基于PLC的煤矿井下自动排水系统.docx

基 于 plc 的煤矿井下自动排水系统 郭凤仪1 ，郭长娜1 ，王爱军2 ，张凤龙1( 1 辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛 125105; 2 开滦钱家营矿业公司，河北唐山063301)摘要: 基于 plc 和组态软件提出了煤矿井下水泵房自动排水方案，中心控制器采用 s7 200 系列 plc，经过传感器对各参数的采集，利用软件编程等完成了避峰就谷、自动轮换等节能优化排水过程，具有故障监测和保护功能，主要包括过 压、过流、漏电保护，水泵漏水保护，流量、压力保护。上位机使用组态进行操作，可实现远程监控，实时显示信息，提高了 生产效率，节省能耗，降低了生产成本。关键词: plc; 组态; 节能优化; 远程监控中图分类号: tp272文献标识码: a文章编号; 1002 1841( 2012) 10 0101 04automatic drainage system underground mine based on plcguo feng-yi1 ，guo chang-na1 ，wang ai-jun2 ，zhang feng-long1( 1 department of electrical engineering，liaoning technical university，huludao 125105，china;2 kailuan qianjiaying mine company，tangshan 063301，china)abstract: research the automatic drainage system underground mine based on plc and configuration，center controller useplc of s7-200 for siemens，the parameters are collected by sensors，energy saving optimal drainage process as avoid peak and au- tomatic rotation are completed by software programming，it has the failure monitoring and protection function，including over-volt- age、flow、leakage protection，pump leaking protection，flow、pressure protection pc operates use configuration，realizes remote moni- toring，real-time display information，improve the production efficiency，save energy consumption，reduce the cost of productionkey words: plc; configuration; energy saving optimization; remote monitoring井下具体情况和要求选择最佳运行方案，为井上监控系统提供有用的数据资料5。为满足上述基本要求，系统的控制部分硬件是以 s7 200 可编程控制器为核心控制芯片。在此 plc 基础上，又扩展了模 拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块、通信模块和 上位机监控中心。图 1 为系统硬件整体框图。0引言目前国内各矿井排水系统多采用传统的继电器控制方法，用人工进行检测( 如人工检测水仓水位、闸阀及配电设备状况 等) ，这种检测控制方 法 效 率 低，工人劳动强度大，而 且 由 于 井 下环境恶劣，故障率较高1 2。所以靠人工检测的方法已不适 应煤炭发 展 的 需 要，针对目前存在的问题，文中提出了基于 plc 和组态软件的煤矿井下水泵房自动排水系统研究，不仅可 以提高水泵的运行和使用效率，更重要的是节省能耗，降 低 生 产成本。本系统具有故障监测和保护功能。故障监测和保护 功能主要包括过压、过流、漏电保护，水泵漏水保护，流量、压力 保护。水泵的运行状况，自动进行数据采集、自动记录、故障报 警、事故分析、多台水泵启动的自动切换及控制断电等，所得到 的动态资料准确性高，控制的可靠性高。11. 1煤矿井下水泵房自动排水系统硬件设计煤矿井下排水系统的总体方案设计井下自动排水系统的目的是要实现井下水 泵 房 的 无 人 化操作，能够实时监 测、自 动 运 行，提 高 安 全 性、可靠性和运行效 率，增强抗灾能力。并能够优化调度水泵运行情况，节能降耗， 降低生产成本。井下自动排水系统在传统排水系统的基础上，应用现代工 业控制技术和检测装置，实现排水系统的自动化3 4。并且延 伸其功能，使井下水泵房在实现无人化运行的同时，能 够 根 据基金项目: 辽宁省高校创新团队项目( lt2010046)图 1 系统硬件整体框图收稿日期: 2012 04 10 收修改稿日期: 2012 07 22102instrument technique and sensoroct. 20121. 2 可编程控制器模块选型及概述系统 选 用 s7 200 系列可编程控制器作为中心控 制 器。 s7 200plc 系统的硬件构架由多种型号 cpu 模块和扩展模块 组成，能够满足各种设备的自动化控制需 求6。s7 200 除 具 有 plc 基本控制功能除外，更在强大的指令集、丰 富 强 大 的 通 信功能、编程软件的易用性等方面有强大的优势，这 些 也 是 本 设计选择 s7 200 的原因之一。根据以上控制系统的总体设计方案，统计出所需的 plc 输 入输出 i /0 口的数目，见表 l 所示。表 1 plc 模拟量输入通道统计放大器采用 op 07 单片精密运算放大器，电容 c4 在此起滤波的作用。通过 r1 给 ad590 传感器提供稳定电压，所 测 温 度由 ad590 温度传感器检测，给电压放大器提供电压信号，以供放大。这里用电位器 rp 起到调零点的作用，电位器 rp 起12到调增益的作用，通 过调整运放中的电阻 rp1 和 电 位 器 rp2 ，找到输出电压与被测温度的合适对应关系。1. 3. 3 水管流量检测 设计通过负压式流量继电器来控制流量的改变。 负压式流量继电器原理如图 4 所示，它由流量采集和信号放大两部分组成。流量采集部分安装在水泵吸水管上，其亡弯7曲管顺水流方向 。当吸水管中的水流动时，在橡皮膜下腔造成负压，在负 压 的 作 用 下，橡 皮 膜 下 凹，弹 簧带动磁芯连杆下 移，移动的距离反映吸水管流量的大小。流 量 越 大，磁 芯 连 杆 下移越多。位置di 点数do 点数ai 点数ao 点数 合计实际点数64271601071. 3 检测各参数传感器的选择1. 3. 1 井下水仓水位检测方法超声波水位传感器是一种非接触式的水位传感器，应用领 域十分广泛。工作原理如图 2 所示，超声波传感器在微机控制 下，发射和接收超声波，并由超声波的传播时间 t 来计算超声波 传感器距被测物位的 hb ，在超声波传播速度 c 已知的情况 下， 可根据 hb = ct /2 计算出 hb 因超声波传感器距离渠底的高度 h 为定值，故可计算出物位高度 ha = h hb 图 4 负压式流量继电器原理真空度检测1. 3. 4系统选用智慧型压力计 ps9302 数 字 式 压 力 计，该 压 力计的特点是: 超大型液 晶 显 示 器 61 mm 34 mm，字 高 15 mm; 更换压力传感器不需重新校正; 8 种单位选择切换; 压力感应器 输出信号为直流电压，满刻度为直流 100 mv; 可记录最大值 / 最小值及读值锁定; 外 接 式 感 应 器，操 作 简 易，坚 固 外 壳，适 用 于 液体压力测量，亦适用气体压力测量; 自动关机功能。1. 4 阀门控制电路设计系统选用 zd 系列阀 门，其电气控制原理如图 5 所 示。该 电路由正、反转接触器 kmz、kmz 中间继电器 k 及 显 示 电 路 等 部分组成。关闭阀门时，按下按钮 1sb，反转接触器 kmf 有电吸合，电 动机反转，开始关闭阀门，当阀门到全关闭位置时，凸轮触动行程开关 1sq 使 kmf 断电，电动机停止转动。此时，绕 线 电 位 器rp1 的动触头移到下方，指示灯 h3 亮、h4 灭，阀门开度表指示 全关闭状态。开启阀门时，按下按钮 2sb，正转接触器 kmz 有电吸合，电 动机正转，阀 门 打 开，当到达全开位置时，凸轮触动行程开关 2sq，正转接触器 kmz 断电，电动机停转。此时绕线电位器 rp1的动触头移至上方，指示灯亮 h4 、h3 灭，阀门开度表指示阀门 全开位置。其 plc 接线图如图 6 所示。图 2 超声波传感器原理图1. 3. 2 温度检测为了实现电机以及的水泵保护和监测系统 必 须 实 时 的 检 测电机的轴温，设计选择了 ad590 温度传感器来检测电机、水 泵的轴温度其电路如图 3 所示。1. 5水泵降压启动设计系统电机启动采 用 gkfh1 型 电 抗 启 动 柜，其 plc 接 线控制图如图 7 所示。水泵启动时，先合上电源隔离开关 1sq，电 压 表 v 即 有 指图 3 温度检测原理图第 10 期郭凤仪等: 基于 plc 的煤矿井下自动排水系统103图 8 系统软件结构针对水泵系统的 设 备 故 障，系 统 实时监测水泵启动过程、运行状态以及停止过程，一旦出现故障，采取应急措施，保护设 备，防止故障进一步扩大。具体监控流程如图 9 所示。示，同时电源指示灯绿灯 1hl 亮。当水泵灌足饮水后，合 上 油断路器 qf，高压电源经过电抗器 l 降压后通入电动机 m，电动 机开始降压启动，此 时 绿 灯 1hl 灭 而 黄 灯 2hl 亮。当 电 动 机 加速到一定值时，水泵便作等速运转，电流表指示由大到小，此 时可闭合隔离开关 2qs，电 抗 器 l 被 短 接，电动机达到额定转 速投入正常运行，2qs 的辅助触点将指示灯 2hl 断 开，将 红 色 指示灯 3hl 接通，说明水泵启动结束，可开启闸阀排水。同时， 电流表指示上升，当闸阀全开时，电流表应达到正常工作电流。停泵时，在关闭水泵闸阀后先拉开油断路器 qf，然后分别 拉开隔离开关 1qs 和 2qs 即可。图 9 全自动控制流程3操作平台为适应系统需要，井下和调度室各设一个操作终端。井下图 7 电机降压启动 plc 接线图2 自动控制系统的程序设计系统软件采用模 块 化 结 构，各 控 制模块之间相互嵌套，可 以满足复杂的监控要求。宏观上可以将监控软件分为三层，如 图 8 所示。操作终端选用 tp270 系列触 摸 屏，安 装 在 plc 控 制 柜 上，并 与监控 plc 进行组态，完成井下集中控制。3. 1 触摸屏操作终端作为井下的控制终端，必须能够适应恶劣的现场环境并符104instrument technique and sensoroct. 2012合安全规程 的 要 求，所 选 tp270 系列触摸屏结构紧凑、采 用24 v直流供电，安 全 可 靠。利 用 protool 开 发 工 具 开 发 操 作 软件，结合操作人员的日常工作范围，该操作软件集控制、监测 及报 警 于 一 体，操作者在一个监控画面下即可完成对水 泵 的 启、停控制( 如图 10) 、实 时 状态监测以及故障信息的读取，具 有功能完善、操作简单的特点。发现。根据井下实际涌水量和水仓水位，由“避峰就谷”原则确定开启水泵台数，以达到节能的目的。文中使用组态王软件编 制的自动监测程序，用其监视设备的运行情况及各个运 行 参 数，以便及时发现故障并能尽早处理，对保障煤矿安 全 生 产 具 有重要意义。图 11 水位曲线实时监测参考文献:1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 煤矿机电，2005( 4) : 12 15谭国俊，韩耀飞，熊树 基于 plc 的中央泵房自动化设计 工 矿 自 动化，2006，2( 1) : 50 52葛铁 煤矿井工开采排水设备自动控制系统的开发研究: 学位论 文 太原: 太原理工大学，2005张爱华 基于组态王软件的泵站 计 算机监控系统研 究: 学 位 论 文 西安: 西安建筑科技大学，2004李泽松 井下水泵房自动排水系 统 研 究: 学 位 论 文 太 原: 太 原 理工大学，2005王孝颖，张丰敏，张学松 plc 在煤矿井下主排水控制系统中的应 用 中国煤炭，2002( 8) : 44 46李瑞 井下排水系统的监测与控 制 研 究: 学 位 论 文 太 原: 太 原 理工大学，2006图 10 触摸屏水泵启动控制画面实时记录曲线在触摸屏显示器 中，可 动 态 显 示 水 泵 运 行 状 态，水 位 实 时3. 22动态数据，采用改变图形颜色和闪烁功能进行事故报警。用图形填充 以 及 趋 势 图 如 图 11 准确实时地显示水仓水 位，并在启停 水泵的水位段发出预告信 号 和 低 段、超 低 段、高 段、超高段水位分段报警，用音响形式提醒工作人员注意。3454结束语文中针对煤矿井下排水设备自动化程度不高的现状，研究6设计了 plc 控制与 pc 监视相结合的煤矿井下自动排水系统。系统选用 s7200 系列 plc，有自动、半自动和手动三种操作方 式可供选择。水泵及管路的“自动轮换”工作制可以有效防止: 工作水泵及管路磨损过于严重; 备用泵及其电气设备或备用管 路 长期不用而使电机和电气设备受潮或有其他故障不能及时7作者简介: 郭凤仪( 1964 ) ，教授，博士生导师，长期从事煤矿节能控制系统领域的研究。( 上接第 100 页)双端口 ram 作为采集数据存储器。将雷达传感器的 2 路输出模拟量转换为能与 fpga 装置相连接，并通过数字信号处理技术，实现了雷达探测目标的距离。实 际 应 用 结 果 也 证 明，基 于fpga 的 24 ghz 雷达测距系统可