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煤矿井下水泵自动化控制系统的研究与设计

发表时间：2020/8/4 来源：《基层建设》2020年第10期作者：姜连军1 王雷2

[导读] 摘要：针对传统煤矿井下水泵控制系统存在的自动化水平低、管理维护效率低、控制繁琐等问题，提出一种新型的煤矿井下水泵自动化控制系统，给出了系统的总体设计方案。

        1辽宁省阜新市应急管理事务服务中心辽宁阜新 123000；
        2阜新市平安矿业有限责任公司辽宁阜新 123000
        摘要：针对传统煤矿井下水泵控制系统存在的自动化水平低、管理维护效率低、控制繁琐等问题，提出一种新型的煤矿井下水泵自动化控制系统，给出了系统的总体设计方案。硬件部分详细介绍了主控制器、各类矿用检测传感器以及电动闸阀的选型；软件部分给出了ＰＬＣ的程序设计思路，并设计了上位机监控系统。该系统目前已投入使用，并取得了良好的效果，提高了水泵控制系统的自动化水平，具有一定的推广应用价值。
        关键词：水泵；自动化；ＰＬＣ；传感；监控
        引言
        我国对煤矿井下排水自动化的研究相对滞后。据统计表明，我国仍有部分煤矿企业基于人工观察主排水仓水位及水位增减速度，对水泵、管路、闸阀、配电设备、输电线路的检查也主要依靠人工来实现，不能及时根据水位变化情况实现对主排水泵的精确控制，不能实时监测排水设施、设备，因此，雨季洪水淹井事故时有发生，故以某煤矿中央泵房的主排水系统为研究对象，对主排水泵的控制方式进行改造，设计出一套科学、高效、安全的主排水自动控制系统。
        一、硬件方案设计与选型
        1.ＰＬＣ控制器选型
        ＰＬＣ是控制系统中最重要的部分，其可靠性直接影响着整个系统的正常运行，本系统选用西门子公司Ｓ７－３００系列ＰＬＣ，中央处理单元为ＣＰＵ３１５－２ＰＮ／ＤＰ，基于其极强的扩展能力以及系统的需求，该系统分别扩展了数字量输入ＳＭ３２１、数字量输出ＳＭ３２２、模拟量输入ＳＭ３３１和模拟量输出ＳＭ３３２，这些模块可将传感器检测到的数据通过智能的方式转换成标准的ＰＬＣ信号。ＰＬＣ之间以及ＰＬＣ与上位机之间通过以太网进行通信。
        2.各类检测传感器选型
        为实现对排水系统性能参数及周围环境参数的检测，本系统选用传感器来作为检测信号的主要元件，为此，对各类传感器进行了严格的选型：
        ①温度传感器：选用ＰＴ１００热电阻温度传感器检测电机外壳温度和水泵轴承温度；②压力传感器：选用ＧＹＤ６０－Ｙ２矿用压力传感器作为压力的检测元件，用于检测水泵入水管处和出水管处的压力变化，为电动闸阀的开关和水泵的启停提供信号；③流量传感器：选用ＴＣ－ＺＮＤ电磁流量计来检测排水管的流量；④液位传感器：选用ＣＬ－ＥＶＡ－０５数字式传感器，安装于水仓中，目的是为了防止水位过高；选用ＸＦＨ－Ｄ９０００超声波液位计，安装在水仓水位之上，用于保证连续水位的监测；⑤电压电流传感器：选用输出为０Ａ～５Ａ的电流互感器和０Ｖ～５Ｖ的电压互感器，将电流与电压经过倍数降低转换后，变为０Ｖ～５Ｖ的电压信号，送入ＰＬＣ中；；⑥真空度检测传感器：采用ＺＤＹ－Ｉ型真空计对真空度进行测量，将其安装在与水泵内部接通的真空管道上。
        二、控制系统的硬件设计
        1.信号采集设计。本系统中的信号采集包括模拟量信号的采集和开关量信号的采集。其中，对液位传感器、压力传感器、温度传感器信息的采集属于模拟量采集；对水泵启动、停止的控制属于开关量信息的采集。此外，在PLC中提前设置水位的四个限度值，分别为超高水位H4、高水位H3、低水位H2、超低水位H1；温度传感器主要监测电机的温度；电机过载检测通过所采集到的信号值大小判断电机是否处于过载状态。
        2.PLC控制的实现。本系统的控制核心部件为PLC，PLC通过对实时水位、温度、压力等参数的判断，控制执行机构做出相应的动作。执行机构主要包括报警功能、水泵的启停控制模块、与各个阀相对应的控制模块等。
        三、软件方案设计
        1.控制原理分析及软件设计
        本系统的控制思路描述如下：系统将各传感器的信息输送至PLC中，若此时水位大于设置低水位的数值时，系统将根据电网监测数值决定是否启动单台水泵。当用电处于峰值状态时，系统不启动主排水泵；当用电处于低谷状态时，系统将对电机温度等参数进行监测，并启动射流泵使注水泵处于真空状态，若各项参数均在范围之内，则启动1号水泵开始排水。若此时水位大于高水位的数值时，系统将发出报警，并直接执行单台水泵启动程序，同时开启1号和2号水泵；当水位大于超高水位的数值时，系统将直接调用单台水泵的启动程序，并开启3号水泵，若经过一段时间后水位仍占大于超高水位，系统将启动4号水泵，当水位低于超低水位的数值时，系统将先关闭出水闸阀，然后关闭水泵。
        2.下位机监控程序设计
        本系统采用ＳＴＥＰ７软件编制水泵自动化控制系统控制程序。ＳＴＥＰ７编程软件布局清晰、操作方便，用户可将复杂的程序构造化、模块化，即把程序划分成多个独立的子程序，简单、快速、顺利地设计出自动化控制流程。
        整个系统的监控流程如下：ＰＬＣ软件启动后，首先对整个系统初始化，工作人员将控制指令输入到ＰＬＣ进行控制方式选择，自动化控制系统实现了手动、半自动、自动三种控制方式；控制方式选择完成后，对煤矿井下的各类环境参数及设备性能参数进行检测，并选择水泵的启动台数；系统在运行过程中，通过水位传感器将水位变化信号发送至ＰＬＣ，由ＰＬＣ对水位变化数据进行检测和判断，从而对水泵进行启停控制。ＰＬＣ自动控制模式选择流程图如图２所示。
        3.上位机监控系统设计
        为实现对水泵自动化控制系统的全面监控，使现场工作人员对井下排水系统以及周边环境有整体的了解，采用组态王软件开发了一款具有友好人机交互界面的上位机监控系统，将它作为用户与水泵自动化控制系统交流的工具。
        根据功能的需要，上位机监控系统包括用户登录界面、参数设置界面、配置生成界面、历史数据存储界面、实时数据报表曲线显示界面、历史数据曲线显示输出界面、远程控制界面等。上位机监控系统可选择自动化控制系统的工作模式，在自动化控制模式下，工作人员可对液位高低、水泵的投退进行自动选择，它的数据存储功能为工作人员提供了极大的方便，可对任何历史操作记录进行查询，为设备的维护、控制带来了极大的方便。本软件采用数据库储存的方式进行数据的保存。图3为上位机监控系统的结构框图。

图２水泵自动化控制系统控制模式选择流程

                  图３上位机监控系统结构框图
        结束语：本文在分析煤矿井下传统水泵控制系统存在诸多不足的基础上，基于计算机技术、微控制器技术、编程技术、传感器检测技术等提出一种新型水泵自动化控制系统，实现了对井下排水系统的有效检测和自动化控制。该系统设计方案目前已在煤矿投入使用，运行结果表明，其改善了原有系统的不足，实现了煤矿主排水泵远程智能化控制和水泵房无人值守，从技术和管理上保障了排水系统的稳定运行，降低了煤矿主排水泵的故障率，提高了使用效率，具有较高的经济性和可靠性。
        参考文献：
        [1]杜勇威．基于ＰＬＣ的矿井水泵自动化控制系统研究［Ｊ］．当代化工研究，２０１９（６）：９３－９４．
        [2]周继昌．煤矿井下水泵自动化控制系统设计与应用研究［Ｄ］．武汉：湖北工业大学，２０１７：１－３．
        [3]谭一川．煤矿工业水泵自动化监控系统研究与应用［Ｄ］．重庆：重庆大学，２０１７：１－６．