基于PLC矿井排水系统远程自动化控制.pdf

基于 P L C矿井排水 系统远程 自动化控制 基于 P L C矿井排水系统远程自动化控制 余婷婷 胡 杰 ’ ，。 1淮南矿业集团潘北矿， 安徽 淮南 2 3 2 0 9 6 2安徽理工大学电气与信息工程学院， 安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 摘 要 近年来 ， 我 国矿井在优化排水方案 、 改造排 水 系统及提 高排水设备 稳定性方面也做 了大量的研 究。随着煤矿安全生产 要 求的提 高， 井下排水 系统的安全性与可靠性要求也随之提 高。 目前 井下水的排放主要 的人 工管理的方式 ， 具有安全无保 证 、 设备运行 经济硅差 以及人 为不当操作造成设备损耗等弊端 。因此 ， 采用 自动控制 系统具有重要 的意义。 关 键 词 矿 井排 水 ， 自动 控 制 Ab s t r a c t I n r e c en t y e ar s ， China s mi n e s i n opt i mal dr ain age plan，t h e t r a n s f or ma t ion dr aina ge s y s t e ms a n d i mpr ov e dr ain age e quipme n t s t a bi l it y ar ea s h av e don e a lo t o f r es e a r c h Wit h t he i mp r o v emen t o f c oa l min e s a f et y pr odu c t ion r e quir e men t s， u n der gr o un d dr a i n ag e s y s t em s e cu r it y a nd r e l iabil i t y r e quir e me n t i n cr e as e s Un der gr oun d wa t er di s ch ar ge c ur r e n t ma i n a r t i f i c i a l ly man a ge me n t wa y ， ha v e s a f e t y e quipme n t ， n o r un nin g e c on o my ca u s ed b y impr o pe r op er a t ion p oo r an d a r t if icial e qu i p men t l o s s di s a d va n t a ge s Th er e f o r e，ad opt s t he a u t o ma t ic c on t r ol s y s t em ha s i mpor t an t s i gn i f i c an c e 1 矿井排水 系统的重要性 矿井水 的形成一般是 由于巷道 揭露 和采 空区塌陷波及 到水 源所致 ， 水源主要是大气降水 、 地表水 、 断层水 、 含水层水 、 采空区 水及开采作业用水。 在我国煤矿的原煤开采中， 平均每年将有 2 O ～ 4 0 亿 m。 的地下水需要 由排水设备抽排到地面。 数据显示 ， 在发生 的煤矿安全事故中， 以瓦斯爆炸和水灾最为频繁和严重， 矿井排水 系统如果不能将矿井水及时排出矿井 ， 不仅制约矿井开采 ， 更会造 成人员伤亡 、 设备财产损失、 矿井坍塌等灾难性的后果。 2矿井排水 控制系统 的要求 淮南矿业集 团潘北矿井 于 2 0 0 4年 1 2月 2 6 IE i 正式开工建 设 ， 设计生产能力 2 4 0万 t ／ a ， 井 田面积 1 5平方公里 ， 2 0 0 8年 3 月 5日联合试运转 。目前矿井正常涌水量为 8 0 m3 ／ h ， 最大涌水 量 1 O O m3 ／ h 。 地质报告 资料 涌水量矿井 中央区涌水量为 正常涌 水量 5 4 0 m3 ／ h ， 最大涌水量 6 9 0 m3 ／ h 。矿井在 - 6 5 0 m 水平 设置 主排水泵房 ， 直接将矿井水全部排至地面水处理厂 。 目前 ， 主排 水泵房 内共安装 H DM4 2 0 x 9型离心水泵 5台 ， 单 台水泵额定流 量 为 4 2 0 m3 ／ h， 扬程 8 3 8 ． 3 m， 配套 电机 Y B 7 1 O M2 4 1 5 0 0 k W， 1 O k V 。正常 涌水量 时 2台工作 ， 2台备用 ， 1台检修 ； 最大 涌水 量 时 3台工作 ， 1台备用 ， 1台检修 。 作为特大型现代化矿井 ，排水系统的安全性和可靠性就显 得尤为重要 ，而稳定可靠 的控制系统正是实现这一 目标的重要 保证 。 综合矿井排水系统的特点及功 能要求 ， 一套完善 的控制系 统应具有 以下功能 1 可靠的水位监测 系统 ， 根 据警戒水位 的到达和系统 故障 类型及时发出报警和 自动启 动排水泵 ，传感器应 具备工作安全 可靠 、 性 能稳定等特点 。 2 控制 系统应能对水泵的起动和运行状态进行实时监测和 控制 。若水泵在起动或运行中出现电流 、 压力 、 温度异常等现象 时， 可发出故 障报警信号并使该水泵停止 ， 根据排水需要启动另 外 的水泵 。 3 控制系统应能可靠控制排水闸阀 、 配水 闸阀 选择水仓 、 电磁 阀 、 液压站等 排水辅助设 备 ； 各部位传感 器应能 向 P L C准 确传送有效信号 ， 使控制系统对排水泵进行适 时控制和保护。 4 为使矿井排水系统实现远程控制 ， P L C控制系统应能在尽 可能使用现有设备的情 况下 与矿井综合 自动化系统的衔接 。 3主排水 系统控制功能的实现 潘北 矿 主排水 泵控 制 系统 主控设 备选 用西 门子 S 7 3 0 0 P L C进行控制 ， 由于 P L C具 有可靠性 高 、 耗 电量小 、 编程 简单 和 带载 能力 强等特点 ，且具 备多机联网和易于实现全矿并 的生产 调度 自动化等功能 ，后期改造实现主排水泵的地面远程控制 系 统也是基于本套系统构建的。 1 准确的水 位监 测装置 由于 P L C的输入 信号可以是开关量 、数字量和模 拟量 ， 所 以水位检测装置的设计比较简单 有多种型式的传感器可供选 择 ， 只要 满足煤矿 井下工作 环境如 防爆 、 防潮 等特殊要求 ， 且具 备工作安 全可靠 、 性能稳定 即可 ， 我矿选择 的是 P R 0B E超声 波 液位计 ， 测量范围 O 5 m。 2 可靠的起动和运行控制 功能 在选 定排 水泵 、 排水管路后 ， 首先 由 P L C对排水泵 的状态 、 供 电开关状态 、各传感 器到位反馈进行检测 ，一如果 满足启泵条 件 ， 则起动 真空泵 、 打开电磁阀进行抽 真空 ； 当真空度满足起 动 水泵要求后 ， 给排水泵 主电动机开关 发出信号启动 主电动机 ， 当 电动机 电流接近额定电流且水泵 出水 口的压力达到工作压力时 认为水泵工作正常 ，电流检测装置和带 电触点的压力表将分 别发出信 号 ， 起动液压站电机 ， 打开选定排水管路上 的液动阀门 至设定 位置 ， 实现排水泵正 常排水 。 起 动过程 中如有任一环节不 满足起动 排水泵要求 ， 系统将停止起动过程 ， 并发出故障报警。 对排水泵 的运行状态实时监测 。若排水泵在运行 中出现电 流 、压力异常等现象时 ，可发 出故障报警信号并使该排水泵停 运 ，工作人员根据排水需要起动备用排水泵或将所有备用排水 泵的选择 开关按下 由系统依次选择。 排水 泵起 动和运行期间 ，主 电动机 的店里参数监测和保护 功能实现由高压供 电开关完成。 3 排水 系统 中的排水闸阀 、 配水 闸阀 为液压控制且 由开 、 关位置 的传感器 向 P L C提供 “ 打开到 下转第 g 1页 工业控制计算机 2 0 1 1年第 2 4卷第 2期 9 1 比较器 CP 0不发生 翻转 保持 高电平 。 断路故障的工作时序如 图 5所示 。对断路故障 的检测只需在 MCU输出驱动方 波后延 时一定 时间检测 CP _ P e a k的状态 ， 如为高则为断路故障。 3仿 真 及 驱 动 参 数 的 确 定 图 6电磁阀 P WM驱动 方式仿真模型 为确定 电磁 阀的驱动参数 ， 可利用 Ma t l a b S i mu l i n k软件对 高速 电磁阀的 P WM驱 动方式进行建模仿 真 ， 以分析各驱动参数 对 电磁阀驱动性 能的影响 ， 仿真模型如图 6所示 。 通过仿真可知 增大线圈电压可提高电磁 阀开启速度 ； 合适的开启脉 冲可保证快 速响应性而不至于使线圈电流过大 ； P WM 占空 比是维 持电流的 电控驱动模块 j l 系统Ⅱ d 钟初 始化 端 口配 十J J 始化 比较器CP 训始化 P C A初始化 DA C初ff j 化 定II 器T O 初 始化 图 7 主程序 图 8 T O中断子程序 图 9驱动触发 中断 子 程 序 主要决定 因素 ； P WM 脉冲频率影响电流的稳定性 。 在仿真的基础 上经过大量的试验验证并最终确定电磁 阀的驱动参数 。 4 驱动模 块软件设计 驱动模块软件主要包 括主程序 、驱动 触发脉 冲中断子 程序 、 比较器 CP 1中断子 程序和定时器 T 0中断子程序 等。 各程序流 程 如 图 7 ～图 1 0所 示 。 5结 束 语 所设 计的高速开关 电磁 阀智能 驱动 模块在包装盒电控喷胶系统 中得 到了可图 1 0 C P 1 中断子程序 靠应用 ， 实测驱 动 曲线 可知 电磁 阀打开 时间约为 0 ． 6 ms ， 关 闭 时间蚵为 0 ． 5 ms ， 实现了电磁阀的快速驱动 ； 同时， 驱动模块故 障检测快 速 、 准确 ， 满足了智 能驱 动的要求 。 此外 ， 该驱动模块通 过修改其 驱动参数 ，也 可适 用于其它多种高速 电磁 阀的快 速智 能 驱 动 。 参 考 文 献 [ 1 ] 陈维龙 ， 王辉． 高速 电磁 阀的驱动方式 探讨 [ J ]中国机 电工 业 ， 2 o 01 2 2 [ 2] 黄 向东 ， 丁 凡 直 流螺管 式 电磁铁 的动特 性研 究 [ J] ． 机床 与液 压 ， 1 9 97 [ 3 ] 刘少军 高速开关 电磁阀 的现状及应用 [ J ] 机床 与液压 ， 1 9 9 5 6 [ 4 ] 童长飞 C 8 O 5 1 F系列单 片机开发与 C语 言编程[ M]北京 北京航空 航天大学出版社 ， 2 0 0 5 『 5 ] C8 0 5 1 F 0 x x D A T A S HE E T， S i l ic o n L a b o r a t o r ie s I NC， 2 0 0 3 『 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 61 上接 第 8 8页 图 1 PLG检 测 排水 泵 起 动 条 件 程 序 位” 和“ 关闭 到位 ” 两个信 号 ， 电磁 阀 、 液压站 电机 等排水辅 助设 备均有 自动和手动控制功能 ，使控制系统对排水泵进行适 时控 制 和保 护 。 4 P L C控制系统 与矿井综合 自动化系统 的衔接 实现矿 井排水 自动化 的 目的是保证矿 井安全 生产 的进行 ， 同时也要考虑经 济性 ， 即以最小的投入获得最大 的效 益。因此 ， 在 进行 自动化 排水 设计 时应 尽 可能 地利 用原 有 的控 制设 备 ， S 7 3 0 0有很 强的通信 功能 ， C P U模 块集成有 MP l 和 DP通信 接 口， 有 P r o f i b u s DP和工业 以太 网的通信模块 ， 以及点对点通 信模块 。 通过 P r o f i b u s DP或 A S i 现场总线 ， CP U与分布式 l／ O模块之间可周期性 的 自动交换数据 过程映像数据交换 。在 自动化 系统 之间 ， P L C与计 算机 和 HMl 人机接 口 站之 间 ， 均 可以交换数据 。 数据通信可周期性的 自动进行 ， 或基于事件驱动 图 2控 制 界 面 由用户程序块调用 。因此 控制系统与矿井综 合 自动化系统的 衔接是比较 简单 的 ，实 现 自动化排水所必须增 加的只是与上位 机联 络的通信 电缆及井下分站等设备 。 潘北矿井后期增加 的矿井综 合 自动化系统 已实 现对井下主 排水泵 的远程 自动控制功能 。 4结 束 语 矿井排水系统 自动化控制是现代 化矿井安全生产 的一个重 要组成部分 ， 这一 先进技术 不仅可 以为企业带来 经济效益 ， 而且 可减少人为的误判断和操作 ，实现矿 井多台排水泵 的集 中和 自 动控制 ；同时地面矿井调度 中心可直 接了解井下各排水泵 的工 作状况 ， 尤其 是在 矿井发生 突发灾害需撤离人员 时 ， 可使用远程 控制功能起动矿井排水系统。 『 收稿 日期 2 0 1 o 1 2 1 5 ]