煤礦主排水泵自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計

煤礦主排水泵自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計王慶?！菊棵旱V井下高效經(jīng)濟地排出涌水是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障.針對目前煤礦生產(chǎn)中多數(shù)煤礦仍采用人工手動控制排水的現(xiàn)狀，對井下主排水管道系統(tǒng)，利用可編程控制系統(tǒng)(PLC)為控制核心的軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)，設(shè)計了可實現(xiàn)自動檢測水位并根據(jù)電網(wǎng)峰谷情況及時排水的自動控制系統(tǒng)，提高了排水的有效性和經(jīng)濟性.【期刊名稱】《煤礦機電》【年(卷)，期】2017(000)003【總頁數(shù)】4頁(P51-54)【關(guān)鍵詞】主排水泵;水位監(jiān)測;電網(wǎng)峰谷監(jiān)測;可編程控制系統(tǒng)(PLC)【作者】王慶海【作者單位】江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇徐州221011【正文語種】中文【中圖分類】TD422+.5井下排水系統(tǒng)是將井下涌水及時、可靠、安全、經(jīng)濟、高效地排出礦井，在煤礦生產(chǎn)中占有十分重要的地位。目前煤礦井下排水大多數(shù)還停留在人工手動控制排水，不僅值班人員工作量大，費心耗神，還無法在節(jié)能方面達到避峰用谷的效果。在綜合研究煤礦主水倉水位監(jiān)測的實際情況及其特點的基礎(chǔ)上，利用可編程控制系統(tǒng)(PLC)控制技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了一套兼有水倉水位自動監(jiān)測、經(jīng)濟高效運行、自動控制水泵關(guān)停的主排水系統(tǒng)。主排水管道系統(tǒng)如圖1所示。整個系統(tǒng)采用5臺主排水泵，平時1臺主排水泵工作，3臺主排水泵備用，1臺主排水泵處于檢修狀態(tài)。每臺主排水泵都設(shè)有射流泵，用于對主水泵泵腔內(nèi)進行抽排以達真空狀態(tài)，主水泵獨立設(shè)置吸水管，并共用3套排水管。2.1系統(tǒng)硬件組成煤礦井下水倉水位監(jiān)測系統(tǒng)的硬件主要包括傳感器、轉(zhuǎn)換器、可編程邏輯控制器及輸入輸出接口電路等。傳感器將水壓值轉(zhuǎn)換為電信號，并由轉(zhuǎn)換器將測出的電信號轉(zhuǎn)換為能被單片機所識別的信號輸入給單片機，然后由單片機執(zhí)行算法程序后，得到與被測參數(shù)對應(yīng)的測量值或形成相應(yīng)的決策與判斷，當(dāng)被測量值超過設(shè)定的閥值時，系統(tǒng)進行聲光報警并執(zhí)行相應(yīng)的程序。2.2水位監(jiān)測水位監(jiān)測原理如圖2所示，主要是采用MPM281壓力傳感器來實施。在主、副兩個水倉各裝設(shè)一臺壓力傳感器。該傳感器可廣泛應(yīng)用于各種高性能要求的壓力測量場合，如工業(yè)過程控制、液壓測量等。圖2壓力傳感器原理圖MPM281型高穩(wěn)壓阻式OEM壓力敏感元件是一種帶隔離，并經(jīng)過精密補償?shù)母叻€(wěn)定性硅壓阻式壓力測量元件。其內(nèi)部核心器件是電橋，當(dāng)不受壓力作用時，該電橋處于平衡狀態(tài)，無電壓信號輸出。放置在水倉后，由于水壓的作用，電橋失去平衡，水位越高，水壓越大，即水位與探頭的輸出電壓信號有一對應(yīng)的關(guān)系［1］。電橋的橋臂為硅壓阻式敏感元件，它選用具有專利技術(shù)的高穩(wěn)定性擴散硅元件，采用外徑為中19mm的316L不銹鋼進行封裝。通過精密修調(diào)后的厚膜電路對壓力敏感元件進行了寬范圍的溫度補償和零點偏差修正。被測壓力經(jīng)過隔離膜片和內(nèi)部介質(zhì)傳遞到硅壓阻式敏感元件上，實現(xiàn)了壓力到電信號的精確轉(zhuǎn)換。3控制系統(tǒng)設(shè)計3.1控制系統(tǒng)功能1）自動控制。系統(tǒng)根據(jù)傳感器所測量的水位信號，結(jié)合電網(wǎng)監(jiān)測的反饋情況，自動完成水泵的啟動和停止操作。2）手動控制（主要用于PLC失效或檢修時）。此時PLC不參與任何操作控制，由操作人員在水泵房通過操作按鈕來控制整個系統(tǒng)。在檢修方式時操作人員可操作任意一臺水泵電動機、電動閘閥、電磁閥的開關(guān)，并可解除相互之間的閉鎖關(guān)系［2］。3）水泵的輪換和調(diào)用。水泵在啟動前必須先關(guān)閉出水閘閥然后才能啟動，系統(tǒng)根據(jù)主水泵開啟次數(shù)的累積自動選擇需要開啟的水泵。當(dāng)某臺水泵或其所屬閥門處于故障或檢修狀態(tài)時，該臺水泵退出輪換序列，其余各臺水泵仍按輪換工作制運行。而當(dāng)水位下降到超低水位時，電動機斷電，水泵停機，此時必須先關(guān)閉閘閥，緩慢減小流速，最后才能停機［3］。4）水位自動監(jiān)控環(huán)節(jié)。根據(jù)水位的高低能自動準(zhǔn)確地發(fā)出開、停水泵命令。5）當(dāng)PLC系統(tǒng)失效時，發(fā)出報警及聲光信號，提醒操作人員。3.2系統(tǒng)硬件設(shè)計1）硬件組成。煤礦中央泵房主排水控制系統(tǒng)的硬件由可編程控制器、觸摸屏、信號采集部分和執(zhí)行部分等組成，圖3所示為硬件結(jié)構(gòu)圖。2）信號采集。信號采集分模擬量采集部分和開關(guān)量采集部分，其中模擬量采集部分主要包括水倉水位傳感變送器，壓力傳感變送器，水泵軸溫度傳感器及電動機溫度傳感器等。水位傳感器將水倉水位信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到可編程控制器中，水倉中水位設(shè)置四個閥值，分別是超低水位H1、低水位H2、高水位H3和超高水位H4。開停傳感器將5臺水泵的開停狀態(tài)以開關(guān)量形式傳送到可編程控制器。水泵軸溫度傳感器和電動機溫度傳感器分別對水泵軸溫和電動機的溫度進行監(jiān)測，電動機過載監(jiān)測采用電流傳感器采集電機供電線路的實時電流，利用A/D轉(zhuǎn)換器將電流模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳送給可編程控制器。圖3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖3）PLC控制。整個系統(tǒng)以可編程控制器為核心，通過觸摸屏進行指令輸入，改變系統(tǒng)的控制方式，以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制、手動控制和就地控制方式；電網(wǎng)監(jiān)測模塊是由峰谷差檢測電路、比較電路等組成，通過測量單向非周期性變動信號變化的峰值、谷值、峰谷差值及峰谷出現(xiàn)頻度等特征，將它們與設(shè)定值相比較，并將比較結(jié)果以開關(guān)量輸出給可編程控制器。4）系統(tǒng)執(zhí)行部分。系統(tǒng)的執(zhí)行部分由聲光報警及液位顯示模塊、水泵開?？刂颇K、球閥及閘閥控制模塊組成。3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計及工作原理水倉水位信息由水位傳感器傳送到PLC，當(dāng)水位h達到H2時，系統(tǒng)對電網(wǎng)進行監(jiān)測，若此時電網(wǎng)處于用電峰值期，控制器不發(fā)出水泵啟動信號，水泵不啟動。若電網(wǎng)此時處于用電谷值期，系統(tǒng)關(guān)閉出水閘閥，對電動機、水泵溫度進行巡檢同時啟動射流泵對主水泵進行排空，使主水泵內(nèi)形成真空；若各項參數(shù)符合設(shè)定值，則啟動1#主水泵。單臺水泵啟動流程如圖4所示。當(dāng)h>H3時，聲光報警，在此位置上，無論電網(wǎng)處于峰值或谷值期，系統(tǒng)將重復(fù)巡檢流程，啟動1#和2#主水泵。當(dāng)水位h>H4時，則根據(jù)泵號調(diào)用程序，啟動3#水泵；經(jīng)過t時間延時，若水位h仍大于H4,則啟動4#水泵。當(dāng)水位h<H1，關(guān)閉出水閘閥，電機斷電停轉(zhuǎn)。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。圖4單臺水泵啟動流程圖4結(jié)論1）針對煤礦井下主排水系統(tǒng)的特點，結(jié)合PLC控制技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了一套煤礦井下排水自動化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了純?nèi)斯づ潘刂频闹T多弊端，可實現(xiàn)無人值守時的水位監(jiān)測、電網(wǎng)峰谷監(jiān)測并實現(xiàn)自動化運行控制，在檢修和PLC系統(tǒng)失效的狀況下還可實現(xiàn)人工手動控制等功能。該系統(tǒng)設(shè)計方案在徐州礦業(yè)集團部分煤礦實際應(yīng)用已近三年，運行結(jié)果表明，其具有較高的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。不但從管理、技術(shù)上保證了排水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，也提高了水泵的使用效率，減少了主排水泵的故障停機率。圖5系統(tǒng)軟件流程圖DesignofAutomaticControlSystemonMainDrainagePumpinCoalMineWangQinghai(JiangsuSafetyTechnologyCareerCollege,Xuzhou221011,China)Abstract:Dischargingthecoalminewaterefficientlyandeconomicallyisanimportantguaranteeforthesafetyofcoalproduction.Inviewofthecurrentsituationofmanualcontrolanddrainageincoalmineproduction.Basedonthesoftwaresystemandhardwaresystemofprogrammablelogiccontroller(PLC)asthecontrolcore,forthemaindrainagepipelinesystem,automaticcontrolsystemwasdesigned,whichcandetectthewaterlevelanddrainautomaticallyaccordingtothesituationofpeakandvalleyofthepowergrid,improvedtheefficiencyandeconomicefficiencyofdrainage.Keywords:maindrainagepump;waterlevelmonitoring;powergridpeakandvalleymonitoring;programmablelogiccontroller(PLC)doi:海.煤礦主排水泵自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].煤礦機電,2017(3):51-54.doi：10.16545/ki.cmet.2017.03.016作者簡介：王慶海(1967—)，男，高級講師。1990年畢業(yè)于淮南礦業(yè)學(xué)院礦山電氣自動化專業(yè)，現(xiàn)在江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院任教，并從事研發(fā)井下自動化控制技術(shù)工作。（收稿日期：2016-10-08；責(zé)任編輯：姚克）中圖分類號：TD422+.5文獻標(biāo)識碼：B文章編號：1001-0874（2017）03-0051-042.2水位監(jiān)測水位監(jiān)測原理如圖2所示，主要是采用MPM281壓力傳感器來實施。在主、副兩個水倉各裝設(shè)一臺壓力傳感器。該傳感器可廣泛應(yīng)用于各種高性能要求的壓力測量場合，如工業(yè)過程控制、液壓測量等。MPM281型高穩(wěn)壓阻式OEM壓力敏感元件是一種帶隔離，并經(jīng)過精密補償?shù)母叻€(wěn)定性硅壓阻式壓力測量元件。其內(nèi)部核心器件是電橋，當(dāng)不受壓力作用時，該電橋處于平衡狀態(tài)，無電壓信號輸出。放置在水倉后，由于水壓的作用，電橋失去平衡，水位越高，水壓越大，即水位與探頭的輸出電壓信號有一對應(yīng)的關(guān)系［1］。電橋的橋臂為硅壓阻式敏感元件，它選用具有專利技術(shù)的高穩(wěn)定性擴散硅元件，采用外徑為中19mm的316L不銹鋼進行封裝。通過精密修調(diào)后的厚膜電路對壓力敏感元件進行了寬范圍的溫度補償和零點偏差修正。被測壓力經(jīng)過隔離膜片和內(nèi)部介質(zhì)傳遞到硅壓阻式敏感元件上，實現(xiàn)了壓力到電信號的精確轉(zhuǎn)換。3.1控制系統(tǒng)功能1）自動控制。系統(tǒng)根據(jù)傳感器所測量的水位信號，結(jié)合電網(wǎng)監(jiān)測的反饋情況，自動完成水泵的啟動和停止操作。2）手動控制（主要用于PLC失效或檢修時）。此時PLC不參與任何操作控制，由操作人員在水泵房通過操作按鈕來控制整個系統(tǒng)。在檢修方式時操作人員可操作任意一臺水泵電動機、電動閘閥、電磁閥的開關(guān)，并可解除相互之間的閉鎖關(guān)系［2］。3）水泵的輪換和調(diào)用。水泵在啟動前必須先關(guān)閉出水閘閥然后才能啟動，系統(tǒng)根據(jù)主水泵開啟次數(shù)的累積自動選擇需要開啟的水泵。當(dāng)某臺水泵或其所屬閥門處于故障或檢修狀態(tài)時，該臺水泵退出輪換序列，其余各臺水泵仍按輪換工作制運行。而當(dāng)水位下降到超低水位時，電動機斷電，水泵停機，此時必須先關(guān)閉閘閥，緩慢減小流速，最后才能停機［3］。4）水位自動監(jiān)控環(huán)節(jié)。根據(jù)水位的高低能自動準(zhǔn)確地發(fā)出開、停水泵命令。5）當(dāng)PLC系統(tǒng)失效時，發(fā)出報警及聲光信號，提醒操作人員。3.2系統(tǒng)硬件設(shè)計1）硬件組成。煤礦中央泵房主排水控制系統(tǒng)的硬件由可編程控制器、觸摸屏、信號采集部分和執(zhí)行部分等組成，圖3所示為硬件結(jié)構(gòu)圖。2）信號采集。信號采集分模擬量采集部分和開關(guān)量采集部分，其中模擬量采集部分主要包括水倉水位傳感變送器，壓力傳感變送器，水泵軸溫度傳感器及電動機溫度傳感器等。水位傳感器將水倉水位信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到可編程控制器中，水倉中水位設(shè)置四個閥值，分別是超低水位H1、低水位H2、高水位H3和超高水位H4。開停傳感器將5臺水泵的開停狀態(tài)以開關(guān)量形式傳送到可編程控制器。水泵軸溫度傳感器和電動機溫度傳感器分別對水泵軸溫和電動機的溫度進行監(jiān)測，電動機過載監(jiān)測采用電流傳感器采集電機供電線路的實時電流，利用A/D轉(zhuǎn)換器將電流模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳送給可編程控制器。3）PLC控制。整個系統(tǒng)以可編程控制器為核心，通過觸摸屏進行指令輸入，改變系統(tǒng)的控制方式，以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制、手動控制和就地控制方式；電網(wǎng)監(jiān)測模塊是由峰谷差檢測電路、比較電路等組成，通過測量單向非周期性變動信號變化的峰值、谷值、峰谷差值及峰谷出現(xiàn)頻度等特征，將它們與設(shè)定值相比較，并將比較結(jié)果以開關(guān)量輸出給可編程控制器。4）系統(tǒng)執(zhí)行部分。系統(tǒng)的執(zhí)行部分由聲光報警及液位顯示模塊、水泵開停控制模塊、球閥及閘閥控制模塊組成。3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計及工作原理水倉水位信息由水位傳感器傳送到PLC，當(dāng)水位h達到H2時，系統(tǒng)對電網(wǎng)進行監(jiān)測，若此時電網(wǎng)處于用電峰值期，控制器不發(fā)出水泵啟動信號，水泵不啟動。若電網(wǎng)此時處于用電谷值期，系統(tǒng)關(guān)閉出水閘閥，對電動機、水泵溫度進行巡檢同時啟動射流泵對主水泵進行排空，使主水泵內(nèi)形成真空；若各項參數(shù)符合設(shè)定值，則啟動1#主水泵。單臺水泵啟動流程如圖4所示。當(dāng)h>H3時，聲光報警，在此位置上，無論電網(wǎng)處于峰值或谷值期，系統(tǒng)將重復(fù)巡檢流程，啟動1#和2#主水泵。當(dāng)水位h>H4時，則根據(jù)泵號調(diào)用程序，啟動3#水泵；經(jīng)過t時間延時，若水位h仍大于H4,則啟動4#水泵。當(dāng)水位h<H1，關(guān)閉出水閘閥，電機斷電停轉(zhuǎn)。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。圖4單臺水泵啟動流程圖4結(jié)論1）針對煤礦井下主排水系統(tǒng)的特點，結(jié)合PLC控制技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了一套煤礦井下排水自動化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了純?nèi)斯づ潘刂频闹T多弊端，可實現(xiàn)無人值守時的水位監(jiān)測、電網(wǎng)峰谷監(jiān)測并實現(xiàn)自動化運行控制，在檢修和PLC系統(tǒng)失效的狀況下還可實現(xiàn)人工手動控制等功能。2）該系統(tǒng)設(shè)計方案在徐州礦業(yè)集團部分煤礦實際應(yīng)用已近三年，運行結(jié)果表明，其具有較高的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。不但從管理、技術(shù)上保證了排水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，也提高了水泵的使用效率，減少了主排水泵的故障停機率。圖5系統(tǒng)軟件流程圖DesignofAutomaticControlSystemonMainDrainagePumpinCoalMineWangQinghai(JiangsuSafetyTechnologyCareerCollege,Xuzhou221011,China)Abstract:Dischargingthecoalminewaterefficientlyandeconomicallyisanimportantguaranteeforthesafetyofcoalproduction.Inviewofthecurrentsituationofmanualcontrolanddrainageincoalmineproduction.Basedonthesoftwaresystemandhardwaresystemofprogrammablelogiccontroller(PLC)asthecontrolcore,forthemaindrainagepipelinesystem,automaticcontrolsystemwasdesigned,whichcandetectthewaterlevelanddrainautomaticallyaccordingtothesituationofpeakandvalleyofthepowergrid,improvedtheefficiencyandeconomicefficiencyofdrainage.Keywords:maindrainagepump;waterlevelmonitoring;powergridpeakandvalleymonitoring;programmablelogiccontroller(PLC)doi:海.煤礦主排水泵自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].煤礦機電,2017(3):51-54.doi：10.16545/ki.cmet.2017.03.016作者簡介：王慶海(1967—)，男，高級講師。1990年畢業(yè)于淮南礦業(yè)學(xué)院礦山電氣自動化專業(yè)，現(xiàn)在江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院任教，并從事研發(fā)井下自動化控制技術(shù)工作。(收稿日期：2016-10-08；責(zé)任編輯：姚克)中圖分類號：TD422+.5文獻標(biāo)識碼：B文章編號：1001-0874(2017)03-0051-043）PLC控制。整個系統(tǒng)以可編程控制器為核心，通過觸摸屏進行指令輸入，改變系統(tǒng)的控制方式，以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制、手動控制和就地控制方式；電網(wǎng)監(jiān)測模塊是由峰谷差檢測電路、比較電路等組成，通過測量單向非周期性變動信號變化的峰值、谷值、峰谷差值及峰谷出現(xiàn)頻度等特征，將它們與設(shè)定值相比較，并將比較結(jié)果以開關(guān)量輸出給可編程控制器。4）系統(tǒng)執(zhí)行部分。系統(tǒng)的執(zhí)行部分由聲光報