PLC在煤矿膏体充填控制系统中的应用 -.pdf

2 0 1 3年第 9期 煤炭工程 do i 1 0 ．1 1 79 9 ／c e 2 01 3 09 0 4 5 P L C在煤矿膏体 充填控 制系统 中的应 用 刘杰辉，郭进喜 河北工程大学 机电学院，河北 邯郸0 5 6 0 3 8 摘要 文章介绍 了P L C控制在煤矿充填 中的应 用，系统 由传感器、执行器、监控站、通 信 网络、主机 、泵送分站等组成 ，监控站采用西门子 s 73 0 0 P L C 。主机监控软件采 用 Wi n c e 6 ． 0 开发。基于该方案所开发的多个系统已在煤矿应用，具有功能强大、可靠性高、安装费用方便等 优点 ，取得 了良好的效果 ，大大提 高了膏体充填的效率。 关键词 煤矿 ；P L C控制 ；膏体充填；膏体制备 ；管道泵送 中图分类号 T P 2 7 2 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 3 O 9 _ l 3 3 _ 3 煤炭是国家重要的能源和原材料 ，但传统 的采煤技术 存在着煤炭资源浪费与破坏较为严重、地质环境灾害与生 态环境破坏多发、安全问题突出等诸多问题。欲实现煤炭 工业的可持续发展，必须加大科技投入力度，利用先进的 科学技术 ，改造传统的采煤工艺 ，实现清洁安全生产。充 分借鉴金属矿山实行充填采矿法的经验 ，利用煤矸石作为 充填骨料 ，通过添加胶凝材料和其它外加剂 ，实现高浓度 充填，是解决煤矸石地表堆放难题、消除环境污染、解放 保安矿柱、提高安全开采保障程度和资源回收率的有效手 段。为了最大限度地回收矿井 “ 三下”压煤储量，提高矿 井经济效益，延长矿井服务年限，先进的充填技术方法成 为 “ 三下”采煤的必然选择。自动化 P L C控制系统在充填 系统的应用使充填更高效、更安全，操作更便利。 1充填工艺 膏体充填使用 的材料是破碎矸石、粉煤灰、水泥和水 等四种物料；充填 的过程是先将矸石破碎加工 ，然后把矸 石、粉煤灰、水泥和水等四种物料按比例混合搅拌制成膏 体浆液 ，再通过充填泵把膏体浆液输送到井下充填工作面， 充填由液压充填支架和辅助隔离措施形成 的封闭采空区空 间的过程 ，整个充填工艺的流程可以划分为矸石破碎、配 比搅拌、管道泵送、充填体构筑等四个基本环节 ；充填膏 体的制备与管道泵送工艺流程包括矸石破碎系统、膏体配 比搅拌系统、膏体管道泵送系统三部分。膏体制备和管道 泵送流程 图如 图 1 所示 。 2 P L C控制系统构成 充填膏体制备控制系统以西 门子 P L C为控制核心，由 自动控制系统和视频监控系统两部分组成。为实现对每个 图 1 膏体制备和管道泵送流程图 产品输送过程都实现准确和及时的控制，采用传统控制方 法与现代控制方法相结合 ，共 同完成对充填系统 的控制。 对于恒定给料部分采用传统的 P I D控制方法；对于充填料 浆浓度的控制，通过配料过程进行计算，并将计算结果与 设定值进行比较，进而实现控制。并充分利用现代控制器 在控制方面所具有的灵活性，共同完成对充填系统的调节 控制并对料位、矸石水分、称重、流量、泵 出口压力 5个 方面实时监测。P L C自动控制系统结构简图如图2所示。 2 ． 1 自动控制 系统 集中控制设备正常运行和停止由控制系统完成，控 收稿 日期 2 0 1 21 11 5 作者简介刘杰辉 1 9 6 8一 ，河北邯郸人，硕士、副教授，1 9 9 0年毕业于西安交通大学机械工程系，2 0 o 3年硕士毕业 于清华大学精密仪器与机械学系，现在河北工程大学机电工程学院主要从事教学和科研工作。 1 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 3年 第 9期 制系统由P L C集中控制操作台、控制器、工控机、继电器、 数据采集模块以及相应传感器等组成，实现膏体配比搅拌 系统功能操作、故障保护、状态监视以及 自动化控制。 就地控制 该系统设现场控制箱 ，现场控制箱设有按 钮、信号灯、集中／ 就地选择开关，在控制箱上可以完成就 地启动、停止、检修功能。就地控制优先权大于集中控制 ， 现场遇到紧急情况可以通过选择就地方式停止设备运行。 J 上位机 l M P I ， PROF I BUS 两 门子S 7 3 0 0 I ／ O PR0F I BUS DP I ， 0 f莫 块 l I 煤矸石定量 胶结料， 粉煤灰定量 减水剂定量 水定量 搅拌机 泵送分站 供给控制系统 供给控制系统 供给控制系统 供给控制系统 控制系统 r l l l l l 料仓料位检测 料仓料位的检测 减水剂罐液位检测 水泵的启， 停 搅拌机启， 停 充填泵启， 停 卸料阀门开／ 闭 仓顶收尘器启， 停 调节阀的控制 调节阀的控 搅拌速度的控制 缓冲仓料位检测 称量斗称重 卸料阀门开／ 闭 称量斗称重 称量斗称重 卸料阀 _ ] 开／ 闭 泵送量的控制 胶带秤启， 停等 给料机速度的控制 称量斗卸料阀门开／ 闭 称量斗卸料阀门开／ 闭 电机电流的检测等 驱动油缸压力检测 称量斗称重 出口管道流量检测 震动器启， 停等 管道浆体压力检测 电机电流检测等 图 2 P L C控 制系统结构简 图 2 ． 2视 频监 控 系统 视频监控系统由摄像机、画面分割器、显示器和电源 等组成，对关键部位工作状态进行视频监视。 3 P L C硬件及网络配置 根据充填工艺 ，配 比搅拌系统有相同的两套组成，充 填系统信号装置包括2台间隙式强制双卧轴混凝土搅拌 机、1 个矸石配料漏斗及其 4个气动卸料闸门、2台皮带 秤、2部矸石上料带式输送机、2个水泥仓 包括配套的仓 顶收尘器、卸料蝶阀、破拱装置、仓顶安全 阀、雷达物位 计、高低限位开关 、2个粉煤灰仓 包括配套的仓顶收尘 器、卸料蝶阀、破拱装置、仓顶安全阀、雷达物位计、高 低限位开关 、2台胶结料螺旋给料机、2台粉煤灰螺旋给 料机、2个胶结料称量斗、2个粉煤灰称量斗、2个称水斗、 2个收尘袋和 1 个料浆缓冲斗等。 主控制计算机采用德国 S I E M E N S公司生产的高可靠性 s 7～ 3 0 0系列 P L C 。主控制计算机的接 口是控制系统的重要 部分，控制系统接口数量为 D VD O总点数量 1 4 8点，备用 1 5 ％左右、A WA O总点数量 4 8点，备用 1 5 ％左右。选用 E P U为3 1 5 2 D P 2，1个数字量输入输出模块 S M3 2 3，2个 数字量输入模块 S M 3 2 1 ，1 个数字量输出模块 S M 3 2 2 ，2个 模拟量输入模块 S M 3 3 1 ，一个模拟量输 出模块 S M3 3 2 。为 提高其可靠性 ，接 口选用德国 S I E ME N S公司生产的高可靠 性 P R O B U D P产 品。 4 P L C软件设计 4 ． 1 控制程序设计 】 3 4 该系统有两种控制模式 手动控制和 自动控制 ，操作 员可通过上位机按钮来选择。自动控制实现对矸石放料闸 阀、称重式给料机、矸石上料带式输送机、气动蝶阀、螺 旋输送机、搅拌机、充填泵等阀门及电气设备按流程启动， 用于自动化生产。手动控制模式主要用于开始前的清洗检 查设备，物料不足电动添加，充填结束清洗设备。控制程 序利用西门子公司开发的 S t e p一 7 Mi e r o WI N编程软件来进行 编辑，采用梯形图来编辑控制指令 ，易于理解，且具有较 好的通用性。控制流程图如图 3所示。 图3 膏体充填控制流程图 4 ． 2上 位机 控制 利用 Wi n c e fl e x i b l e 编制手动 自动控制画面、参数显示 画面及故障报警记录的画面信息。 上位机 良好的人机界面 下转第 1 3 7页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 9期 煤炭工程 S T EP 7 一Mi c r o ／ W I N。 在本项 目中根据系统要求 P L C需实现以下功能①与无 线传输模块的主机通讯进行数据交换，即数据的接受和发 送；②信息含义判断处理，即判断接受信息的类型、代表含 义；③信息处理，即根据数据含义进行分类，进行数据正常 判断、实现报警等；④数据显示 ，即将数据处理成 H MI 设备 能够利用的格式，使之能在 H MI 设备上识别显示。 程 序流程如图 2所示 。 图 2 程序 流程图 2 ． 4人机 界 面模 块 人机界面模块与 P L C相通信 ，进行系统运行状态的显 示。输出连续牵引车脱轨报警信息、节点电量信息、路由 连接在线信息等，还可进行报警记录的存储与显示 ，供牵 引车司机实 时监 控连 续 牵 引车 运行 状 态 及 系统 运行 状 态 ， 发现故障后发出报警 ，以便相关人员及时处理事故。 、 ∥ 人机界面的设计需实现以下功能连续牵引车电池电 量的显示及电量过低报警；连续牵引车连接路 由显示及连 续牵引车实时位置显示 ；连续牵引车运行在轨状态显示及 脱轨报警；路由器在线连接显示及掉线报警；报警记录的 显示、存储、查询；报警具体事故的显示；报警开关的状 态显示；实时时间的显示；报警时明显的报警画面的组态； P L C时间的设置；历史报警记录的翻页查询。 3结论 1 将 Z i g B e e 无线通信技术应用于煤矿井下无极绳连 续牵引车脱轨监控系统，提高了整个监控系统在井下恶劣 环境下的抗干扰能力，系统具有低功耗、低成本、占用系 统资源少、组网方便、传输距离远的优点。 2 集成定位模块可实现连续牵引车脱轨位置的精确定 位，提高了无极绳连续牵引车脱轨监控的精确性。 3 自主研发的集脱轨监测、信息传输、报警控制为一 体的无极绳连续牵引车脱轨报警系统，具有检测准确、传 输可靠、报警及时并接人控制等特点 ，全面提高了无极绳 连续牵引车运行的安全性 ，为井下辅助运输的安全高效提 供了技术支持。 参考文献 [ 1 ] 宗建康 ，金 国荣．一种煤 矿无 极绳绞 车无线移 动视频 系统 [ J ] ．煤 矿安全 ，2 0 1 2，4 3 3 8 2～ 8 3 ． [ 2 ] 赵华军，方钰．无线移动视频监控原型研究 [ J ] ．计算 机工程 ，2 0 1 1 ， 6 ． [ 3 ] 雷兴．煤矿安全 生产监控 系统抗 干扰 问题浅 析 [ J ] ．煤 矿安全 ，2 0 1 2 ，4 3 4 1 7 3～1 7 4 ． [ 4] 张长森 ，董 鹏永 ，徐 景涛．基 于 Z i g B e e技术 的矿井人 员定 位系统的设计 [ J ] ．工矿自动化， 2 0 0 8 ， 2 4 8 ～ 5 0 ． [ 5 ] 黄福 昌，倪 兴华．兖矿 集 团矿 井辅 助运输技 术规范 [ M] ． 北 京 煤炭 工业出版社 ，2 0 0 8 ． 上接 第 1 3 4页 不但可以使操作者使用方便 ，同时上位机还具有一定的冗 错能力。当料浆质量浓度或泵出口压力过大或过小，操作 员可通过工控机对所有指令参数进行适当的改变，使充填 物料满足合理的配比。通过对充填系统实时监控，真正做 到充填的高效安全进行。 5 结语 P L C自动控制系统在煤矿充填上的应用，大大缩短了充 填时间，提高了充填的效率，减少了劳动工人的数量，集中 自动控制将使充填更加安全，控制更加灵活。该项技术不仅 为实现煤矿绿色生产和可持续发展提供技术支持，而且还对 提高我国煤炭资源开采技术水平、提高资源综合回收率、控 制地面塌陷和生态破坏、消除煤矸石堆放带来的占地和污染 责任编辑赵巧芝 、 、 、 环境问题，实现煤矿清洁生产将做出积极的贡献。 参考文献 [ 1 ] 廖常初． 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用技术 [ M] ．北京机械工业出 版社 ，2 0 0 8 ． [ 2] 刘 同有．充填采矿技术与应用 [ M] ．北京 冶金工业 出版 社 ，2 0 0 1 ． [ 3 ] 李贵山，周征．监测与控制技术 [ M] ．西安西安电子 科技大学 出版社 ，2 0 0 6 ． [ 4 ] 彭继慎，任宝栋．基于 P L C和触摸屏技术的压铸机控制系 统研究 [ J ] ．机械制作 ， 2 0 0 6 ， 2 3 8 - 4 0 ． [ 5 ] 赵洪亮 ，王加奎．基 于西 门子 P L C的煤矿 井下 自动化监 控 系统设计 [ J ] ．煤矿机械， 2 0 1 2 ， 8 1 6 4 1 6 5 ． 责任编辑赵巧芝 1 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m