基于PLC-SCADA技术的排水系统在某煤矿中的应用.pdf

机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 网址 电邮 hrbengineer圆园20 年第 6 期 MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER 基于PLC-SCADA技术的排水系统 在某煤矿中的应用 韩少勇 （重庆市綦江区逢春煤矿， 重庆 401420 ） 摘要某煤矿对排水系统进行了智能化升级改造， 采用了先进的PLC技术和SCADA组态软件技术。 经过长时间的运行证 明， 该系统达到了预期效果， 实现了有人巡检无人值守、 实时在线监测和控制模式的多样化。 文中介绍了系统功能并提出今 后智能化改造要解决的问题。 关键词现场控制； 智能化排水系统； 预期效果； 无人值守； 多种控制模式 中图分类号TP 273.5文献标志码粤文章编号 员园园圆原圆猿猿猿 （2020） 06原园067原园3 Application of Drainage System Based on PLC-SCADA Technology in a Coal Mine HAN Shaoyong （Chongqing Qijiang District Fengchun Coal Mine, Chongqing 401420, China） Abstract A coal mine has intelligently upgraded its drainage system and adopted advanced PLC technology and SCADA configuration software technology. The long-term operation proves that the system has achieved the expected results and realized the diversification of unattended, real-time online monitoring and control modes. This paper introduces the system functions and puts forward the problems to be solved in the future. Keywords field control; intelligent drainage system; expected effect; unattended; multiple control modes 0引言 我国的矿井有相当多的部分是地下矿， 并且部分矿井 地下水较发育， 矿井排水系统的工作状态直接影响着矿井 的生产和工作人员的安全， 因此排水是煤矿生产中极其重 要的一环[1]。目前我国大部分煤矿的排水系统采用的是现 场控制， 不能进行实时监测和远程控制， 工作人员无法及 时监视设备的运行状况[2-4]。 当前的控制方式决定了水泵房 需要24 h不间断地有人现场值守， 这就导致了人工成本的 增加， 同时人工控制设备也增加了因为值班人员失误或设 备检修不及时造成水位超高而引起水灾事故的风险[5]。 目前我国煤炭行业的竞争压力较大，煤炭企业要保证安 全、 高效的发展， 提高矿井自动化水平、 提高企业管理水 平、 减员增效、 做到安全科学的生产是必经之路。 本文结合已经完成排水系统改造的某煤矿对其应用效 果进行研究分析， 以使其能更好更快地在行业内得到推广。 1改造方案 1.1现状分析 煤矿中央泵房安装4台MD360-40伊4型煤矿用耐磨多 级离心泵， 真空射流启动， 阀门均为完好的电动阀不需要 更换， 配套YB450S2-4 （280 kW， 10 kV） 隔爆型三相异步 电动机4台； 排水管设置3排准273伊10无缝钢管。若无在线 监控设备，工作人员无法及时监视系统运的行状况及设 备状况。主要存在的问题有 1） 设备需要现场操作， 人员 费用高， 生产效率低； 2） 系统参数监测不及时， 不能及时 掌握系统的运行状况， 设备维修不及时， 并且人员上下井 耗时较多， 故障恢复时间长， 对生产的影响较大。本次计 划对煤矿中央泵房的4台水泵进行智能化改造。 1.2系统组成 智能化排水系统通过可编程控制箱来采集电动阀 门、 电动机、 水仓水位， 以及水流压力等设备的状态信号， 并且根据上位机的指令或者预先设计好写入PLC的控制 流程来执行水泵工作的相关步骤。PLC控制箱根据对开 关量、 模拟量及通信数据等信息的综合处理， 来实现对设 备启停的多种控制，同时将监测的各种设备状态通过环 网传输到地面， 呈现在地面监控系统上[6-7]。 地面监控系统由监控计算机、工业摄像头和监控软 件等组成。地面监控系统通过已经建设完成的工业环网 与井下控制系统进行通信，机房服务器对实时读取到的 井下监测设备参数进行处理和储存。上位机可以实时监 测井下设备参数， 并发出操作指令。 系统工作原理见图1。 2工程实例 2.1硬件安装 1） 地面上位机安装在调度室。实时获取经服务器处 理的数据。 2 可编程控制器安放在水泵房变电所。由于水泵需 要监测的点较多，所以需要KXH18对水泵房进行集中控 制， 该设备适应能力强， 具有人机交互报警功能， 内置扩 音电话可以实现调度室与井下水泵房之间的实时通信。 3 SIMATIC S-1200PLC控制开关安装在水泵房变电 所。SIMATIC S-1200是西门子公司生产的一款设计紧 凑、 节省空间、 成本低廉且功能强大模块化控制器。 4 流量传感器安装在主管路上。工作原理是利用超 67 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 圆园20 年第 6 期网址 电邮 hrbengineer MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER 图2无人值守模式梯形图程序 图3系统工作流程 无人值守控制 液位状态 一键启动 启动故障 故障报警 电动机启动故障 排真空时间过短 阀门未开到位 水位1.3 m 一键停止 否 是 增加一台工作水泵 否 是 水位1.3 m 10 min液位状态 水位1.3 m 声波在流动的液体中传播时的时间差的变化与流速成正 比;传感器的测量范围为35耀500 m3/h、 工作电流为18 V、 误差范围为1，该型号的传感器较其他的适应能力更 强， 更精确。其检测原理为 V MD sin 2兹 驻T Tup Tdown 。（1） 式中 兹为波束与液体流量的夹角； M为波束在液体中直线 传播的次数； D为管道直径； Tup为波在正向的传播时间； Tdown为波在逆向的传播时间； 驻T为两者时间差。 5） 超声波物位传感器安放在水仓上方。是利用传感 器探头发射的超声波在遇到被测介质时，部分反射回来 被接收器所接收； 该设备的测量范围更大 （0耀8 m） ， 对应 的量程为4耀20 mA， 工作电压为18 V。其测量原理为 LV t2-t1/2。（2） 式中 V为超声波在空气中的传播速度； t2为发射到介质反 射的时间； t1为介质反射到接收器接受的时间。 6） 投入式水位传感器安放在水仓。 工作原理是压力信 号经传感头变换为与压力信号成正比的直流电压信号， 该 信号经过放大后送模数变换器转换成数字信号。 经过内部 软件换算处理可得到相对应的水位值，再转化成频率信 号。 通过 RS485 通信电路和外部进行数字通信。 该传感器 操作简单， 测量范围大 （0耀10 m） ， 误差小 （依2） 。 7 本安型数字压力表安装在主管路。工作原理是利 用传感器内部Wheatstone电桥的两支电阻在外界压力的 作用下阻值变大， 另外两只电阻在拉伸作用下阻值变小， 电阻阻值的变化使电桥失去平衡，并且产生了一个与外 界压力成正比的电压输出信号，最后电压信号经过转换 处理形成4耀20 mA的电流信号。该压力表性能稳定、 测量 精度高、 抗干扰能力强。 8 表面温度传感器。可以用于煤矿井下电动机等设 备表面温度，传感器内有高强度磁铁可以直接吸附在被 测设备表面， 使用方便， 测量精度较高。 2.2软件安装与系统调试 2.2.1 调度室上位机系统安装 上位机应用SCADA组态软件进行开发， 可以对压力、 电流、 电压和温度及阀门的状态进行实时监测， 并可以进行超高水位、高水位和低水位的三级 设置[9]。 SCADA软件可以根据需要对主界面上的 开关按钮、状态显示图形进行形状及颜色上的 修改，当水泵开始正常工作时管路内会有水流 动的模拟动画，当设备故障时系统界面会有语 音报警和文字报警， 并显示具体故障位置； 相比 于以前应用的Wincc的最大优势在于可以将多 个不同的系统融合在一台上位机上，节省了成 本和调度室的空间[10]。 2.2.2 井下PLC调试 应用西门子公司开发的博图软件 （TIA Portal V14） 对PLC进行调试， 采用梯形图 （LAD） 创建程序代码， 将就地控制、 远程控制和无人值 守控制的代码写入可编程控制器。 该系统能够根据监测到 的水位和水泵开停时间等按照最优的方式启停试泵。 无人 值守模式梯形图程序代码见图2， 系统工作流程见图3。 2.3系统操作 某煤矿建设的智能化排水系统有5种控制模式 就地 手动控制、 就地自动控制、 远程手动控制、 远程自动控制， 以及无人值守控制。 图1系统工作原理图 660 VAC 隔离开关 变压器 接 触 器综合保 护器 2总线 电流采集 开度采 集模块 闸阀返回点 电动闸阀电动球阀电动机 压 力 PLC模块组 电源、 CPU、 16X、 8AD 显示屏 电源模块 四路 KCC2-5S 温度 水 位 2总线 接 触 器 电压采集 2总线 1总线 流 量 68 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 网址 电邮 hrbengineer圆园20 年第 6 期 MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER 1） 就地手动控制。 控制开关旋转至就地检修模式， 打 开球阀开关， 球阀打开后开启底阀开关等待30 s后 （空气 会从球阀排除） 关闭球阀开关， 打开电动机开关， 待压力 正常后开启闸阀开关， 闸阀完全打开后水泵启动成功。 水 泵关闭时先关闭闸阀， 再关闭电动机。 2） 就地自动控制。将控制开关旋转至就地自动位置， 旋转F4旋钮从中间到右边位置， 过2 s再旋转到中间位置， 水泵自动根据流程启动。旋转F4旋钮从中间到左边位置， 过2 s再旋转到中间位置， 水泵自动根据流程停止。 3） 远程手动控制。只是将控制开关旋转至远程控制 模式， 现场手动操作流程改为上位机远程操作。 4） 远程自动控制。 现场控制开关旋转至远程控制， 上 位机远程切换到自动模式，点击一键启动就可以完成启 动程序。 5） 无人值守控制。在主排水智能化系统控制界面点 击参数设置按钮， 弹出参数设置界面， 点击设置低水位、 高水位、 超高水位、 谷启动时间、 谷结束时间， 点击切换主 水位以1号水位还是2号水位为比较基准，点击无人值守 按钮， 切换从远程集控显示为无人值守。 3效益分析 某煤矿建设的智能化排水系统经过7个月的安全运 行， 证明应用的技术先进、 软件与硬件搭配合理、 系统兼 容、 工作安全可靠。 3.1安全效益 1） 由于在中央泵房安装了高清摄像头， 使监控中心 可以实时掌握水泵房的动态， 加强了管理者的监管力度， 使安全生产的投入效益得到优化， 产生显著效益； 2） 智能化排水系统的运行实现了 “有人巡检、 无人值 守” 的建设目标， 精简了井下值班人员的数量， 大大提高 了安全性。 3） 通过SCADA组态软件在调度室可以实时对主要部 件进行监测，实现了设备工作状态的远程监控和远程操 作， 解决了由于人工操作所存在的各类事故隐患； 可以及 时地发现设备故障，防止了因设备故障处理不及时而引 起的生产事故。 3.2经济效益 1） 改造完成后的排水系统可以根据水位、 用电峰谷 及设备的开停时间， 智能化地选择水泵启停； 能够在地面 计算机上控制各水泵的启停；能够显示记录并保存排水 系统的重要参数， 为矿井生产带来了良好的经济效益。 2） 某煤矿中央水泵房原来每天每班要两人值守， 智 能化改造完成后每班只需要一人巡检，每天减员3人次， 按每人工资5000 元/月计算，企业可以节省人工费用18 万元/a。 4结论 1） 改造后的排水系统经过7个月的运行， 煤矿将2名 值守人员改为每班1人巡检，系统运行后减少了人员成 本。 2） 系统运行后提高了排水系统的工作效率， 从经济 和安全方面都给企业带来了可观的效益，也证明了智能 化排水系统值得在煤矿企业中大力推广。 3） 由于水泵的监测点较多， 而目前的可编程控制器 的控制点位不够， 导致每台水泵都需要一台控制开关， 整 个系统需要的传感器数量也比较多，这就导致安装和维 护工作量都非常大， 所以开发出功能更强大的PLC和多功 能传感器是今后发展的重点。 [参 考 文 献] [1]杨春.煤矿水灾事故不安全动作原因研究[D].北京中国矿业大 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