基于PLC的煤层注水控制系统研究与设计 -.pdf

第 4 6卷第 1 期 2 0 1 4年第 1期 煤炭工程 CO AL E NGI N EE RI NG Vo 1 ． 46， No ．1 No ． 1，2 01 4 d oi 1 0．1 1 7 9 9 ／c e 2 O1 4Ol O 4 4 基于 P L C的煤层注水控制系统研究与设计 王大虎，孙一帆，张且且 河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作4 5 4 0 0 3 摘要 针对 目前煤矿注水的控制 系统缺乏完整性，不能实现无人操作和执 守的功能，需要 专门工作人 员负责记录注水流量和注水压力等数据 ，浪费人力资源的问题 ，文章设计了一种基 于 P L C的煤矿注水 自动控制 系统。该系统以三菱 F X 2 N一3 2 MR型 P L C为控制核心，与相 关传感器 配合 ，实现 了注水流量和注水压力的控制 ，以及对注水泵的保护功能 ，实现 注水无人化操作，不 但提 高了注水泵的使 用效率 ，而且对煤矿 的安全生产要 求具有重大的意义。 关键词 P L C；煤层 注水；传感器；控制 系统 中图分类号 T D 6 7 6 文献标识码 B 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 4 0 1 - 0 1 4 1 -03 Re s e a r c h a nd De s i g n o n Co nt r o l S y s t e m o f Co a l S e a m I nf u s i o n Ba s e d O i l PLC WA N G D a h u ，S U N Y i f a n ，Z H A N G Q i e q i e S c h o o l o f E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g a n d A u t o ma t i o n ，He n a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ，J i a o z u o 4 5 4 0 0 3 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o i mp r o v e t h e i n t e g r i t y o f c u r r e n t c o n t r o l s y s t e m o f c o a l s e a m i n f u s i o n， a P LC b a s e d a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m o f c o a l s e a m i n f u s i o n wa s d e s i g n e d ． Mi t s u b i s h i F X 2 N 一 3 2 MR P L C wa s a p p l i e d a s t h e c o n t r o l c o r e， c o o p e r a t i n g wi t h r e l e v a n t s e n s o r s ， t o r e a l i z e i n f u s i o n r a t e c o n t r o l ，i n f u s i o n p r e s s u r e c o n t r o l ， a n d p r o t e c t i o n f u n c t i o n f o r t h e i n f u s i o n p u mp ． T h e d e s i g n i mp l e me n t e d u n ma n n e d o p e r a t i o n ， i mp r o v i n g t h e e ffic i e n c y o f i n f u s i o n p u mp ， a n d o f f e rin g g r e a t s i g n i f i c a n c e for t h e s a f e t y p r o d u c t i o n o f c o a l mi n e p r o d u c t i o n ． Ke y wo r d s P L C； c o a 1 s e a m i n f u s i o n；s e n s o r ；c o n t r o l s y s t e m 随着煤矿现代化机械设备的不断发展，井下粉尘危害 的问题也随之而来，并且越来越严重。煤矿粉尘不仅污染 井下的工作场所，加速机械的磨损，而且危害着矿工身体 健康，在一定的条件下发生爆炸，酿成重大灾害。因此 ， 采用有效的降尘和防尘措施对于煤矿的安全生产具有重大 意义。其中综采工面煤层注水降尘技术是降低工作面回采 时煤尘产生量的最根本、最有效的主动防尘方法之一。 目前我国煤层注水的研究与设计方面主要是关注于注水 方式的研究和注水泵的设计，但是关于煤矿注水整套控制系 统的设计都不怎么理想，甚至是个空白，其中多数不具有 自 动调节控制功能和保护功能，对煤矿注水泵的保护和控制主 要依靠于井下综保和手动控制，甚至在许多煤矿还存在着直 接利用普通的注浆泵来完成煤层注水，在煤矿这一特殊行业 及其特殊的工作环境下具有极大的安全隐患，在当今以人为 本的社会中是必须避免的，所以针对现有的煤矿注水控制系 统进行改进设计是势在必行的，以此保证注水的安全性和简 便性，并且还可以降低操作人员的劳动强度。 本文设计的煤矿 自动注水控制系统采用 了 P L C技术， 该系统对注水流量和注水压力进行实时的控制和调节，以 及对注水泵进行保护，可以实现 注水无人化。系统通过 P L C对流量传感器、压力传感器测量数据的采集和处理， 反向控制注水泵电机的起停和注水电磁阀门的开关，以及 通过温度传感器对注水泵电机的保护进行控制。应用表明 该系统具有工作稳定、抗干扰性强等优点，可以在实现注 水 自动化的同时节约人力资源与保障安全注水，可以有效 的应用在煤层注水工程应用中。 1 煤层注水工艺设计 以及系统总体设计 首先 ，对注水工艺的设计进行简单的介绍，由于每个 注水孔的注水量不可能一次完成 ，需要一定的时间向煤层 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 0 1 基金项目国家 自然科学基金资助项 目 5 1 2 7 4 0 8 8 作者简介王大虎 1 9 6 9一 ，男，江苏徐 州人 ，副教授，博士，现研究方 向企业信息化技术，无线技术应用， E ma i l s u n y i f a n l 1 0 7 1 6 3 ． c o n 。 引用格式王大虎，孙一帆，等．基于 P L C的煤层注水控制系统研究与设计 [ J ] ．煤炭工程，2 0 1 4 ，4 6 1 1 4 1 1 4 3 ． 1 41 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 4年第1 期 里渗透。所以设计的注水工艺为在煤壁上每隔 8 m打一个钻 孔 ，每6个钻孔为一组 ，分别标记为 1 ～6号，分别装上电 磁阀门、水流量传感器、压力传感器。每次只对一个钻孔 进行注水，当此孔注水管道的压力或流量达到设定的要求， 就要 自动先打开下一个注水管道，再关掉此孑 L 的注水管道， 依次循环注水 ，直至完成 6个孔所需求的注水量 ，再进行 下一组的注水工作。 传感器的安放位置水流量传感器和压力传感器安装 在每个分支路上的进水端，分别用于测量和传送各支路的 水流量和压力信号。试验表明，由于经注水泵加压后的水 容易被加热，所以在注水泵的出水 口处安装一个温度传感 器，检测泵热 ，做到温度高于 6 0 ℃时，能够及时停泵，以 防止出现危险情况和对注水泵 的不利影响。煤层注水工程 设计示意 图如 图 1 所示 。 图 1 煤层注水工程示意 图 本系统采用 P L C与压力传感器、水流量传感器和温度 传感器相结合构成的自动控制系统，实现了手动调节和自 动调节两种控制方式，有效的提高了系统的可靠性和可实 施性。系统总体设计框图如图2所示。 图 2系统 结构框 图 2 控制 系统硬件选型及设计 系统硬件的选择主要包括 P L C的选型和三种传感器的 选型，其设计主要包括 P L C外围接线图的设计。 2 ． 1 P L C的选择 随着 P L C在工业控制中的推广普及，P L C产品的种类越 来越多，其结构型号、性能、容量、指令系统、编程方法等 各不相同，适用场合也各有侧重，因此，合理选择 P L C，对 于提高 P L C在控制系统中的应用有着重要的作用 J 。 鉴于系统的规模比较小 ，P L C选用三菱 P L C中的 F X 2 N 一 3 2 MR，其在有限的L ／ 0接 口范围内寻求最大的控制功能， 提供了3 2个 L ／ 0接口，其中 1 6个输入点，1 6个继电器输 1 4 2 出点 ，并且能通过串行通信进行传输数据。F X 2 N系列是三 菱 P L C的 F x型号中最为先进的系列之一，其具有高速的 处理功能以及可扩展大量的能满足单个需求的特殊功能模 块 ，特别是其灵活性与控制能力很强，并能够扩展到 2 5 6 点，以满足大量的特殊需求。 2 ． 2 传感器的选择 水流量传感器 选用霍尔水流量传感器 ，主要 由铜 阀 体、水流转子组件、稳流组件和霍尔传感器组成 。将其 安装在进水处用于检测进水流量的大小及通断。其工作原 理是当水流通过水流转子组件时，磁性转子转动，并且 其转速与流量的变化成线性关系，霍尔传感器就会输出相 应的脉冲信号，反馈给核心控制器 ，由核心控制器判断水 流量的大小及通断，进一步对 电磁阀门的开关控制。由于 霍尔水流量传感器具有反应灵敏度高、动作速度快、工作 可靠性高、连线简单方便、流量 1 ． 5 L ／ mi n 启动超低等特 点，被广泛应用流量检测的器件上。 压力传感器选用 Y YY L 8 0 1 B 法兰数显型压力传 感器，其法兰采用 3 0 4不锈钢，壳体采用隔离防爆设计另 加数显表头实现现场显示 ，电路本安防爆设计 ，电路采用 信号隔离放大 ，截频干扰设计 抗干扰能力强 ，过压保护， 限流保护，抗冲击 ，防腐 ，小巧灵便等。3 1 6不锈钢全封 焊，结构小巧、紧凑，有良好的防潮能力和优异的介质兼 容性 。 温度传感器 选用 G WD 7 5温度 传感器 ，矿用 隔爆 G WD温度传感器主要用于带式输送机主驱动滚筒与胶带摩 擦起热，电机、减速外壳发热或其他原因而产生的温升进 行检测，也可用于其他机电设备的温度检测 ，本文将其用 于注水泵的温度检测。该产品分 5 0 ℃、6 0 ℃、7 O ℃三档， 供工作现场使用时选择用，正常时，温度传感器 “ 温度” 端输出高电平，当被检测温度超过整定温度时，输出低电 平，自动切断注水泵电机电源，实现超温保护，并且本温 度传感器为本安型全封闭结构。 2 ． 3 系统硬 件连接 根据实际应用情况，选定 P L C型号后，合理地分配输 入点和输出点，选择出最优的控制方案。按照选择的控制 方案设计出控制系统中 P L C输入和输出接线图如图3所示。 其中 F X 2 N一3 2 MR模块的输入电压是 电压为 2 2 0 V的交流 电，输入端是接按钮开关和其他特殊开关的，输 出端需接 电压为 2 4 V的直流电，可以作为指示灯和电机起动交流接 触器的控制继电器线圈，以及电磁阀线圈的驱动电压。因 为 F X 2 N一 3 2 MR模块的输入端内部 自带 了一个电压为 2 4 V 的直流电源 ，所以由2 4 V电压驱动的继电器控制的交流接 触器不需要外加电源设备，就可以达到控制交流电机和电 磁 阀的 目的。 3 控制系统软件设计 该系统控制主要包括 电动机起停控制、电磁阀门的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 1 期 煤炭工程 总阀门开 总阀关 电动机起动 电动机停止 S B1 x0 Y0 S B2 百 Y l HL S B3 廿 HA S B4 X3 Y2 S Q 2 x4 Y3 YVl S Q3 Y KM l []_ YV2 丽 x 7 Y5 [ ] _ 三 X8 Y6 YV3 []_ 三 X9 Y7 Y V4 []_ 嫡 三 xx 11 Y 8 Y V 5 [ ] _ 葡 Z了 Y V 6 S Q9 x1 2 Y9 [ ] _ 而Z x 1 3 C O M1 S QI 1 [ ZZ Xl 4 乏 X1 5 2 4 V COM 图 3 P L C接 线图 开关控制、流量传感器检测值的采集控制、压力传感器检 测值的采集控制、温度传感器检测值的采集控制和信号显 示及报警控制等。 注水泵电机和电磁 阀门的控制采用 自动、手动两种控 制方式，能与相应的检测单元实现连锁 ，根据故障信号 自 动停机。对电机具有过载保护能力，当过载达 1 1 0 ％ 时， 自动停机。当温度传感器的值高于 5 5 ℃时发出报警信号， 当温度高于 6 0 ℃时，自动停机。6组注水 阀门按照固定顺 序进行注水，如图4所示 图 4注水 系统的顺序 硬件系统配置完成后，一些逻辑控制过程需要软件控制 来实现。软件设计主要采用 G X D e v e l o p e r 软件进行编程，其 主要是根据控制要求来完成对电机和电磁阀门的控制系统中 的控制功能的程序编写，并能够在系统或其他硬件出现错误 和故障时，进行声光报警。软件按模块可分为电机的起动和 停止模块、温度的检测和控制模块、流量的检测和控制模 块、压力的检测和控制模块、P L C输出中所接中间继电器的 控制模块以及指示灯与故障报警信号的控制模块等。 该系统中P L C主要进行的是循环顺序控制，是一种典 型的基本控制过程 ，可以采用状态图直观简单的 S T L步进 接点指令对其编程 ，以完成其顺序控制。这样可以在简化 程序，提高编程效率的同时，为程序的调试和运行中的维 护取得极大的方便。其中系统的部分程序和注水电磁阀门 自动控制步进状态图如图5所示。 4结语 该系统经过多次调试的试验运行，运行效果 良好。采 图 5 部分程序和 自动控 制步进 状态 图 用 P L C实现了对注水泵电机的起停控制和注水阀门的循环 投入与切换，另外，通过 P L C和各种传感器的配合实现了 对系统中注水泵电机过热和过载的保护功能，并且对在起 动和运行过程中可能出现的故障给出了声光报警信号的设 计。该控制系统具有可靠性高、故障率低等优点，大大降 低了维修率的同时提高了生产效率 ，为煤炭 的安全生产提 供了有力保证，具有一定的工程应用价值。 参考文献 [ 1 ] 宋 马俊 ． 国外煤 矿 粉尘 控制 的新技 术 [ J ] ． 矿 山安 全 ， 2 0 0 2 2 1 11 3 ． 牛朝旭．综采工作面的粉尘分布及治理对策 [ J ] ．煤炭科 学技术 ，2 0 0 6 4 2 93 O ． 李康乐．P L C控制 系统 的设计 [ J ]．科技信息，2 0 1 1 1 4 2 4 2 ． 胡晓泊．基于霍尔效应的低成本简易流量计 [ J ]．科技创 新导报 ，2 0 1 2 4 4 7 ． 郭泰宇．P L C控制软件按分层化结构设计 [ J ]． 电气传动 自动化 ，2 0 o l 3 2 5 2 6 ． 孟 昭君 ，颜世华．2 B Z一 4 0 ／ 1 2型脉冲式煤层 注水 泵的应用 [ J ] ．煤矿安全， 2 6 9 3 7 3 9 ． 阎俊荣．P L C在皮带运输 机中的应用 [ J ] ．电气时代， 2 0 0 2 5 3 73 9 ． 张崇智．P cP L C配料系统 [ D] ．北 京 北京工业 大学 ， 2 0 0 3． 姚鑫．基于 P L C的跳汰机新 型排 料装置模糊控制 系统的 研究与应用 [ D] ．淮南 安徽理工大学 ，2 0 0 6 ． 王宏．P L C控制 系统设计 的要点 [ J ]．矿 山机械 ，2 O o 4 6 5 9 6 O ． 姜选强，项 占琴．P L C在铜管 自动分选线中的应用 [ J ] ． 机 电工程 ，2 O o 4，2 1 9 1 41 6 ． 朱本超．井下 中央水泵房集 中控制系统的设计与研究 [ D ] ．沈阳沈阳理工大学， 2 0 1 1 ． 张惠荣，王国贞．基子 P L C的辊压机控制系统设计 [ J ] ． 矿山 机械， 2 0 0 9 3 8 1 8 3 ． 责任编辑赵巧芝 1 4 3 删 嗍 炯 炯 嗍 ⋯ 互 ⋯ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m