基于PLC控制的煤矿井下泵房自动排水控制系统改造.pdf

专 述 基于P L C 控制的煤矿井下泵房自 动排水控制系 统改造 基于 P L C控制的煤矿井下泵房 自动排水控制系统改造 李春光 ， 周斌涛 ， 赵文艳 ， 王卫红 ( 1 济源职业技术学院， 河南 济源 4 5 9 0 0 0 ； 2 河南省济源市矿用电器有限责任公司， 河南 济源 4 5 9 0 0 0 ) 关键词 煤矿； 自动排水系统； P L C 摘要 采用P L C系统， 对煤矿井下泵房 自动排水控制系统进行 了改造设计， 主界面与 泵房现场的设备、 传感器布置一致 ， 各种设备的开关运行状态及各种传感器的数据直观地显示 在画面 中； 系统改造后 ， 实现水泵房的 自动控制和无人值守。 中图分类号 T D 6 3 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 1 1 8 ( 2 0 1 3 ) O 1 0 0 0 5 0 6 M o d i fic a t i o n De s i g n on Aut o ma t i c a l Con t r o l S ys t e m o f Dr a i n a g e Ba s e d o n P LC i n Zh o u y u a n s h a n Co a l Mi n e L I Ch u ng u a n g 。 ，ZHOU Bi n t a o ， ZHAO W e ny a n ， W ANG W e iho n g ( 1 J i y u a n V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e ， H e n a n J i y u a n 4 5 9 0 0 0 ； 2 H e n a n J i y u a n C o a l Mi n e E l e c t r i c E q u i p m e n t C o ， L t d ， t t e n a n J i y u a n 4 5 4 6 5 0 ) K e y wor ds ：c o a l mi n e；a u t o ma t i c a l d r a i n a g e s y s t e m ；P LC Ab s t r a c t ：B a s e d o n P L C s y s t e m，t h e c o n t r o l s y s t e m f o r a u t o ma t i c a l d r a i n a g e i n p u mp r o o m for c o a l mi n e i s r e d e s i g ne d for mo d i f i c a t i o nTh e ma i n i n t e r f a c e s h o wn i s t h e s a me a s t h e a r r a n g e me n t o f a p p l i a nc e s a n d s e n s o r s u s e d i n p u mp i n g s t a t i o n s i t e，t h e r u n n i n g s t a t u s o f t h e e qu i pme nt s a n d d a t e f r o m s e n s e r s a r e s h o wn i nt ui t i v e l y o n t h e s c r e e nW i t h t h i s mo d i f i c a t i o n o f t h e s y s t e m ，i t r e a l i z e s a n - t o ma t i o n a n d u n a t t e n d e d o p e r a t i o n i n p u mp i n g s t a t i o n 0 引言 周源山煤矿位于湖南省资兴市香 花乡境 内， 年产 7 0万 t 。矿区气候属于亚热带型 ， 年平均降 水量 1 4 7 3 mm， 矿井正常涌水量为 3 6 3 1 m h ， 最大用水量为 4 8 8 m h ， 水量较大。煤矿井下 中 央水泵 房 由 6台 3 5 0 k W 污 水 排 水 泵 和 1台 6 1 0 k W清水排水泵组成 ， 污水排水泵主要用于井 下污水的抽放直排 ， 清水泵用于井下沉淀的清水 向地面清水池内排放， 以满足矿上人员清洁和洗 浴用水， 提高水资源利用效率。改造前主要存在 以下问题 ： ( 1 ) 水泵与 电机启 动装置距离较远 ， 启 停水泵需要多人配合操作， 需相互喊话完成传递 命令工作 ， 泵房环境嘈杂 ， 存在安全隐患。( 2 ) 水 泵运行过程 中， 无法对设备运行工况实时监测， 需 要操作人员不断巡视和凭经验判断。( 3 ) 井下无 法检测地面清水池 的水位 ， 需要井上人员根据人 工监测到的水位 ， 打电话通知井下操作人员启停 清水泵 ， 操作过程繁琐 ， 且地面清水池距离调度室 很远 ， 地势条件恶劣 ， 检测水位存在诸多不便 。以 上问题 劳动强度大、 人为因素多 、 启泵时间长 、 自 动化程度低， 已不能适应现代化矿井管理的要求。 随着计算机控制技术 、 电子技术、 通讯技术 、 半导体技术的迅速发展， 实现自动化监控技术的 收稿日期 2 0 1 3 0 1 0 4 作者简介 李春光 ， 男 ， 1 9 7 2 年生， 毕业于重庆大学控制工程专业， 讲师， 主要从事电力系统及其自动化专业工作。 专 述 基于P L C 控制的煤矿井下泵房自 动排水控制系 统改造 中控制 。 井上设计采用无限 网络版组态软件 ， 该软件 集成各种通讯协议 的驱动程序 ， 可 以方便地与各 厂商提供的设备互联 ， 并且具有强大 的数据处理 和采集功能 。 2 P L C硬 件组成 P L C的 C P U采用 L K 2 0 2控制器 ， 控制的设备 较多 ， 共采用数字量输入模块 L K 6 1 0 ( 1 6点 ) 4个 共计 6 4个 开关量输 人 ； 数字 量输 出模 块 L K 7 1 0 ( 1 6点 ) 5个共计 8 0个开关量输 出； 温度检测模 块 L K 4 3 0 ( 6点) 6个共计 3 2个温度量 ； 水位传感 器的输出信号为2 0 0 1 0 0 0 H z 频率信号， 选用2 个 L K 6 2 0高速计数模块来采集水位频率信号 ； 模 拟量输入模块 L K 4 1 1 ( 8路 42 0 m A输 出) 2个 共计 1 6 个模拟量信号， 来处理正负压、 流量等信 报故 障停 机 重新 启动 其他 回路 水泵 号 ； 模块之间通过 P R O F I B U S总线进行数据交换。 3 P L C软件编程 程序块结构包括主程序 P L C P R G、 参数计算 功能块 ( 实时计 算正负压力 、 流量、 水位 、 温度等 模拟量数据 ) 、 工作方式功能块( 全 自动、 半 自动 、 手动) 、 故障记录功能块( 记录故障) 、 水泵自动切 换功能块( 根据水泵运行时间 、 运转次数 、 设备状 态等切换水泵 自动循 环轮转 ) 、 参数设置功 能块 ( 设置 自动化运行 中的各项相关参数 ) 等。程序 软件中实时计算水仓水位， 水位达到设定值即达 到启泵条件后 ， 按照开泵工艺流程来启泵， 同时实 时检测水泵正负压力、 管路流量 、 电机及水泵运行 过程中的温度等数据， 发生故障时程序能及时发 出报警信号， 并根据故障类型自动停泵， 程序流程 图如图 2所示。 撇 障停 机 重新 启动 其他 圄路 水泵 图 2程序 流程图 在软件编程 中， 确定启泵 的关键点就是确定 泵的真空度 ( 负压 ) ， 真空度( 负压) 合格方能启动 水泵。程序 中检测 真空度是否合格 ， 设 置了两个 关键条件： 负压合格值和负压稳定时间。这两个 1 电气 防爆 2 0 1 3年 3月 第 1期 条件均满足时 P L C才会发出启泵 指令 。但 实际 情况中由于真空度在将达到极限值时会发生较大 的跳动， 从而导致实际真空度合格但程序中无法 准确判断的情况。为此 ， 采用适 当调低负压合格 值 ， 同时增加负压稳定时间， 有效地解决了这一 问 题 。相关程序如图 3所示 ： 2 抖 水泵压力小于设定压力后准备启动2 # 水泵 T 1 6 1 I： 8 p m s s u r o _ s e l_ f -t圈 对 启动水泵2 前保压 ，间隔时间到达后打开水泵2 f 5 S 脉冲 ) n 1 m 2 。 。 帅怒 ” T I 1 口 = _ ， 一r - 司 曼 ” 图 3软件编程程序图 对于水泵的 自动循环切换功能块 ， 用梯形 图 编写程序比较复杂且难于理解 ， 从 而采用脚本程 序语言调用堆栈命令来编写此程序。脚本语言是 一 种语法上类似 B a s i c的编程 语言 ， 当某些控制 程序和计算任务通过常规编程方法难以实现时， 通过使用脚本语言 ， 能够增强整个系统的灵活性 ， 解决其常规编程方法难以解决 的问题。脚本语言 部分程序如下 ： ( 预设 5台水泵 电机对应 的号码 ： 1号水泵 电机1 ； 2号水泵电机 ， 依次类推 ， 5号水 泵电机5 ； 预 设 5个存储 区地址 即： C Y C 1 一一一 C Y C 5 ， 此 5个地址中存储着 5台水泵 电 机的对应号码 ， 初始化时存储区对应 的电机号码 为： C Y C 1 ： =1 ；C Y C 2 ： =2 ； C Y C 3 ：=3 ； C Y C 4 ： ： 4； C Y C 5 ： =5 ； 当所有 回路都没有 故障或检修方式时 ， 则 5个 回路依 次循 环运行。 术) R _T 1 ( C L K： =c u t o v e r ， Q=m1 ) ； (： l： 当切换信号 c u t o v e r 为 1 时， m 1 为 1 ) I F( ml A N D m o d e n u m b e r = 5 ) (： l： 如果 m 1 为 1且水泵 5个 回路都为正常状态即 mo d e n u m b e r = 5时， 执行水泵循环程序 ) T H E N (：Ic 循环嵌套， l 号到5号依次循环 ) T C Y C ： ： C Y C 1 ； 一 8 一 C Y C 1 ： =C Y C 2 ； C Y C 2 ： =C Y C 3 ； C Y C 3 ： =C Y C 4 ； C Y C 4 ： =C Y C 5 ； C YC 5 ： =T C Y C； END I F； ( 当某个 回路 出现故 障状态 或备 用状 态 时 ， 产生一个切换脉 冲信 号。例如 ， a l a r m一 1为 1 号水泵的故障状态， 故障时为 1 ， b a c k u p 一 1为 1号 水泵的备用状 态 ， 备用时为 1 ， q i e 一 1为故障或备 用状态时的切换信号， 当水泵故障或备用状态时， 即 a l a r m 一 1=1 或 b a c k 一 1 =1 ， 则 q i e 一 1为 1 。以下 分别为 5个 回路相 应的故障或者备 用状态情况 水) R 一 I 1=2 ( C L K： = a l a r m 一 1 O R b a c k u p 一 1 ， Q= q i e 一1 ) ； R I 1 3 ( C L K： ： a l a r m _ 2 O R b a c k u p _ 2 ， Q= q i e _2 ) ； R - _ 1 r 4 ( C L K： =a l a r m_ 3 O R b a c k u p _ 3 ， Q= q i e _3 ) ； R _ T 5 ( C L K： ：a l a r m _ 4 O R b a c k u p _ 4 ，Q= q i e _4 ) ； R jr 6 ( C L K： ：a l a r m _ 5 O R b a c k u p _ 5， Q= q i e _5 ) ； ( 当第 1个 回路 故障或检修方式 时 ， 执 行 专 述 基于P L C 控制的煤矿井下泵房自 动排水控制系统改造 下面的程序 ) I F qi e 1 THEN I F mo d e n u m b e r =4( 有 1个 回路故 障或 检修方式 ) T H E N T C Y C： =C Y C 2 ；C Y C 2 ： =1； I F C Y C 3 =1 T H E N C Y C 3 ： =TCYC；END I F； I F C Y C 4 =1 T H E N C Y C 4 ： =TCYC；END I F； I F C Y C 5 =1 T H E N C Y C 5 ： = T CYC；END I F； END I F； n u mb e r 一1：=0；s t a r t一1 ： = 0 ；($第 1回路出 现故障时停止 1 # 水泵 ， 即 s t a rt 一 1为 0 ) END I F； 4 上位机组态软件 地面上位机软件采用 H o l l y v i e w组态软件来 监视控制系统的运行 ， Ho l l y v i e w与 P L C通过以太 网方式建立连接 ， 实时采集数据和发 出控制命令。 H o l l y v i e w是专 门与 L K系列 P L C配套 的组 态软 件 ， 软件采用面向对象的编程技术 ， 使用户可以方 便地建立生动形象 的图形界面 。图形界面功能完 整 、 画面简洁易懂 、 操作流程清晰可靠 。后台数据 库与 P L C的变量关联对应 ， 从而读取控制 P L C的 数据。Ho l l y v i e w组 态软件 的 自动化排水 系统画 面中包括主画面、 运行参数、 参数设置、 故障查询、 设备状态设置等运行界面。 ( 1 )主界面与泵房现场的设备 、 传感器布置 一 致 ， 各种设备的开关运行状态及 各种传感器 的 数据直观地显示在画面中。 ( 2 ) 运行 参数 界 面主要 记 录设 备运 行 的水 位 、 压力 、 流量 、 温度等所有相关数据。 ( 3 ) 参数设置界面主要是调整设置 自动化运 行中的各种检验参数的设定值， 参数的设定准确 与否关系到 自动化系统能否正常运行 ， 必须根据 实际情况和经验调整参数 的设定值 ， 保证设备正 常运行 。 ( 4 ) 故障查询界面记录了系统运行 中出现的 实时故障和历史故障 ， 方便查询和处理。设备状 态设置界面中， 当某个设备需要检修或处理故障 时 ， 将其状态更改 为“ 故 障” ， 则 系统会 自动跳过 此设备 ， 便于检修工作。 ( 5 ) H o l l y v i e w组 态软 件通 过 R S 2 3 2接 口与 G P R S 无线数据传输模块( R e m o D A Q一 8 5 5 4 A ) 建 立连接 ， 采集其转换的地面清水池水位信号 ， 并将 其数据传送到 P L C ， 从而使地面清水池的水位信 号与井下 P L C之间建立 了同步连接 ， 解决了不 同 设备之间的兼容性问题。 5 监控 工作原理 井下水仓水位根据涌水量及水仓高度分为四 个水位段。井下水位传感器实时检测水仓水位， 达到“ 中等水位” 后 ， 如果 时间处 于用 电低谷期 ， 立即启动水泵 ； 如果时间处于用电高峰期 ， 则暂缓 启动水泵。待水位继续上升至“ 高水位” 后 ， 则不 考虑用电峰谷期立 即启动水泵。如果一台水泵运 行过程中水位继续上升至 “ 警戒水位 ” ， P L C主机 会发 出报警信号 ， 同时必须再投入一台水泵运行 ， 直至水位下降到“ 低水位” 以下后停止水泵运行。 水泵运行采用 自动轮换机制 ， 控制程序将各水泵 的启停次数 、 运行 时间和相应管路使用次数及 流 量等参数 自动记录并 累计 ， 系统能根据这些运行 参数 ， 按一定顺序 自动启停水泵和相应管路 ， 使各 水泵及其管路的使用率分布均匀。下次启动水泵 时， 优先投入未使用或运行时间短的水泵。本系 统还具有“ 半 自动模式” ( 即一键操作 ) 功能 ， 人工 选定排水泵 ， 则 P L C自动完成抽真空、 启泵、 开闸 阀选择排水管路等一系列过程， 满足矿方操作的 灵活性和实用性。 地面部分主要通过监控上位机安装 的 H o l l y v i e w组态软件 通过光纤环 网与井下 P L C建立通 信连接， 可以在地面调度室监i 见 0 井下设备的运行 工况 ， 控制井下设备运行 ； 还增加了水位传感器用 于采集地面清水池水位， 将清水池水位信息通过 H o l l y v i e w和井下 P L C通信， P L C根据地面清水池 水位信息控制井下清水泵的启停 。G P R S无线数 据传输模块 ( R e mo D A Q一 8 5 5 4 A) 是基于中国移动 通讯运营商的 G S M G P R S通信网络的数据传输 和远程监控终端 ， 能将采集到的现场数据处理转 ( 下转第 1 3页) 一 9 一 专 述 “ n ” 型电机最小气隙正态分布计算方法 0 2 38。 6 i ( D ：1 o 9 4 5 ) 6 t d m i ( D：I o 9 4 5)，符 合 标 准 规 定 ； 6，m i n ( D ： 1 0 9 4 5 ) l d m i ( D ： l 0 9 4 5 ) ， 符 合 标准 规 定 。 可以发现 ， 同一个转子外径值 ， 用一般方法计 算 出来 的最小气隙值符合标准规定 ， 有可能用正 态分布方法计算出来的最小气隙值不符合标准规 定 。一般计算方法仅考虑带绕组定子铁心 内径和 转子铁心外径， 没有考虑电机其他零部件的机械 尺寸对气隙的影 响 ， 所以认 为用正态分布方法计 算 出来 的最小气隙值更趋符合实 际情况 ， 较为合 理 。 参考文献 1 G B 3 8 3 6 1 2 0 1 O ， 爆炸性环境 第 1部分： 设备 通用 要求 s 2 G B 3 8 3 6 8 2 o 0 3 ， 爆炸性气体环境用电气设备 第 8 部分： n 型电气设备 S 3 I E C 6 0 0 7 9 02 0 1 1 ， E x p l o s i v e a t m o s p h e r e sP a r t 0： E q u i p m e n tG e n e r a l r e q u i r e m e n t s S 4 I E C 6 0 0 7 9 1 52 0 1 0 ， E x p l o s i v e a t m o s p h e r e sP a rt 1 5：Eq u i p me n t p r o t e c t i o n b y t y p e o f p r o t e c t i o n “n s 5 黄国治， 傅丰礼 中小旋转 电机设计手册 M 北京： 中国电力出版社， 2 0 0 7 6 盛骤， 谢式千， 潘承毅 概率论与数理统计 M 上海： 高等教育出版社 ， 2 0 0 1 ( 上接第 9页) 换后通过无线 网络连 接到计算机 ， 适 用于 G S M G P R S网络覆盖范围内的各种室内或野外恶劣环 境。地面清水池水位传感器的输出信号为2 0 0 1 0 0 0 H z 频率信号， 将水位传感器的信号线连接 到无线数据传输模块上， 而无线数据传输模块输 出信号通过 R S 2 3 2接 口模块连接到上位机 ， 组态 软件 H o l l y v i e w与无线数据传输模块通过 标准的 Mo d b u s R T U协议建立数据连接 ， 读 出地面清水 池水位传感器的频率信号， 又将读出的频率信号 送人井 下 P L C， 井 下 P L C计 算 出地 面 清水池 高 度 ， 从而根据设定的数值来控制清水泵运行 。 6 系统改造后达到的功能 ( 1 ) 实现水泵房的自动控制和无人值守。 ( 2 ) 控制设备和传感器的选型满足煤矿安全 生产 的有关规定 。 ( 3 ) 系统具有灵活 、 可靠 的控制功能 ， 简单实 用 ， 易于掌握 ， 人机界面友好。 ( 4 ) 系统具有 自诊断功能 ， 并具有语音 、 图像 以及报警功能。 ( 5 ) 系统具有实时数据采集 、 处理及显示功能。 ( 6 ) 实现 了 G P R S无 线 数 据 传 输模 块 R e m o D A Q一 8 5 5 4 A将清水池水位信号 自动、 安全地 传输到上位机 。 ( 7 ) 组态软件对应 多个操作级别 ， 对各个级 别 的操作都设置密码 ， 并能记录操作人员工号 、 操 作内容、 时间等， 防止非法操作， 确保排水设备安 全有序运行。 ( 8 ) 按照移峰填谷 的原则 ， 控制在用 电低峰 和一天中电价最低 时开启水泵 ， 用 电高峰和电价 高时停止水泵运行。 7 结束语 周源山煤矿井下泵房 自动排水控制系统改造 后 ， 操作更加便利 ， 功能更加齐全。在提高了泵房 设备 自动化水平 的同时， 也提高 了系统的安全性 和可靠性， 降低了工人劳动强度； 并能合理安排排 水时间， 尽量在用 电负荷低谷期进行排水 ， 起到了 “ 节能增效” 的良好效果； 实现了泵房无人值守， 也为全矿井进行联网监控 、 统一指挥 、 数字化建设 奠定了基础 。 参考文献 1 陈远立 电气控制与可编程控制器 M 华南理工大 学 出版社 ， 2 0 0 4 2 姚富强 ， 李世光， 李晓梅， 姚福安 煤矿井下主排水泵 计算机监控系统设计 J 煤矿机械 ， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 35 3 周峰， 王新华， 李剑锋 ， 温燕杰 ， 张威 软 P L C技术的 发展现状和应用前景 J 计算工程与应用 ， 2 0 0 4 ( 2 4 ) ： 6 0 6 3 4 赵亮， 黎峰 G P R S无线网络在远程数据采集中的应 用 J 计算机工程与控制 ， 2 0 0 5 ( 9 ) ： 2 9 4 2 9 6 5 李泽松 井下水泵房 自动排水系统的研究 D 山西： 太原理工大学， 2 0 0 5 6 于治福， 李旭鸣， 商德勇， 潘越基于 P L C煤矿主排水泵 自动控制系统设计 J 煤矿机械， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 2 9 3 1 7 李茜 基于和利时 L K大型 P L C的污水厂监控系统 设计与实现 D 陕西 ： 西安电子科技大学， 2 0 1 1 一 1 3