自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)在煤礦中的應(yīng)用

袁傳增 楊洪科

摘 ?要：文章從自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析入手，結(jié)合先進(jìn)的PLC和計(jì)算機(jī)技術(shù)等改善自行設(shè)計(jì)了一款適用于煤礦行業(yè)的自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)的安全性和效率比傳統(tǒng)方式較高，故障率也較低，操作更加便捷，對(duì)于進(jìn)一步改善煤礦行業(yè)的排水系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化;排水控制系統(tǒng);煤礦生產(chǎn);應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TD744 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）13-0155-02

Abstract： Based on the structure analysis of automatic drainage control system and the improvement of advanced PLC and computer technology， an automatic drainage control system suitable for coal mine industry is designed in this paper. In practical application， the safety and efficiency of the system is higher than the traditional way， the failure rate is also lower， and the operation is more convenient， which has a certain guiding significance for further improving the drainage system in the coal mine industry.

Keywords： automation; drainage control system; coal mine production; application

1 自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

在對(duì)自動(dòng)化排水系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須在排水前處理耐磨離心泵，通常采用的方法是管道余水射流、水環(huán)真空泵射流、管道余水抽空等方式。如果選擇射流方式，就必須選擇配套的射流管道控制閥門(mén)、射流總成、真空管道閥門(mén)等部件，將水泵體內(nèi)的空氣抽空，以便后續(xù)應(yīng)用。如果選擇水環(huán)與之相結(jié)就必須選擇配套的真空管道控制閥門(mén)、水環(huán)真空泵和管道控制閥門(mén)等。此外在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，還必須估算真空體積，明確真空泵的型號(hào)，以免出現(xiàn)真空泵不匹配的情況發(fā)生。

2 自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

排水控制系統(tǒng)總體框架如圖1所示，由圖可知該系統(tǒng)可分為監(jiān)控硬件設(shè)備和軟件。下面從監(jiān)控設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面來(lái)開(kāi)展自動(dòng)排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1 監(jiān)控設(shè)計(jì)

2.1.1 地面控制中心

地面控制中心是以工控機(jī)作為平臺(tái)的自動(dòng)化排水監(jiān)控軟件，其一般建在礦井機(jī)電生產(chǎn)指揮中心，主要功能是轉(zhuǎn)達(dá)控制器參數(shù)，同時(shí)也是人機(jī)交互的核心，將數(shù)據(jù)以圖表的形式進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示，并承擔(dān)檢測(cè)、維護(hù)和報(bào)警的任務(wù)。管理員需要獲得相應(yīng)權(quán)限才能對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作和訪問(wèn)，監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，從屏幕上隨時(shí)掌握井下水倉(cāng)的運(yùn)行情況，實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)視，同時(shí)分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不斷地進(jìn)行修正和更新。

2.1.2 水倉(cāng)監(jiān)控系統(tǒng)

本文的排水系統(tǒng)井下水倉(cāng)有小水倉(cāng)、中轉(zhuǎn)水倉(cāng)和主水倉(cāng)三種規(guī)格的水倉(cāng)，通過(guò)22kW排沙泵將小水倉(cāng)的水抽到中轉(zhuǎn)水倉(cāng)，再由中轉(zhuǎn)水倉(cāng)進(jìn)入主水倉(cāng)。在整個(gè)抽水工程，監(jiān)控需要覆蓋各個(gè)水倉(cāng)，以免出現(xiàn)監(jiān)控盲區(qū)和隱患，因此在小水倉(cāng)和中轉(zhuǎn)水倉(cāng)以及主水倉(cāng)都設(shè)置有監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1.3 中轉(zhuǎn)水倉(cāng)監(jiān)控系統(tǒng)

中轉(zhuǎn)水倉(cāng)使用的泵是250kW或者500kW的離心泵，該泵設(shè)置有雙回路排水開(kāi)關(guān)。為了檢測(cè)水位，設(shè)置有液位傳感器;為了監(jiān)測(cè)泵的流量，設(shè)置有流量傳感器;為了監(jiān)測(cè)泵的抽水壓力，在管路上設(shè)置有壓力傳感器;為了實(shí)現(xiàn)流量可調(diào)，在管路上還設(shè)置有電動(dòng)球閥等閥門(mén)。雙回路排水開(kāi)關(guān)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳遞到地面控制中心，以便操作人員進(jìn)行記錄或執(zhí)行相關(guān)操作，其具體的控制原理如圖2所示。

2.1.4 中轉(zhuǎn)水倉(cāng)監(jiān)控設(shè)備

（1）雙回路開(kāi)關(guān)：該監(jiān)控設(shè)備的核心部件，主要是將各個(gè)傳感器采到的數(shù)據(jù)傳遞到該部件的PLC中，由PLC將信號(hào)通過(guò)光纖傳到地面控制中心。在該部件內(nèi)部配有UPS電源，目的是給PLC和各類(lèi)傳感器供電。在斷電時(shí)可最長(zhǎng)供電6h。（2）液位傳感器：監(jiān)控水倉(cāng)液位的核心部件，本文采用的是滿量程為5m的GUY5型液位傳感器，其精度為0.02m。（3）壓力傳感器：監(jiān)控水倉(cāng)中液體壓力的核心部件，采用壓阻式原理來(lái)進(jìn)行對(duì)壓力的監(jiān)控，輸出的是電流信號(hào)（4-20mA）或者是電壓信號(hào)（1-5v直流電）。本設(shè)計(jì)選用的壓力傳感器是型號(hào)為GUY60的兩線制輸出信號(hào)為4-20mA電流信號(hào)的傳感器，通過(guò)檢測(cè)排氣處的壓力來(lái)判斷離心泵是否注滿水，出水口最大壓力為15MPa，排氣口最大為0.5MPa。（4）流量傳感器：本系統(tǒng)采用的是型號(hào)為L(zhǎng)CZ803系列的數(shù)字超聲波流量計(jì)，利用超聲波在液體中順流和逆流的速度差與流速成正比的關(guān)系來(lái)檢測(cè)流量的變化。該流量計(jì)額定電壓為24V，輸出信號(hào)為4到20mA的電流信號(hào)，可測(cè)量范圍為0到500m3/h。（5）電動(dòng)球閥：本系統(tǒng)采用的是型號(hào)為DFB20/10Q系列的礦用電動(dòng)球閥，其額定電壓為24V，有手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)注水和排水功能。（6）電動(dòng)閘閥：本系統(tǒng)采用的是型號(hào)為Z941H40C系列的礦用電動(dòng)閘閥，其額定電壓為660V，有手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的啟?？刂?。（7）遠(yuǎn)程控制：當(dāng)雙回路開(kāi)關(guān)切換到遠(yuǎn)程控制時(shí)，上位機(jī)對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的控制，包括實(shí)現(xiàn)注水、排氣、閥門(mén)開(kāi)關(guān)、泵啟停以及故障復(fù)位等操作。一旦出現(xiàn)故障，上位機(jī)都可以通過(guò)上位機(jī)的復(fù)位鍵來(lái)一鍵復(fù)位。（8）小水倉(cāng)監(jiān)控系統(tǒng)：直接由QJZ2/30開(kāi)關(guān)來(lái)控制，安裝有防止倒流的逆止閥。QJZ2/30開(kāi)關(guān)能檢測(cè)高低水位和報(bào)警水位，高于高水位則泵進(jìn)行排水;低于低水位則停泵;高于報(bào)警水位則報(bào)警。

2.1.5 主水倉(cāng)監(jiān)控系統(tǒng)

主水倉(cāng)監(jiān)控系統(tǒng)與中轉(zhuǎn)水倉(cāng)監(jiān)控系統(tǒng)類(lèi)似，但是比其更智能、便捷和全面，是整個(gè)自動(dòng)化排水監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，操作人員可通過(guò)遠(yuǎn)程、自動(dòng)和手動(dòng)方式對(duì)其進(jìn)行操作。主要包括各種監(jiān)控水位、流量和流速的傳感器以及攝像頭等設(shè)備。該系統(tǒng)在進(jìn)行控制時(shí)，其優(yōu)先級(jí)依次是：檢修控制——手動(dòng)遠(yuǎn)程控制——自動(dòng)檢測(cè)控制，檢修控制時(shí)能自動(dòng)切斷遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制;遠(yuǎn)程控制時(shí)能自動(dòng)切斷自動(dòng)控制;在遠(yuǎn)程控制失靈時(shí)，控制系統(tǒng)能自動(dòng)轉(zhuǎn)入自動(dòng)控制。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 PLC程序

本系統(tǒng)選擇的PLC監(jiān)控系統(tǒng)是利用STEP7軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的，運(yùn)用模塊化編程技術(shù)不僅運(yùn)行可靠還方便修改和擴(kuò)展。程序主模塊主要包括：通信模塊、數(shù)據(jù)模塊、監(jiān)控模塊、控制模塊以及顯示模塊。

2.2.2 上位機(jī)程序

基于WINCC平臺(tái)對(duì)上位機(jī)應(yīng)用軟件進(jìn)行編寫(xiě)，可實(shí)現(xiàn)可視化、數(shù)據(jù)獲取和監(jiān)視控制功能。通過(guò)采用面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)方法，可快速顯示生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)。編程使用的客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)體系，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和集成，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)和提高監(jiān)控系統(tǒng)的性能。此外，使用WINCC還可以對(duì)煤礦的工業(yè)流程及系統(tǒng)的改進(jìn)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)還可改變界面上的外觀顯示，如顏色、形狀和尺寸等。

3 自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)在煤礦中的應(yīng)用

雙回路開(kāi)關(guān)由兩臺(tái)CKJ11系列真空接觸器控制水泵的通斷，控制電壓為220V交流電。在開(kāi)關(guān)右側(cè)設(shè)置有3光口5電口的交換機(jī)與周?chē)M(jìn)行通訊，為了保護(hù)開(kāi)關(guān)不損壞，安裝了2個(gè)PSW/400智能型保護(hù)器來(lái)避免開(kāi)關(guān)過(guò)載、斷相、短路、漏電閉鎖。該保護(hù)器作為信號(hào)檢測(cè)元件串聯(lián)在開(kāi)關(guān)回路中，其常開(kāi)觸點(diǎn)與串聯(lián)接觸器線圈回路串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。利用Micrologix1400PLC對(duì)水泵進(jìn)行邏輯控制，并在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行狀態(tài)，具有記憶功能。該設(shè)備有隔離式RS232/485通訊口、非隔離式RS232通訊口和RJ45以太網(wǎng)通訊口。SMN6模塊將傳感器的模擬量轉(zhuǎn)換為PLC的數(shù)字量，監(jiān)測(cè)外部的流量、液位和壓力等狀態(tài)參數(shù)。備用電池可以在系統(tǒng)斷電的情況下臨時(shí)給PLC、各個(gè)傳感器和路由器等提供電源，保證上位機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，起到24小時(shí)監(jiān)控水倉(cāng)的作用。此外，雙回路開(kāi)關(guān)具有“工作界面”、“設(shè)定界面”、“數(shù)據(jù)界面”、“小水倉(cāng)界面”、“中轉(zhuǎn)水倉(cāng)界面”、“故障界面”、“事件記錄界面”等7個(gè)主要的工作顯示界面，工作人員可根據(jù)工作需要切換到相應(yīng)界面進(jìn)行操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

提高煤礦行業(yè)排水控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和效率既是該行業(yè)研究的重點(diǎn)，也是關(guān)乎民生的重大事件。本文基于以太網(wǎng)技術(shù)和PLC技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等對(duì)自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了自主設(shè)計(jì)。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，排水系統(tǒng)可靠性有所改善，故障診斷和解決周期縮短，效率有所提高，實(shí)現(xiàn)了排水自動(dòng)化，值得在行業(yè)內(nèi)推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆宇翔.煤礦井下排水自動(dòng)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2018，33（11）：234-235.

[2]呼鵬舉.錦界煤礦自動(dòng)化排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].煤炭工程，2017，49（S2）：37-39.

[3]阮進(jìn)林.保德煤礦自動(dòng)化排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].煤炭工程，2016，48（S1）：20-23.