煤矿主排水泵自动化控制系统的设计

煤矿主排水泵自动化控制系统的设计王庆海【摘要】煤矿井下高效经济地排出涌水是煤矿安全生产的重要保障.针对目前煤矿生产中多数煤矿仍采用人工手动控制排水的现状，对井下主排水管道系统，利用可编程控制系统(PLC)为控制核心的软件系统和硬件系统，设计了可实现自动检测水位并根据电网峰谷情况及时排水的自动控制系统，提高了排水的有效性和经济性.【期刊名称】《煤矿机电》【年(卷)，期】2017(000)003【总页数】4页(P51-54)【关键词】主排水泵;水位监测;电网峰谷监测;可编程控制系统(PLC)【作者】王庆海【作者单位】江苏安全技术职业学院，江苏徐州221011【正文语种】中文【中图分类】TD422+.5井下排水系统是将井下涌水及时、可靠、安全、经济、高效地排出矿井，在煤矿生产中占有十分重要的地位。目前煤矿井下排水大多数还停留在人工手动控制排水，不仅值班人员工作量大，费心耗神，还无法在节能方面达到避峰用谷的效果。在综合研究煤矿主水仓水位监测的实际情况及其特点的基础上，利用可编程控制系统(PLC)控制技术，设计开发了一套兼有水仓水位自动监测、经济高效运行、自动控制水泵关停的主排水系统。主排水管道系统如图1所示。整个系统采用5台主排水泵，平时1台主排水泵工作，3台主排水泵备用，1台主排水泵处于检修状态。每台主排水泵都设有射流泵，用于对主水泵泵腔内进行抽排以达真空状态，主水泵独立设置吸水管，并共用3套排水管。2.1系统硬件组成煤矿井下水仓水位监测系统的硬件主要包括传感器、转换器、可编程逻辑控制器及输入输出接口电路等。传感器将水压值转换为电信号，并由转换器将测出的电信号转换为能被单片机所识别的信号输入给单片机，然后由单片机执行算法程序后，得到与被测参数对应的测量值或形成相应的决策与判断，当被测量值超过设定的阀值时，系统进行声光报警并执行相应的程序。2.2水位监测水位监测原理如图2所示，主要是采用MPM281压力传感器来实施。在主、副两个水仓各装设一台压力传感器。该传感器可广泛应用于各种高性能要求的压力测量场合，如工业过程控制、液压测量等。图2压力传感器原理图MPM281型高稳压阻式OEM压力敏感元件是一种带隔离，并经过精密补偿的高稳定性硅压阻式压力测量元件。其内部核心器件是电桥，当不受压力作用时，该电桥处于平衡状态，无电压信号输出。放置在水仓后，由于水压的作用，电桥失去平衡，水位越高，水压越大，即水位与探头的输出电压信号有一对应的关系［1］。电桥的桥臂为硅压阻式敏感元件，它选用具有专利技术的高稳定性扩散硅元件，采用外径为中19mm的316L不锈钢进行封装。通过精密修调后的厚膜电路对压力敏感元件进行了宽范围的温度补偿和零点偏差修正。被测压力经过隔离膜片和内部介质传递到硅压阻式敏感元件上，实现了压力到电信号的精确转换。3控制系统设计3.1控制系统功能1）自动控制。系统根据传感器所测量的水位信号，结合电网监测的反馈情况，自动完成水泵的启动和停止操作。2）手动控制（主要用于PLC失效或检修时）。此时PLC不参与任何操作控制，由操作人员在水泵房通过操作按钮来控制整个系统。在检修方式时操作人员可操作任意一台水泵电动机、电动闸阀、电磁阀的开关，并可解除相互之间的闭锁关系［2］。3）水泵的轮换和调用。水泵在启动前必须先关闭出水闸阀然后才能启动，系统根据主水泵开启次数的累积自动选择需要开启的水泵。当某台水泵或其所属阀门处于故障或检修状态时，该台水泵退出轮换序列，其余各台水泵仍按轮换工作制运行。而当水位下降到超低水位时，电动机断电，水泵停机，此时必须先关闭闸阀，缓慢减小流速，最后才能停机［3］。4）水位自动监控环节。根据水位的高低能自动准确地发出开、停水泵命令。5）当PLC系统失效时，发出报警及声光信号，提醒操作人员。3.2系统硬件设计1）硬件组成。煤矿中央泵房主排水控制系统的硬件由可编程控制器、触摸屏、信号采集部分和执行部分等组成，图3所示为硬件结构图。2）信号采集。信号采集分模拟量采集部分和开关量采集部分，其中模拟量采集部分主要包括水仓水位传感变送器，压力传感变送器，水泵轴温度传感器及电动机温度传感器等。水位传感器将水仓水位信号转换为数字信号输入到可编程控制器中，水仓中水位设置四个阀值，分别是超低水位H1、低水位H2、高水位H3和超高水位H4。开停传感器将5台水泵的开停状态以开关量形式传送到可编程控制器。水泵轴温度传感器和电动机温度传感器分别对水泵轴温和电动机的温度进行监测，电动机过载监测采用电流传感器采集电机供电线路的实时电流，利用A/D转换器将电流模拟量转换为数字量传送给可编程控制器。图3系统硬件结构图3）PLC控制。整个系统以可编程控制器为核心，通过触摸屏进行指令输入，改变系统的控制方式，以实现系统的自动控制、手动控制和就地控制方式；电网监测模块是由峰谷差检测电路、比较电路等组成，通过测量单向非周期性变动信号变化的峰值、谷值、峰谷差值及峰谷出现频度等特征，将它们与设定值相比较，并将比较结果以开关量输出给可编程控制器。4）系统执行部分。系统的执行部分由声光报警及液位显示模块、水泵开停控制模块、球阀及闸阀控制模块组成。3.3系统软件设计及工作原理水仓水位信息由水位传感器传送到PLC，当水位h达到H2时，系统对电网进行监测，若此时电网处于用电峰值期，控制器不发出水泵启动信号，水泵不启动。若电网此时处于用电谷值期，系统关闭出水闸阀，对电动机、水泵温度进行巡检同时启动射流泵对主水泵进行排空，使主水泵内形成真空；若各项参数符合设定值，则启动1#主水泵。单台水泵启动流程如图4所示。当h>H3时，声光报警，在此位置上，无论电网处于峰值或谷值期，系统将重复巡检流程，启动1#和2#主水泵。当水位h>H4时，则根据泵号调用程序，启动3#水泵；经过t时间延时，若水位h仍大于H4,则启动4#水泵。当水位h<H1，关闭出水闸阀，电机断电停转。系统软件流程如图5所示。图4单台水泵启动流程图4结论1）针对煤矿井下主排水系统的特点，结合PLC控制技术，设计开发了一套煤矿井下排水自动化控制系统。该系统解决了纯人工排水控制的诸多弊端，可实现无人值守时的水位监测、电网峰谷监测并实现自动化运行控制，在检修和PLC系统失效的状况下还可实现人工手动控制等功能。该系统设计方案在徐州矿业集团部分煤矿实际应用已近三年，运行结果表明，其具有较高的稳定性和经济性。不但从管理、技术上保证了排水系统的稳定运行，也提高了水泵的使用效率，减少了主排水泵的故障停机率。图5系统软件流程图DesignofAutomaticControlSystemonMainDrainagePumpinCoalMineWangQinghai(JiangsuSafetyTechnologyCareerCollege,Xuzhou221011,China)Abstract:Dischargingthecoalminewaterefficientlyandeconomicallyisanimportantguaranteeforthesafetyofcoalproduction.Inviewofthecurrentsituationofmanualcontrolanddrainageincoalmineproduction.Basedonthesoftwaresystemandhardwaresystemofprogrammablelogiccontroller(PLC)asthecontrolcore,forthemaindrainagepipelinesystem,automaticcontrolsystemwasdesigned,whichcandetectthewaterlevelanddrainautomaticallyaccordingtothesituationofpeakandvalleyofthepowergrid,improvedtheefficiencyandeconomicefficiencyofdrainage.Keywords:maindrainagepump;waterlevelmonitoring;powergridpeakandvalleymonitoring;programmablelogiccontroller(PLC)doi:海.煤矿主排水泵自动化控制系统的设计[J].煤矿机电,2017(3):51-54.doi：10.16545/ki.cmet.2017.03.016作者简介：王庆海(1967—)，男，高级讲师。1990年毕业于淮南矿业学院矿山电气自动化专业，现在江苏安全技术职业学院任教，并从事研发井下自动化控制技术工作。（收稿日期：2016-10-08；责任编辑：姚克）中图分类号：TD422+.5文献标识码：B文章编号：1001-0874（2017）03-0051-042.2水位监测水位监测原理如图2所示，主要是采用MPM281压力传感器来实施。在主、副两个水仓各装设一台压力传感器。该传感器可广泛应用于各种高性能要求的压力测量场合，如工业过程控制、液压测量等。MPM281型高稳压阻式OEM压力敏感元件是一种带隔离，并经过精密补偿的高稳定性硅压阻式压力测量元件。其内部核心器件是电桥，当不受压力作用时，该电桥处于平衡状态，无电压信号输出。放置在水仓后，由于水压的作用，电桥失去平衡，水位越高，水压越大，即水位与探头的输出电压信号有一对应的关系［1］。电桥的桥臂为硅压阻式敏感元件，它选用具有专利技术的高稳定性扩散硅元件，采用外径为中19mm的316L不锈钢进行封装。通过精密修调后的厚膜电路对压力敏感元件进行了宽范围的温度补偿和零点偏差修正。被测压力经过隔离膜片和内部介质传递到硅压阻式敏感元件上，实现了压力到电信号的精确转换。3.1控制系统功能1）自动控制。系统根据传感器所测量的水位信号，结合电网监测的反馈情况，自动完成水泵的启动和停止操作。2）手动控制（主要用于PLC失效或检修时）。此时PLC不参与任何操作控制，由操作人员在水泵房通过操作按钮来控制整个系统。在检修方式时操作人员可操作任意一台水泵电动机、电动闸阀、电磁阀的开关，并可解除相互之间的闭锁关系［2］。3）水泵的轮换和调用。水泵在启动前必须先关闭出水闸阀然后才能启动，系统根据主水泵开启次数的累积自动选择需要开启的水泵。当某台水泵或其所属阀门处于故障或检修状态时，该台水泵退出轮换序列，其余各台水泵仍按轮换工作制运行。而当水位下降到超低水位时，电动机断电，水泵停机，此时必须先关闭闸阀，缓慢减小流速，最后才能停机［3］。4）水位自动监控环节。根据水位的高低能自动准确地发出开、停水泵命令。5）当PLC系统失效时，发出报警及声光信号，提醒操作人员。3.2系统硬件设计1）硬件组成。煤矿中央泵房主排水控制系统的硬件由可编程控制器、触摸屏、信号采集部分和执行部分等组成，图3所示为硬件结构图。2）信号采集。信号采集分模拟量采集部分和开关量采集部分，其中模拟量采集部分主要包括水仓水位传感变送器，压力传感变送器，水泵轴温度传感器及电动机温度传感器等。水位传感器将水仓水位信号转换为数字信号输入到可编程控制器中，水仓中水位设置四个阀值，分别是超低水位H1、低水位H2、高水位H3和超高水位H4。开停传感器将5台水泵的开停状态以开关量形式传送到可编程控制器。水泵轴温度传感器和电动机温度传感器分别对水泵轴温和电动机的温度进行监测，电动机过载监测采用电流传感器采集电机供电线路的实时电流，利用A/D转换器将电流模拟量转换为数字量传送给可编程控制器。3）PLC控制。整个系统以可编程控制器为核心，通过触摸屏进行指令输入，改变系统的控制方式，以实现系统的自动控制、手动控制和就地控制方式；电网监测模块是由峰谷差检测电路、比较电路等组成，通过测量单向非周期性变动信号变化的峰值、谷值、峰谷差值及峰谷出现频度等特征，将它们与设定值相比较，并将比较结果以开关量输出给可编程控制器。4）系统执行部分。系统的执行部分由声光报警及液位显示模块、水泵开停控制模块、球阀及闸阀控制模块组成。3.3系统软件设计及工作原理水仓水位信息由水位传感器传送到PLC，当水位h达到H2时，系统对电网进行监测，若此时电网处于用电峰值期，控制器不发出水泵启动信号，水泵不启动。若电网此时处于用电谷值期，系统关闭出水闸阀，对电动机、水泵温度进行巡检同时启动射流泵对主水泵进行排空，使主水泵内形成真空；若各项参数符合设定值，则启动1#主水泵。单台水泵启动流程如图4所示。当h>H3时，声光报警，在此位置上，无论电网处于峰值或谷值期，系统将重复巡检流程，启动1#和2#主水泵。当水位h>H4时，则根据泵号调用程序，启动3#水泵；经过t时间延时，若水位h仍大于H4,则启动4#水泵。当水位h<H1，关闭出水闸阀，电机断电停转。系统软件流程如图5所示。图4单台水泵启动流程图4结论1）针对煤矿井下主排水系统的特点，结合PLC控制技术，设计开发了一套煤矿井下排水自动化控制系统。该系统解决了纯人工排水控制的诸多弊端，可实现无人值守时的水位监测、电网峰谷监测并实现自动化运行控制，在检修和PLC系统失效的状况下还可实现人工手动控制等功能。2）该系统设计方案在徐州矿业集团部分煤矿实际应用已近三年，运行结果表明，其具有较高的稳定性和经济性。不但从管理、技术上保证了排水系统的稳定运行，也提高了水泵的使用效率，减少了主排水泵的故障停机率。图5系统软件流程图DesignofAutomaticControlSystemonMainDrainagePumpinCoalMineWangQinghai(JiangsuSafetyTechnologyCareerCollege,Xuzhou221011,China)Abstract:Dischargingthecoalminewaterefficientlyandeconomicallyisanimportantguaranteeforthesafetyofcoalproduction.Inviewofthecurrentsituationofmanualcontrolanddrainageincoalmineproduction.Basedonthesoftwaresystemandhardwaresystemofprogrammablelogiccontroller(PLC)asthecontrolcore,forthemaindrainagepipelinesystem,automaticcontrolsystemwasdesigned,whichcandetectthewaterlevelanddrainautomaticallyaccordingtothesituationofpeakandvalleyofthepowergrid,improvedtheefficiencyandeconomicefficiencyofdrainage.Keywords:maindrainagepump;waterlevelmonitoring;powergridpeakandvalleymonitoring;programmablelogiccontroller(PLC)doi:海.煤矿主排水泵自动化控制系统的设计[J].煤矿机电,2017(3):51-54.doi：10.16545/ki.cmet.2017.03.016作者简介：王庆海(1967—)，男，高级讲师。1990年毕业于淮南矿业学院矿山电气自动化专业，现在江苏安全技术职业学院任教，并从事研发井下自动化控制技术工作。(收稿日期：2016-10-08；责任编辑：姚克)中图分类号：TD422+.5文献标识码：B文章编号：1001-0874(2017)03-0051-043）PLC控制。整个系统以可编程控制器为核心，通过触摸屏进行指令输入，改变系统的控制方式，以实现系统的自动控制、手动控制和就地控制方式；电网监测模块是由峰谷差检测电路、比较电路等组成，通过测量单向非周期性变动信号变化的峰值、谷值、峰谷差值及峰谷出现频度等特征，将它们与设定值相比较，并将比较结果以开关量输出给可编程控制器。4）系统执行部分。系统的执行部分由声光报