煤矿井下中央泵房的自动化系统设计.doc

第 38 卷 2010 年第 20 期本 栏 目 编 辑 陆 秋 云 通 用 28焊层性能的影响是复杂的,因此要系统考虑各元素复 合作用的综合影响。 参 考 文 献 [1] 沈风刚,刘景凤.冶金轧辊堆焊技术综述 [J].中国表面工 程,2000614-20. [2] 雎向荣,沈风刚,张 迪,等.窄带不锈钢冷轧支撑辊堆焊 修复技术 [J].中国表面工程,2007842-46. [3] 张华诚.粉末冶金实用工艺学 [M].北京冶金工业出版社, 200427-30. [4] 李建云,袁 勇.Fe-1.0Cu-2.0Ni-0.55Mo 扩散型合金钢粉的 研制 [J].粉末冶金工业,2005,425-28. [5] 李国平,李 罡.轧钢导卫板堆焊修复材料试验研究 [J].新 技术新工艺,2010172-74. [6] 梁国倡,岳振明.热轧滚道辊的堆焊制造和修复技术 [J].装 备制造技术,2008496-97. [7] 埃里希・福克哈德.不锈钢焊接冶金 [M].栗卓新,朱学军 译.北京化学工业出版社,200445-47. [8] 戴起勋.金属材料学 [M].北京化学工业出版社,2005 153-155. [9] 曹晓明,温 鸣,杜 安.现代金属表面合金化技术 [M].北 京化学工业出版社,200693-99. [10] 匡加才,符寒光,叶 昌,等.改善 Fe-B-C 合金韧性的研究 [J].四川大学学报工程科学版,2006433-37. 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电源模块选用 P S307 10A;数字量输入模块选用 SM321 DI32xDC24V;数字量输出模块选用 SM322 DO32xDC24V/0.5A;模拟量输入模块选用 SM331 AI8x16位;通信模块选用 CP343-1,其本身具有数 据处理能力,可以独立处理通信数据,并允许进一步 连接。 2 传感器 液位传感器选用 GUY5 型投入式液 位传感器,其工作电压为 DC 1220V,可输出 200 1 000 Hz 的信号,测量范围为 05 m,GUY5 型投 入式液位传感器环境适应性强,安装调试方便,可直 接投入水、油等液体 包括腐蚀性液体 中长期使用。 水压传感器选用 GYD 本质安全型压力变送器, 其温度适应能力较强,可以在 -1050 ℃ 的水温下 工作,最大测量范围为 10 MPa,满足系统要求。 定子温度传感器选用 KTY84-130 型电动机温 度传感器,其分别率为 0.1 ℃,测量范围为 -50 250 ℃,可以把温度信号快速地转变为电流信号传输 给 PLC。 第 38 卷 2010 年第 20 期 本栏目编辑 陆秋云 通 用 30 1, 2. 电动机球阀 3. 逆止阀 4. 泵体 5. 压力传感器 6. 真空度测试仪 7. 射流装置 8. 手动阀 图 4 系统排水示意 Fig 4 Sketch of system drainage 图 3 水位监测与启泵流程Fig 3 Water level detection and pump starting diagram 图 2 程序功能框图 Fig 3 Block diagram of program function 测量真空度选用 ZKY-2000 型真空度测试仪,其采用离子电荷来做标定,可以有效地抑制测试过程中瞬态电源的干扰,使测试稳定可靠。 3 工控机 工控机选用 2 台研华 IPC-610H 工控机,作为控制系统的上位机,2 台互为备用,提高系统的可靠性。 2.2 软件设计 软件设计包括上位机编程和 PLC 编程 2 个部 分。上位机采用 WinCC6.0 编辑监控界面,PLC 编程选用西门子公司开发的组态软件 STEP7 V5.4 SP4。S7-300 PLC 有线性化编程、分布式编程和结构化编程 3 种方式。本设计采用结构化编程方式,把系统中控制过程相似的功能进行分类,编写通用的指令模块,并以参数的形式给这些模块提供信息,使得结构化程序可以重复利用这些通用的指令模块。程序中的组织块 OB1 可以被系统程序调用,再由 OB1 调用功能子程序完成控制任务。功能子程序包括逻辑量判断处理功能块 FC1,模拟量数据采集功能块 FC2,水泵控制功能块 FC3,与上位机通信功能块 FC4,各功能块可以互相调用或调用子程序块来实现其功能。图 2 为程序功能框图。 2.3 PLC自动化排水工作流程 该系统有 3 种工作方式自动、半自动和手动。在自动方式下,液位传感器监测到水位达到排水限值,给 PLC 一个启泵信号,PLC 控制电动闸阀和电动球阀工作,并启动水泵完成抽真空和排水。半自动状态下,由人工判断水仓水位,手动启停水泵并确定开泵台数,一旦 PLC 监测到开泵信号,控制电动闸阀和电动球阀动作并启动水泵,完成抽真空和排水。手动方式只有在系统出现故障或检修情况下使用。3 种工作方式的切换可以通过 PLC 控制柜上的转换开关完成。为了减轻工人负担,实现排水系统自动化,通常情况下采用自动排水方式,其工作流程包括水位实时监测和水泵启停 2 个环节。 1 水位实时监测 为了实现水泵自动启停和电价的“避峰填谷”,系统设定 4 个水位限值,h 4 最高,h 1 最低,其控制流程如图 3 所示。当水位达到 h 2 时,若为低电价时段,则启动 1 台泵,若为高电价时 段,则暂缓启动;当水位达到 h 3 时,不论出于何种计费时段,必须启动 1 台泵;若水位继续上升,达到 h 4 时,启动另 1 台泵,直到水位回落到 h 1 位置关闭 2 台水泵。 2 水泵启停 系统排水示意如图 4 所示。当 PLC 收到启泵信号时,先打开 1 号电动球阀,再打开 2 号电动球阀,高压水从射流管路喷出,依靠射流的吸力,使泵内形成真空,当真空度达到要求时,真空度表给 P L C 一个开关量信号,PLC 控制高压真空开关柜开闸,启动水泵,当出水口压力达到 2 MPa 时,开启电动闸阀,系统开始排水。如果压力很长时间没达到 2 MPa,说明水泵空转没有抽上水,此时要关闭电动闸阀和水泵。系统正常排水以后,应该先关闭 2 号电动球阀,再关闭 1 号电动球阀,以防止泵体内进入空气,使真空度下降。 2.4 系统实现的功能 1 系统正常工作时,PLC 通过工业以太网实时地将各个设备的运行状态及各项参数发送到上位机,上位机对数据进行分析、处理和显示。上位机也可以对 PLC 发出控制指令,控制井下配电柜、就地控制柜开闸、合闸及复位,从而实现远程控制。 2 系统可以实现以下保护功能① 电动机定子温度过高时,PLC 控制高压开关柜分闸,进而关闭本台水泵;②水泵启动后,如果出水口压力达不到要求,则关闭本台水泵,启动另一台水泵;③ 电动阀门开启不到位或关闭不到位时,系统则发出报警信号,要求工人检修。 3 上位机对 PLC 发过来的数据实时记录,并绘出数据 - 时间坐标图,使相关人员对机组的各项指标 第 38 卷 2010 年第 20 期 本栏目 编辑 陆秋云 通 用 31 一目了然。上位机配有打印机,可以打印各项数据报表。 4 泵房中的 3 台水泵采用轮换工作制,以保证水泵均匀磨损。每台水泵开启后记录其工作时间,并对每次的工作时间进行累计。当泵房需用排水时,PLC 启动累计时间最短的,且是采用自动方式的水泵。 3 通信系统设计 系统通信是整个自动化设计 的重要一环,主要包括 PLC 与上位机之间的通信和视频监控系统与上位机的连接 2 个部分。 3.1 PLC 与上位机之间的通信 PLC 通过工业以太网与 Win-CC 通信,PLC 上选用 CP343-1 模块,上位机中选用工业以太网卡 CP 1613,并进行以下设置 1 在安装好的 S T A T I O N CON-FIGURTION EDITOR 中插入 CP 1613,插槽号选择 2,PC 站名要相同。 2 在 STEP7 中组态 CP343-1,在弹出的属性 Ethernet 窗口中把 CP343-1 通信板卡上的标签地址填入到 MAC 地址处,然后通过 MPI 通信将参数组态下载到 PLC 上。 3 在上位机 PLC 管理器中插入 PC STATIONS,并配置硬件,插入 CP1613,插槽号选择 2。 4 打开 WinCC,选中变量管理中的 Industrial Ethernet,把单元标签的逻辑设备名称设为 CP_H1_1。 5 打开设置 PG /PC 接口界面,在应用程序访问节点中选择 CP_H1_1,分配参数栏中设置 CP_H1_1→CP1613。 6 打开 WinCC 界面,在 SIMATIC S7 PROTOCOL SUIT 中新建工业以太网驱动,以太网地址为 CP343-1的 MAC 地址,机架号是 0,插槽号选 2。 7 各硬件连接后,通过 WinCC 的 Channel Diag-nosis 测试通信是否建立。 3.2 视频监控系统与上位机的连接 系统采用 KBA163 型防爆摄像仪对中央变电所、泵房及绞车房进行监视,摄像仪采集的视频信号通过光纤传到地面上,光纤两端采用 2 个视频光端机完成信号的发送和接收,视频光端机型号为 ZBC-T /R80,支持 8 路视频输入输出,集发送与接收功能与一体,可以将视频信号通过各种编码转换成光信号发送到光纤上,当光纤另一端的光端机接收到光信号后, 再还原成视频信号。在视频信号转换中,采用 JVS-C801Q 型视频采集卡,将模拟视频信号转换成计算机可以识别的数字信号,再利用相关的视频编辑软件对数字化的视频信号进行后期编辑处理,在上位机上按一定要求显示出来。如果不采用计算机显示,视频光端机出来的视频信号也可以通过工业视频电视显示。图 5 为上位机的水泵集控界面。 4 结语 笔者采用 PLC 作为控制系统的核心,对煤矿排水系统进行改造,并且与工业以太网相结合,将摄像头监控用到中央泵房,不仅实现了无人值守,也使调度室和领导层可以实时地了解泵房机组的各项指标和性能,清晰直观地看到泵房现场的工作情况。整个系统性能稳定,监控功能更加完善。目前,该系统已在枣庄矿业集团柴里煤矿袁堂井和平煤集团多个矿井投入运行,实践证明,该系统运行平稳、维护方便且现场评价良好,完全达到了设计要求。 参 考 文 献 [1] 胡学林.可编程控制器教程 [M].北京电子工业出版社, 200532-35. 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