PLC技术在井下排水控制系统中的使用.pdf

2018 年 10 月2018 年第 10 期 0引言 矿井透水事故作为严重威胁矿井生产安全的主要 因素之一，其发生是由于井下回采作业导致原有地层 构造出现改变，使得采区同地下储水层相互联通而导 致。面对这种情况，如果无法借助有效的井下排水系 统尽快将涌水排出，必将使得矿井生产的连续、安全 开展遭到严重破坏。有鉴于此，通过现代化技术手段 构建高效的井下排水控制系统，实现井下排水作业的 持续、稳定开展对煤矿企业的长久持续发展意义重大。 1传统排水系统控制不足分析 过去矿井排水系统的控制多依靠人工操作实现， 这种方式要求工作人员必须依照有关操作流程，凭借 个人经验对井下水泵的启停进行操控。当工作人员发 现水仓水位达到上限时，其需要及时启动水泵，打开 阀门，排出过多的积水；而当发现水位得到控制时则 又需要及时关闭水泵。与此同时，工作人员在进行水 泵操控时，还应对投入运行的水泵数量进行调控，依 据自身经验，在确保水泵排水效果的同时，实现水泵 的有效轮换使用与电力消耗的有效控制。这使得以往 的排水系统操控方式存在下述几点不足a 排水效率 较低，稳定性不足。依靠人工操控井下排水作业，工 作人员个人经验和自身责任心至关重要，同时面对复 杂的作业过程，个人操作的效率普遍不高；b 操作人 员作业量大，人为失误难以避免。排水系统的操作需 要工作人员时刻关注涌水情况，做出相应的合理判定， 作业量往往较大，长时间操作，极易出现人为失误[1]。 2自动排水控制系统实现分析 2.1系统整体构成分析 基于 PLC （ 可编程逻辑控制器 ） 控制系统的矿井自 动化排水系统核心构成部分包括井下监控单元和井上 监控主机两大部分。井下监控单元的组成设备主要有 PLC 控制中心、信息采集处理设备、传感装置和通讯线 路等，其中 PLC 控制中心是整个井下操控作业的核心 要点，承担着井下涌水信息的收集、整理与控制，并担 负同井上监控主机间的信息交换，以确保井下监测所 得数据及时传递至地面显示端[2]。图 1 所示即为矿井自 动化排水控制系统整体构成示意图。 图 1矿井自动化排水控制系统整体构成示意图 2.2水仓水位监测分析 实现矿井排水系统的自动化控制首先必须实现对 井下水位值的自动化监测。基于这一需求，本系统选 用投入式液位传感装置针对井下水位变化进行监测。 收稿日期2018-07-18 作者简介王韶勋，1988年生，男，山西运城人，2013年毕业于中 国矿业大学机械电子工程专业，助理工程师。 PLC 技术在井下排水控制系统中的使用 王韶勋 （ 山西焦煤西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西 兴县 033600 ） 摘要 在分析传统排水控制系统不足的基础上，对排水系统自动化控制的实现进行了全面总结和论述，希望能为相 关技术的推广普及提供一定的借鉴与参考。 关键词 矿井；排水系统；PLC；自动化 中图分类号 TD744文献标识码 A文章编号 2095-0802-201810-0161-02 The Use of PLC Technology in Underground Drainage Control System WANG Shaoxun Xiegou Coal Mine, Xishan Jinxing Energy Co., Ltd. of Shanxi, Xingxian 033600, Shanxi, China Abstract On the basis of analyzing the shortages of traditional drainage control system, this paper comprehensively summarized and discussed the realization of the automatic control of drainage system, hoping to provide some reference for the popularization of related technologies. Key words mine; drainage system; PLC; automation （总第 157 期） 实践运用 PLC控制中心 井下交换机 地面交换机 地面监控中心 1水泵系统 2水泵系统 3水泵系统 4水泵系统 5水泵系统 6水泵系统 7水泵系统 4 条 排 水 管 路 流 量 温 度 巡 检 和 传 感 器 机 电 配 电 系 统 161 2018 年第 10 期2018 年 10 月 图 3PLC 装置同系统其他硬件连接示意图 这种装置的运行原理为将监测探头放入水面下特定位 置，借由对水面下水压的计算得出水面具体方位。其 具体计算必须结合水下压力与空气压力差值进行求解， 同时所得数据需转化为相应的电信号，通过放大和 A/D （ 模数转换器 ） 转换后，再将相应的信号传输至单片机 进行处理。图 2 所示即为其实现原理示意图 （ 图 2 中， EPROM 为非挥发性存储芯片；A/D 转换器为模数转换 器；7809 为水位信息 ） 。 图 2水位传感装置作业原理示意图 2.3水泵压力检测分析 水泵压力的监测主要借助应变式压力感应装置获 得，应变式压力感应装置是测定液体介质静态压力或 动态压力的一种常用装置，其主要以筒式弹性元件或 膜片充当核心组件，运行原理为当传感器受到外界压 力 p 作用时，其膜片或弹性元件会出现径向应变与切 向应变，其表达式分别见式1和式2 着r 3p1-滋2R2-3x2 8h2E ，1 着子 3p1-滋2R2-x2 8h2E ，2 式1～式2中，着r、着子分别为径向应变、切向应变；p 为外界压力，N；滋 为膜片厚度，mm；R 为膜片半径， mm；x 为距离圆心的径向间隔，mm；h 为水位高度， mm；E 为弹性模量，Pa。 借由在膜片圆心及边缘区域粘贴应变片，并配合 全桥电路的温度补偿功效，能实现对水泵压力的有效 测定，并确保其误差控制在极小的范围内。本系统水 泵压力检测作业便是通过该传感装置予以实现的，其 在使用中兼具安装维护便捷和功效持久稳定等优点， 能有效应用在对水泵所受冲击压力的测定。 2.4PLC 控制中心分析 PLC 装置作为井下排水系统自动化运行的关键核 心，有质量轻、体积小、能耗低、抗干扰性优良等诸 多优点，能在复杂多变的井下恶劣环境中长时间有效 运行。本系统选取西门子公司生产的 S7-300 系列 PLC 系统充当矿井排水系统控制核心。S7-300 系列 PLC 装 置采用模块化设计理念，借由对各类模块的组合有效 确保其具备良好功能和拓展性能的同时有效适应不同 的使用环境。图 3 为 PLC 装置同系统其他硬件连接示意 图，其中 RS485为接口芯片；PROFIBUSDP 为总线协议。 2.5上位机监控分析 上位机监控系统布设于矿井地面，能通过软件显 示界面对井下泵房设备的运行情况进行实时了解，是 实现人与 PLC 控制系统间有效互联的关键桥梁。本系 统上位机监控软件选用 WinCC V6.2 系统进行界面组态 设计，并使用 SQL Server 2000 WinCC 数据库进行数据 存储，从而为工作人员实时查询以往设备运行数据提供 坚实保障。图 4 所示即为系统上位机监控界面示意图。 图 4系统上位机监控界面示意图 3结语 矿井排水系统作为井下生产作业得以持续、安全 开展的关键性保障，对整个矿井的长久可持续发展意 义重大。采用现代化 PLC 控制技术，实现井下排水系 统的自动化控制运行，并借助网络传输技术，使得作 业人员能在地面监控中心对井下泵房设备运行状态进 行实时了解，真正实现了泵房的无人值守，在减少人 力投入的同时保证设备运行安全性，提升作业效率。 参考文献 ［1］ 陆奎， 李虎， 汪洋.基于 PLC 的矿井排水控制系统设计 ［J］ .煤 矿机械， 2015， 367 302-303. ［2］ 张国峰.基于 PLC 的煤矿井下排水自动控制系统 ［J］ .机械管 理开发， 2015， 304 34-36. （ 责任编辑高志凤 ） 7809 放大及变换 6 V-6 V 传感探头检测电桥放大电路A/D转换器 EPROM 振荡器 数码管显示 电流输出 单 片 机 触摸屏 水位传感器 真空泵控制 声光报警 PLC 1高压柜 综保单元 4高压柜 综保单元 RS485 PROFIBUS-DP 4远程扩展模块1远程扩展模块 RS485 真空泵球阀 到位信号 模 拟 量 输 入 模 块 数 字 量 输 入 模 块 数 字 量 输 出 模 块 数字量输入模块 温 度 巡 检 仪 模拟量输入模块数字量输出模块 球 阀 到 位 信 号 闸 阀 到 位 信 号 就 地 控 制 命 令 流 量 传 感 器 压 力 传 感 器 负 压 传 感 器 球 阀 控 制 电 动 闸 阀 控 制 水 泵 高 压 柜 控 制 声 光 报 警 1泵压力2泵压力3泵压力 162