矿井水泵房自动排水监控系统设计——MKJX.doc

矿井水泵房自动排水监控系统设计（安徽理工大学 电气与信息工程学院， 安徽 淮南 232001）摘要：介绍了传统煤矿井下水泵房控制方式的不足，研究了一种利用水仓水位准确测量涌水量的方法，设计了基于PLC的井下水泵房自动排水监控系统，分析了系统的构成和控制软件的编制。系统自动检测水井水位和其它参数，对水泵的运行进行自动化控制，并利用以太网通信技术，实现矿井水泵房的全自动监控的管理。关键词：水泵； 超声波流量计；可编程控制器；中图分类号： TD442 Design of the Coal Mine Pump Automation Remote Control System（School of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China）Abstract：The disadvantage of coal mines pumps was introduced. A accurate method to measure the amount of water pouring from the underground was explained by calculating the level of water sump. With the application of programmable logic controller, an automatic control system of pumps was proposed to achieve remote control and online monitoring of the water level and other related parameters. The system also can communicate with host computer by the Ethernet to perform the management.Key words：water pump； USF；Programmable logic controller 41绪论 煤矿生产过程中，由大气降水、地表水、断层水、含水层水和采空区水形成的地下水流入巷道和工作面，形成矿井水。不管是从矿井水的合理排放再利用方面，还是其本身具有的安全隐患方面考虑，都需要把矿井水及时有效地排出矿井。据统计，每开采1吨煤就要排出27吨的矿井水，井下排水设备所配备的电机功率也从几千瓦到上千千瓦，排水系统的用电量一般可占到煤矿生产的20%，因此，井下排水设备运转的可靠性与经济性对煤矿安全生产具有十分重要的意义。1,2淮南市潘集矿1989年投产，矿区含水层有6 层，水文地质条件中等偏复杂，正常涌水量为302m3/h，最大涌水量为385m3/h。目前矿井现有两个排水系统，一水平涌水量较小，由2台200D-65X5排水泵直接将水排出矿井。二水平排水系统担负着矿井主要的排水任务，各采区涌水抽到中央泵房的水仓中，再由中央泵房的排水系统排出矿井。矿井最初设计时，采用传统的继电器控制排水系统，主排水泵是四台多级离心泵，扬程为520m，每台水泵的流量为280m3/h；水泵电机采用电抗器降压起动，电机额定电压为6kV。排水泵站的起停操作和判断，完全依赖于工人的操作经验和已有的操作规程。这种系统存在的主要问题是操作工序复杂，工人的劳动强度大，不适合现代化的要求。另外，人工操作也存在着较大的安全隐患，容易损坏部件，不利于降低煤矿企业的运行成本。本课题针对潘集矿现有排水系统存在的问题和不足，对替代人工监控的水位监测系统做了研究，应用先进的可编程控制器（PLC）控制系统来取代老式的继电器控制的排水系统，并用现代化的通讯技术实现了排水系统的远程测控。2 煤矿井下排水自动控制系统的设计2.1总体方案设计该系统是在矿井原有的排水设施基础上进行的自动化改造，改造后控制系统由 PLC 控制柜、就地控制柜、报警和通讯接口及执行机构等部分组成，可在无人工干涉的情况下，由程序控制，完成自动运行和自我诊断。该系统选用了PLC作为中心控制器，完成模拟量输入、数字量输入输出、与上位机通信等功能。其中，需要处理的模拟量输入信号包括水仓水位高度，水泵出水口压力，真空度，水泵轴温，排水管流量等；PLC采集多路数字量输入信号，包括排水管电动阀的开关状态，水泵电机的开关状态反馈信号，离心泵电磁阀的开关状态信号，控制方式选择信号等。数字量输出控制信号包括各离心泵电磁阀的开关信号，各水泵电机的开关信号，排水管电动阀的开关信号等。数据监测模块检测各传感器状态，并将检测数据通过通讯模块传送至监控计算机。改造后的排水系统结构示意图如图2.1所示。图2.1 PLC自动控制排水系统示意图图2.2 排水泵管路连接示意图根据煤矿井下排水规程，主排水泵的工作水泵能力，必须在20小时内排出矿井24小时的正常涌水量。系统选用了四台离心式水泵作为主排水泵，正常工作状态下，两台投入正常排水工作，一台作为备用泵，另外一台作日常检修。电控配套设备分别为GKG2-6C高压开关柜，PLC主控制柜，就地手动控制柜。PLC主控制柜实现系统的集中监控。就地控制柜可以控制四台水泵的开停、电磁阀和电动阀门的开闭，真空泵的开停等。本系统中设计有两条排水管路，用四台离心式排水泵进行排水，并且每一个排水泵都通过电动阀分别和两个排水管路相连接，这样，当其中一个管路出现故障或需要维修时，可以继续通过另外一个管路排水，排水工作不会中断。排水管路和排水泵的系统连接图如图2. 2所示。 系统的控制方式以PLC集中程序控制为主，控制器根据水仓的水位的高低，以及涌水量的大小，通过操作电动阀，实现开启或关闭排水泵。水泵自动控制系统包括自动、手动两种方式。自动控制方式工作时，系统根据程序设定条件和各设备之间的联锁关系，对排水系统的各种参数进行实时监控，并依据控制逻辑设定，完成对水泵及其它关联设备的开停控制。当出现涌水量异常增大的情况时，系统发出报警，并紧急启动水泵。当 PLC控制器发生故障，或者设备检修后需要单机试车的情况，可选择手动控制模式，进行系统测试。操作员可以根据各设备的联锁关系，依照操作规程按顺序控制水泵及其关联设备的开停控制。2.2 水仓水位的测量和涌水量的计算水仓水位的测量是排水控制系统的关键环节。系统采用了2 套水位检测装置来监测水仓中的水位，一套为 3 组浮球开关，用于检测几个水位点，包括超低限水位，低水位、高水位、超高限水位。另外一套是超声波水位传感器检测，用于探测水位细微变化，能够用来判断水位上升或者下降的趋势。它属于非接触式传感器，性能不受被检测介质的影响，精度较高。3为简化计算，假设水仓的水平截面积 S 为常数。在时间段 t内，水仓水位的高度h由 h1 变化至 h2，而此时水泵的排水量为 P，则可以计算出矿井涌水量为： （2-1）其中，水仓水平截面积可以由水仓巷道结构确定，水位的高度值h1、h2由超声波水位传感器实时测出，水泵排水量P可由电磁流量计测定。矿井涌水量的测算方法确定后，排水系统就可以根据矿井涌水量的大小选择相应的自动控制功能。2.3 流量测量排水流量的检测选用的是ZY-LDE智能电磁流量计，它是一种根据法拉电磁感应定律来测量管内导电介质流量的感应式仪表。流量计采用单片机嵌入式技术，具有420mA电流信号供记录，参考流量范围2.82424.0m3/h。此外，流量计还具有LCD背光显示，抗干扰能力和稳定性好、精度高、整体防爆，可满足在煤矿井下恶劣工作环境的使用要求。考虑到降低系统的造价和硬件系统复杂程度的要求，流量计只安装在水泵出口的两个总管路上。结合水泵启动的数目和次序，系统就可以判断出每个水泵的流量是否正常，从而判断出整个机组的工作情况。举例来说，如果系统启动一台水泵，那流量判断的依据就为一台水泵的流量Q；如果启动n台水泵，那么系统判断的总的流量为nQ。图2.3 水泵自动排水工作流程图2.4可编程控制器模块选型及硬件设计PLC控制系统具有功能强，配置方便，可靠性高，抗干扰能力强，维护方便，容易改造等优点，能很好地实现工业实时控制功能。本系统选用的可编程控制器型号为FX2N-64MT，采用直流电源（+24V）供电，中央处理器具有32点输入接口和32点数据输出接口。可编程控制箱负责采集各设备的运行信息，再由工业以太网传送数据到上位机，同时PLC对各设备的运行状态进行监控。 PLC控制水泵自动排水工作流程如图2.3所示。控制器采用顺序扫描的工作方式，编程方式具有简单和直观的特点。水位传感器将水位变化信号转换为模拟输入量，送到PLC输入模块。各种开关量信号经由数字量输入模块，送入到PLC控制器。控制器根据水位变化，计算出单位时间内水位的上升速率和当前的涌水量。控制器根据设定好的指令，控制4台离心泵的启动和停止。PLC控制器还对电机电流、水泵轴温、电机温度、排水管流量等变量进行检测，如果变量值超过设定范围，则进行超限报警。图2.4 监控主机动态显示的模拟图PLC控制器通过以太网接口连接上位监控主机。主排水系统运行的模拟图可动态地显示在监控主机上，同时显示出4台水泵的运行参数。系统自动记录井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态，运行和故障数据，并可显示排水系统的故障点，便于操作人员查找问题。监控主机动态显示的排水系统运行模拟图如图2.4所示。3总结本文介绍了基于PLC的煤矿井下自动控制排水监控系统的软硬件的设计和配置。排水系统按照用户要求改造后，运行良好，具有遥控、自动、就地手动等多种工作方式。上位机监控系统可由地面