基于PLC的矿井主排水泵控制系统研究.pdf

2 0 1 5年第 4期 李 霞等 基于P L C的 矿井主 排水泵控制系 统研究 1 9 求 。 由于设备在矿井中使用 ．因此离心水泵 的配套 电机需要考虑 防爆要求 ．本设计选用 4台防爆鼠笼 型三相异步电动机 。型号 为 Y B 2 5 6 0 4 8 9 0 0 k W， 功 率 9 0 0 k W 。 额定电压为 1 0 k V． 转速为 1 4 8 0 r ／ m i n 。 1 ． 1 ． 2传 感 器 煤矿井下排水系统的 自动检测元件包括水位传 感器、 超声波流量计 、 温度传感器和压力传感器等。 1 水位传感器。传感器系统中用到的水位传 感器分为两种 ． 一种是一体化超声波传感器 ． 另一种 则是本安数字式水位开关 超声波传感器运用的是 界面上折射和反射原理 ， 实现水位高度 的测定。 探头 以一定 的频率发送多个超声波。 同时也接收回波 。 由 于超声波在空气中传播速度较慢 ．探头在收发过程 中记录下时间差 ．便能够得出水位液面距离探头之 间的实际高度 本安数字式水位开关利用矿井水的 导 电性 ． 其 电阻值选择几欧姆到几百欧姆。 如果把它 放到本安电路中 ． 就可以在线监测 出水位的变化。 前 者采用先进的超声波技术 ． 为两线制传感器 ． 输 出 4 ～ 2 0 m A信号 ． 它安装于两个配水仓 内， 用于检测吸 水井的水位。 后者为接触式监测 。 安装于两个吸水井 中． 作为前者失灵后 的备用水位监测设备 ， 用于防止 水位过高 。 2 超声波流量计 。矿用超声波流量计是对煤 矿井下明渠内或其他涌水点的水位和水流量进行 自 动测量和记录、集微电脑技术和计算机技术于一体 的自动化监测设备。矿用超声波流量计主要用于矿 井下水流量 自动测量和记录或实时传输 、 打印、 输出 报表等 。超声波液位计体积小 、 密封性好 、 安装和维 护方便 ．供电等设计能满足煤矿等设备的本安防爆 特性 ， 整个仪器电路简单可靠 、 故障率低 、 精确度高 ， 能够适用于矿井各种环境 。 3 温度传感器 。 对于矿井主排水系统 ， 水泵设 备的温度要求上要实现连续和安全的运行 ，并且在 电机运行过程中轴承的温度也将影响到整个系统的 性能 P T 1 0 0是一种无源接触式传感器 ． 它用铂热 电 阻作为感温元件 温度传感器是利用其 电阻随温度 变化而变化这一特性实现对外界温度的度量 ．并将 其转换为电阻值 。它的检测精度比较高、 性能稳定 。 一 般用于中低温的工业现场。 它有两线制、 三线制和 四线制 的引线方式。 其中， 两线制一般用于精度要求 非 常低 的现场 ． 工业 上需 要 的一般 是三 线制 的 。 三线 制能较好地与其他电桥搭配使用 ．同时消除由于引 线造成 的电阻影响 矿用表贴式温度传感器 G MP M． 根据 G B 3 8 3 6 4中的爆炸性气体环境设备 的要求 进行设计生产 ．是矿用本质安全系数比较高的传感 器 ．防爆型热电阻设置在经过特殊材料制作的接线 盒 内．该接线盒能把 因火花或者电弧引起的气体爆 炸限 制在 接线 盒 内 4 压力传感器 。压力传感器能把水泵吸水管 和压水管的压力变化反映成压力信号 ．提供给 P L C 用于设定电动阀的启闭与水泵 的启停 压力传感器 安装在管网上 ．主要包括矿用本安型压力传感器和 电接点压力表 ， 前者安装于水泵出水 口处， 后者则安 装于水泵的吸水管上。 1 ． 1 ． 3液压 辅 助元件 离心式排水设备液压系统中还配置有滤水器 、 底阀、 闸阀、 逆止阀 、 灌引水漏斗 、 放气阀和旁通管、 压力表和真空表等液压元器件 1 滤水器和底阀 滤水器安装在水泵吸水管 的下端 ．其作用是阻止吸水井中沉淀的煤泥和杂物 被吸入水泵内． 以防止水泵堵塞和磨损 。 在滤水管内 装有舌型底阀． 它的作用是不使引水漏掉。 2 闸阀。调节闸阀安装在靠近水泵排水管上 方的排水管路上 ． 位于逆止阀的下面． 其作用是调节 水泵的流量和扬程 ． 水泵启动时将它完全关闭 ． 以降 低电动机的启动电流 放水闸阀安装在调节阀上方 的排水管的放水管上 ．其作用是为检修排水管时放 水用。 3 逆止阀。 逆止阀安装在调节 闸阀的上面 。 其 作用是 当水泵突然停止运转 ．或者在未关闭调节闸 阀的情况下停泵时 ， 能 自动关 闭。 切断水流 ． 使水泵 不致受到水力冲击而遭到损坏 逆止阀是有方 向性 的， 在安装时， 必须使其箭头方向向上。 4 灌引水漏斗、 放气阀和旁通管。 灌引水漏斗 是在水泵初次启动时．用于向水泵和吸水管中灌引 水 在 向水泵和吸水管中灌引水时 。 要通过放气阀将 水泵和吸水管中的空气放掉。 当排水管中有存水时 ， 也可以通过旁通管向水泵和吸水管 中灌引水 ．此时 要将旁通管上的阀门打开 5 压力表和真空表。压力表安装在水泵的排 水接管上 ， 用于检测排水管中水压的大小 。 常用的压 力表为普通弹簧管压力表 真空表安装在水泵的吸 水管上 。 用于检测水泵吸水 口处的真空度。 在离心式 水泵启动时。 要将压力表和真空表管上的旋塞关闭． 以防被压力水冲坏。当水泵启动后转速达到额定转 速时 。 再将压力表和真空表管上的旋塞打开 ． 进行压 力和真空度的检测 煤炭科技 2 0 1 5年第 4期 1 ． 2电控 系统 组成 中央水 泵房 自动化 控制 系统 由 自动检测 、 自动 控 制 、 动态 显示 和故 障报警 四部分 组 成 通 过 自动 检 测可将水仓水位 、排水管路流量和电机轴承温度由 相应的传感器传输至 P L C． P L C经过判断计算处理 。 发出控制信号 ．便可对 4台主排水泵及其附属的抽 真空系统和管道 电动阀门等装置实施 自动化控制 同时水仓水位 、 水泵流量 、 水泵压力 、 电机 电流及 电 磁 阀的状态 参数 及其相 应 的动态 画 面可在 上位机 上 动态显示。 若系统出现故障， 系统将检测到故障状态 参数 ． 可报警显示并弹出故障画面． 引起工作人员注 意， 这些故障都将保存记录， 以便进行故障分析。 中央水泵房 自动化控制系统电控系统硬件配置 如 图 2所示 。 P L C模块作 为系统 的核 心部分 ． 主要 用 于完成对监测量的处理 、 运算和存储 ． 并根据监测结 果进行逻辑处理 ， 控制水泵及附属设备的启停 考虑 到现场设备 比较分散 ．采用远程 I ／ O的方式进行数 据采集 和控制 由于 C P U 3 1 5 2 D P是 S 7 3 0 0系列 中唯一 带现 场总 线 P R O F I B U S S I N E C L 2 一 D P接 口 的 C P U模块 ， 因此 C P U模块选择 C P U 3 1 5 2 D P 远 程 I ／ O用于实现分散数据的采集处理、集 中上传以 及控制指令 的现场输 出任务 本系统选用西 门子 E T 2 0 0 M远程 I ／ O模块作为远程处理核心 图 2中央 水 泵 居 自动 化 控 制 系 统硬 件 配 置 数字量输入模块主要完成对设备 状态和就地 控制命令的采集。开关量主要包括球 阀到位信号 、 闸阀到位信号 、 断路器状态 、 就地控制命令等 ． 考虑 到备用及系统扩展 ．控制 P L C配置两块 3 2路开关 量输入模块 ．远程 I ／ O部分配置 1块 3 2路开关量 输入模块 模拟量输入模块用于完成参控模拟量的实时采 集和处理。参控模拟量主要涉及水位 、 流量 、 压力和 负压等 。 根据需要 ． 控制 P L C配置 1块模 拟量 采集 模块完成对水位 的监测 ．远程 I ／ O部分配置 1 块模 拟量采集模块完成对压力 、 负压和流量的监测 数字量输 出模块用于输 出 P L C控制指令 ． 完成 对设备的逻辑控制 需要进行逻辑控制的设备主要 包括电动球阀 、 电动闸阀、 水泵 电机控制高压柜、 真 空泵及防水门、 声光报警设备等 。 考虑到备用及系统 扩展 ， 控制 P L C配置两块 1 6路继电器输出模块 ． 远 程 I ／ O部分配置 l 块 1 6路继电器输 出模块 在现场应用 中．一些第三方的设备和仪表只有 简单 的串行通信接 口， 如 R S 一 2 3 2 、 R 一 4 8 5 ， 通过 串 行通信模块可与之通信。系统中的串行通信设备包 括 电动机微机综合保护器和温度巡检仪 ．配置两块 C P 3 4 0分别与之进行数据交换 2 P L C 软件设计 2 。 1 系统功 能 需求 系统 的功能需求主要 由 P L C控制程 序设计来 实现 ． 具体需求如下 1 备用选择功能和 自动解 除功能 4台机组 可以任意选择一台作为备用机组 ．也能在水泵未运 行时随意切换备用机组 当某台机组在运行时发生 故障 ． 备用机组能及时解除备用 ， 立即投入运行 。 2 手动启停功能。 需要人工操作 的场合 。 选择 人工控制挡 ． 通过按钮任意启停某 台机组 3 降压启动功能 。水泵驱动 电机在启动时需 要采用 Y 一 △降压启动 ． 控制交流接触器闭合顺序和 时间． 实现降压启动。 4 顺序启动功能。 水泵 自动运行时 ， 通过设置 相邻机组的启动时间间隔 ． 设计顺序启动程序 ． 实现 顺序启动 5 电动阀正反转控制功能 。电动阀在水泵启 动以后 、 能正常运行时 ， 驱动电机正转逐渐打开阀门 供水 在 水泵停 运前 ． 驱 动 电机反 转逐 渐关 闭 阀 门。 6 故障显示功能。当水泵出 口压力不足时 ． 机 组出现机械故障或者电气故障 通过压力传感器测 出信号 。 及时反馈故障信息。 7 水 位 显示 功能 。在水 池 和水塔 中安装 水 位 计 ． 当水位达到上下水位极 限时 。 水位计 向 P L C发 出信号 ， P L C点亮指示灯 ． 显示水位高低。 8 自动控制功能。设置 自动挡 ， 当无人监管泵 房时． 机组 自动运行 ． 当水塔中水 已满或者水池中无 2 0 1 5年第 4期 李 霞等 基于P L C的 矿井主排水泵控制系统研究 2 1 水可抽时 。 机组停止运行 ； 当水塔水位不足时 ， 自动 启动机组 向水塔补水 2 ． 2矿井 主排 水泵 的全 自动 控制 系统的全 自动控制就是将水泵的运行完全交由 P L C控制 ． 用 户 只需 进行 监 测 。 水 泵 将 根 据水 位 、 涌 水量 、 用电峰谷段等条件 自动启停。 开始时先对 P L C进行检测 ． 如有故障 ． 操作方 式改为手动 ； 如无故障， 再对设备进行检测 。如已经 转为手动操作且没有故 障．就可对操作方式进行选 择。 可供选择的操作方式有全 自动、 半 自动和手动 3 种。 系统允许操作的情况下 ． 如果选择全 自动的操作 方式 ．全 自动循环直接启动。如果不满足全 自动条 件 ．则改为手动操作方式 。半 自动操作方式与之类 似。系统 的全 自动控制软件流程如图 3 所示 。 图 3 系统 全 自动 控 制 流 程 系统启动后 ． 首先进行与高压开关柜的通讯 ． 启 动模拟量以及 I ／ 0处理程序 ．系统 自检与门处理程 序 。然后判断系统处于 自动运行、 手动运行 、 半 自动 运行 3种运行方式中的哪一种 ．根据判断得到的结 果进行相应操作 。根据控制板上的旋转开关位置判 断 出系统 的运行方式后 ．如处 于 P L C 自动运行方 式 ， 则 P L C根据程序流程顺序执行 。 自动完成水泵 启动 ， 轮换工作 ， 故障报警 ， 停止 ； 如处于半 自动运行 方式下 ． 则 由人工选择哪 台水泵投入运行 ． P L C根据 水泵的泵号 自动完成该台水泵的自动启动 、 运行 、 停 止 ； 而手动方式下 。 P L C不参与任何操作控制 ， 全部 由人工通过控制按钮控制整个系统的运行 3 传 感器的可靠性 P L C作为专用工业控制核心 ．具有较高的可靠 性 ，但其外围传感器在可靠性上的不足却会大大降 低控制系统整体的可靠性 系统中使用的传感器主 要包括液位传感器 、 流量传感器 、 压力传感器 、 负压 传感器及温度传感器 ． 按照影响范围的不 同． 可以分 成两大类 ， 即全局性传感器和局部性传感器。其中， 全局性传感器为液位传感器 ．它的可靠性关系到整 个系统安全排水的实现 余下的传感器主要反映单 台水泵的运转工况 ． 属于局部性传感器 针对这两种 类型的传感器 。分别采取相应措施 以保证系统的可 靠运行 。 3 ． 1 局部 传感 器 对于局部传感器 ．主要采取 自诊断方式判断其 是否正常工作 ． 出现异常及时进行报警 ． 提示工作人 员进行维护或者更换 诊断方式主要根据采样值及 其变化情况进行逻辑判断 每个周期对采样值进行 判断 ． 同时与前一采样周期的存储值进行比较 ． 得出 变化率 ．针对不 同传感器的工作范围及工作特性进 行逻辑判断， 超限或突变时给出维护提示 3 ． 2全 局传 感器 液位传感器是整个控制系统的控制依据．其采 样信息是最重要 的控制参数 ．因此对其可靠性的要 求也更加苛刻。 传感器采用超声液位仪 ． 非接触时测 量 ， 具有较高的可靠性和测量精度 ． 双传感器互为冗 余 。其冗余判断过程的逻辑判断是根据水泵的运行 状态判断水位趋势 ．将两台传感器的测量值及传感 器前后 2个时刻的测量值分别进行比较 ．如比较结 果异常应为传感器故障， 则给出报警。 4结语 以 P L C为控制核心 的矿井 主排水泵控制系统 的设计方案 ．通过合理的程序设计实现对矿井主排 水泵的全 自动控制 同时对各个传感器分别提出应 采取的保障措施 ． 旨在保证传感器检测的可靠性 综上所述 ． 该系统的设计和应用 ， 将对保障煤矿 或非煤矿山安全高效生产 、防范水害事故的发生提 供一 种新 的技 术途 径 参考文献 [ 1 ]赵红 ． 煤矿在 用排水 系统安全 检测检验 的重要性 [ J ] ． 煤矿 现 代化 ， 2 0 1 0 3 1 0 61 0 7 ． [ 2 ] 钱宏 琦． 煤矿 排水系统 最佳节 能模式 的变频运行方 式探讨 [ J ] ． 矿 山机械 ， 2 0 0 9 7 3 94 1 ． 煤 炭 科 技 C OAL S C I E NC E ＆ T E CHNOL OGY MAGAZ I N E 2 0 1 5年第 4期 No ．4 2 01 5 文章编号 1 0 0 8 3 7 3 1 2 0 1 5 1 0 4 ⋯0 0 2 2 0 3 厚煤层 煤柱尺寸合理 留设研究 孙志鑫 霍州煤 电集团 ， 山西 临汾 0 4 1 0 0 0 摘要 煤 柱 宽度 的合 理 留设 是 维持巷 道 稳 定 、 防止 冲 击地 压 和 次生 灾 害发 生 的重要 保 障 ， 因 此选择煤柱合理宽度时应考虑这些 因素⋯。 本文的试验研究对象为某矿 8 2 0 2工作面， 首先通过 理论 计 算得 到 工作 面倾 向 支撑 应 力分 布规 律 ， 其 次对 4种煤 柱 尺寸进 行 数值 模拟 ， 得 到巷 道 与 煤柱应力和位移分布以及破坏情况 。 兼顾安全性和经济性 因素， 确定 8 2 0 2工作 面区段的煤柱 尺 寸 留设 为 2 8 m。 关键 词 煤柱 F 1 A C3 D 数 值模 拟 ； 倾 向支撑 压 力 ； 深 部厚 煤层 中图分类号 T D 8 0 7 文献标识码 B 大采高综放面区段煤柱尺寸的留设不仅对巷道 的稳定有重大影响．而且对煤矿安全高效生产具有 重 大意 义 煤 柱尺 寸过 小 ． 则 发挥 不 了对 巷道 的支 护 作用 ， 导致煤矿生产不安全 ； 煤柱尺寸过大 ， 虽达到 安全性要求 ． 但造成资源浪费 。 不符合 经济性要求 。 因此 ， 需通过现场实测 、 理论计算 以及实验研究等方 式选择合理的煤柱尺寸．兼顾生产安全以及节约煤 炭资源的要求 本文的试验研究对象为某矿 8 2 0 2工 作面 ， 通过理论计算 ， 得 出应留设 的煤柱宽度 ， 然后 通过 F 1 A C 3 D 技术对不同煤柱尺寸进行模拟 ． 最终选 择适合该工作面的煤柱尺寸 1 工作面概 况 某矿8 2 0 2大采高综放工作面标高为一4 4 0 m左 右 ． 工作面推进长度为 1 7 0 0 i n ． 工作面长度为 1 5 0 m。煤层为近水平煤层 。 煤层厚度为 l O ． 5 2 0 m。 平 均厚 1 5 I n ． 割煤高度为 5 m， 放煤高度为 1 0 I n 。 直接 顶 为 泥 岩 ． 厚 2 ． 3 5 6 ． 2 4 n l ， 老顶 为岩 浆 岩 为 主 ， 厚 1 2 ． 4～2 8 ． 3 i n ．直接底也为泥岩．厚 2 ． 3 4～6 ． 3 5 m， 基本底 主要 为 中粗砂 岩 ， 厚 约 2 3 ． 4 n l 。 2工作面倾 向支承压力分布情况及理论计算 工作面回采过程中，改变了原岩应力的平衡性， 使其重新分布， 采空区上覆岩层形成破碎区、 塑性 区、 弹性区．呈垮落松散状态．在 8 2 0 2工作面不断推进 时 ， 老顶发生回转下沉破断， 形成倾向支承压力。 工作 面支承应力是选择留设煤柱尺寸的重要影响因素[2 j 。 以极 限平衡理论为基础 ．建立倾向支承应力分 布力学模型 ． 并列出平衡微分方程 。 o a a v 一0 a 0 “ v 一 0 a v a 一 c y t a n q O “xAc t y 由 1 得 e 丁 - ct r y t a n q n【2 A K y H t a 脚 n q 2 c 一 2 [ 3 ] 张广龙 ， 史丽萍 ． 矿井 中央水泵房综 合 自动化 系统 的设 计模 式 [ J ] ． 煤矿机电 ， 2 0 0 5 4 8一l 】 ． [ 4 ] 袁小东 ， 邓先 明， 王冬冬 ， 等． 基于以太网的煤矿排水综合 自动化 系统[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 9 7 71 0 ． 作者 简介 李 霞 1 9 7 9 一 ， 女 ， 山西 阳城人 。 2 0 0 3年毕 业于 中国矿 业大学 电气工程及 自动化专业 ， 硕 士， 山西晋城 煤业集团王 台铺煤矿工程师。 收 稿 日期 2 0 1 5 1 l 一 0 1