测元件 的输入 与输 出之 间应是 线性关 系。例如 ， 压 力传 感 器 的输 出电流 为 4～ 2 O mA， 其量程为 0 ～1 0 MP a ， 输人为 0 MP a时对 应 的输 出为 4 mA； 输人 为 1 0 MP a时对应 的输 出为 2 O mA_ 1 。③ 工 作 环境 。结 合 煤 矿 企 业 对 设 备 选 型的具体要求_ 1 ， 选用的检测元件应 防爆 、 耐潮且 具有 抗 电磁 干扰 能力 [ 1 2 3 。 由于上述 因素相互 影 响 ， 所 以 ， 在选 用检 测元 件 时 ， 一般要综合多方面进行考虑 ， 从整体性能上进行 比较 。在综合考虑整体性能 的情况下 ， 确定系统主 要检 测元 件 的性 能参数 ， 见 表 1 。 表 1 系统主要检测元件性能参数 3 ． 2供 电 电 源 设 计 强排 自动控制 系统采用专用 电源 ， 根据水泵 的 使 用 功率 和 供 电距 离 采 用 不 同型 号 的 铠 装 矿 用 电 缆 ， 由地面供 电系 统 给 井 下强 排水 泵 供 电。潜 水 电 动液控 闸阀用潜水 电动机 、 P L C及各传感器的供 电 电源如 图 3所示 。 系统需 要 的 电源 是 6 6 0 V 交 流 电 ， 通 过 变压 器 将 电压变 为 AC 2 2 0 ， 1 2 7 ， 3 6 V 三种 电压 。AC 2 2 0 v／ 1 ． 8 A用 于 为 P L C、 潜 水 电动 液 控 闸 阀 的 交 流接 触 器 的线 圈、 本安 电源 AVR6 供 电。AC 1 2 7 v／ o ． 5 A 用于为流量传感器提供电源 。AC 3 6 v／ 2 A主要用 于为部分 中间继电器提供电源。经过本安 电源转换 得到的 D C 2 4 V用于给压力传感器 、 P L C的各个模 块及大部分 中间继电器供 电。 3 ． 3本 安设 计 本文所设计的强排 自动控制系统要具备本质安 全功能， 也就是使设备本身具有安全性 ， 在误操作或 发生故障的情况下也不会造成事故。安全栅又称为 安全限能器， 接在本质安全 电路和非本质安全电路 之间， 是一种能将供给本质安全 电路的电压和电流 限制在安全范围内的装置。现场设备与控制室之间 的能量接 口采用安全栅 ， 可以使现场的仪表具有本 7 8 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 8 一上 A ] 匠E 一- CPl ． ”1 一 一 ， 6 』_cP2 ” ． 1 A v 一 7 B 0 “ l l C 2 0 1 2 6 2 4 I 一 ● 一 ● [ _一 ⋯6 _一 一 t l 。 1 。 。 1 一 l l I W 4 U 2 [V 2 W ／ ＼ ／ 2 2 k W 2 2 kW 3强 排 自动 控 制 系 统 供 电 电源 质安 全性 ， 也 可保 证数 据 的可 靠 性口 。本 设 计 采 用 隔离式安全栅 ， 其 电路结 构是在输入 、 输 出及 电源 三者之间进行 电气隔离。隔离安全栅具有较强的信 号 处 理 能 力 ， 且 可 以 同 时 输 出 2路 相 互 隔 离 的 信号 ⋯ ] 。 4工业 性试 验 在实 验 室 中分 别 进行 了潜 水 电动机 启动 电压 的 压降实验 、 位置传感器信号远距离实验 、 长距离控制 潜水 电 动 液 控 闸 阀 动 作 实 验 。实 验 结 果 表 明 ， 1 k m 电缆传输电压的压降不大， 能实现在电源端长 距离 控制 潜水 电动 机 的启 停 ， 电控 箱 的继 电器 能 够 得到 长距 离传 输 的反馈 信号 。 在 理论 分 析 及 实 验 的基 础 上 ， 在 霍 州煤 电集 团 干河 煤矿 对 强排 自动 控制 系统 进 行 了工 业性 试 验 。 试验 采用 7 0 0 m 专 用 电 缆 将 井 下 排 水 设 备 及 各 种 传感器与地面操作 室的控制柜连接 ， 通过局域 网将 检测数据实时传送到调度中心 。从现场的试验情况 看 ， 该系统运行情况 良好 ， P I c控制稳定 ； 潜水 电动 液控闸阀开启 、 关闭动作正常 ， 启闭瞬间管路振动幅 度不大 ， 在很大程度上降低了水锤效应 。 5 结语 介 绍 了强 排 自动 控 制 系统 的总 体结 构 、 功能 设 计 和 硬件设 计 。该 系统 以 P L C为控制 核 心 ， 采用 传 感器监 测 潜水 泵现 场 的水 仓 水位 、 出水 口压 力 、 潜水 泵 的温度 等参 数 ， 结合 上 位 机 共 同实 现对 井 下 强 排 系统 的 自动监 测和 控制 。该 系统 能够 提高 矿 山的应 急救 援能 力 ， 对 保 障矿 山 的安全生 产具 有重 要 意义 。 参考文献 [1 ] [2 ] [3 ] [ 4] [ 5] [ 6] [7] 赵书忠 ， 张晓四 ， 宋建 国． 矿用潜水泵在煤矿抗 灾强排 系统 中的应用E J ] ． 煤炭工程 ， 2 o 1 2 ， 4 4 6 6 2 6 3 ． 国家安全生 产监督 管理局 ， 国家煤 矿安 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