煤礦井下排水監控系統設計

摘要：煤礦井下排水系統作為煤礦生產中的主要工作系統之一，在煤礦安全問題中占有重要地位。本文設計采用PLC作為微控制器構成的自動化排水監控系統，彌補了傳統繼電器控制的缺陷與不足，提高了系統工作可靠性和穩定性，具有使用壽命長、維護方便等特點。

關鍵詞：井下排水；PLC；自動控制

中圖分類號：X752文獻標識碼： A

0引言

目前國內礦井的排水系統一般采用水泵工進行人工監視的方法，采用高仿加磁力開關進行控制，基本未實現自動化。傳統方法完全依靠人工進行控制，可靠性比較差，對于緊急情況的應急處理能力不足，存在著一定的安全隱患。近年，煤炭行業飛速發展，這種控制方法已經不能適應煤炭工業的發展，也不能滿足煤炭產量逐年增高的需要。設計煤礦井下排水系統監測與控制系統，就是要改變這種狀況。

圖1監控系統結構圖

圖2水泵硐室管路示意圖

井下排水監控系統是在傳統排水系統的基礎上，加入計算機、PLC等來實現排水系統的自動化。如圖1所示，本系統采用PLC和計算機組成兩級控制系統來實現排水系統的監控。計算機利用顯示器輸出，來實現人機對話和監控功能，PLC作為下位機完成數據采集和實時控制任務。

根據水泵硐室示意圖2及控制要求，控制系統的輸入/輸出參數統計如表1、表2和表3所列。開關量輸出約53點，開關量輸入約13點，模擬量輸入通道約29路。本系統選用臺達公司的DVP32EH00R2型PLC。根據水泵硐室示意圖2及控制要求，控制系統的輸入/輸出參數統計如表1、表2和表3所列。DVP-EH系列PLC是模塊化結構設計，各種單獨模塊之間可以進行廣泛組合和擴展。DVP32EH00R2具有16點輸入、16點輸出，所以需要擴展一個32點輸出的DVP32HN00R和8點輸出的DVP08HN11R輸出擴展模塊,，剩余三個輸出點做備用。選用DVPAD04-H型模擬量輸入模塊8個，每個模擬量輸入模塊有四個通道，其余通道留作備用。

表1開關量輸出點統計表

數字量輸出 點數

射流管路電磁閥開關 5

排水管路電動閥開關 30

水泵電機開關 8

預警、報警 2

排水管路電動閥開關指示燈 8

總計 53

表2開關量輸入點數統計表

數字量輸入 點數

急停 1

復位 1

控制方式選擇 3

水泵電機合分閘 8

總計 13

監控系統中需要28個模擬量輸入通道如表3所列，DVP-EH2型PLC只有數字量輸入/輸出端口，所以必須用模擬量擴展模塊實現，選用DVPAD04-H型模擬量輸入模塊8個，每個模擬量輸入模塊有四個通道，可以有個3預留通道備用。

表3模擬量輸入通道數統計表

模擬量輸入 通道數

水倉水位 2

壓差傳感器 4

排水管流量 2

溫度傳感器 4

電機電流 8

電機電壓 3

排水管路閘閥開度 2

真空度傳感器 4

總計 29

1排水監控系統的實現

1）硬件組成

排水監控系統的硬件主要由四部分組成：上位機(計算機)、通訊電纜、下位機(PLC )、被監控對象(傳感器和各種閥)及執行器(閥和電機)。

由計算機來擔任上位機，通過組態網仿真被控對象，操作人員可以通過計算機發出操控命令，通過可編程控制器來實現水泵的啟停、閥門的開關等；同時屏幕上顯示各種傳感器輸入信號的變化。使用RS232到RS485轉換器，延長傳輸距離。

2）軟件實現

PLC的I/O端口對應著內部不同的寄存器，端口(內存地址)的分配是編程的基礎。根據PLC運行的特點和井下自動排水系統的控制要求，總體流程圖如圖3所示，其中控制方式選擇、控制策略制定以及水泵的啟、停都以子程序形式被調用。

離心泵是目前礦用排水的主泵型，但是離心泵的啟、停比較復雜。如圖4所示為離心泵啟、?？刂屏鞒虉D，每臺水泵啟、?；鞠嗤?。離心式水泵只有在泵殼內充滿水的情況下才允許啟動。啟動前采用射流噴管自灌式注水方式，依靠射流的吸力，使泵體內形成真空，靠大氣壓力將水倉內的水壓入泵內，充滿泵體，即可啟動水泵。此方法具有省去水泵底閥、提高水泵效率及吸水高度、結構簡單、不占泵房空間、維修量小等優點。

圖3控制系統總流程圖

圖4水泵啟、停流程圖

2排水監控系統工作過程

排水系統的控制核心由信號檢測與電氣控制構成。排水系統運行過程中，系統要對水倉水位高度，水泵的真空度、壓力等啟動參數，以及水泵運行時管路內流量、水路官網壓力、電機溫度等參數進行檢測。通過這些檢測的數據，才能使系統選擇正確的控制策略，并在有故障發生時，發出信號報警。

監控系統可概括為六個環節：自動注水(抽真空)環節、閘閥操縱環節、水位自動監控環節、參數傳示環節、故障保護環節以及電動機的自動控制環節，每一環節都可通過上位機的模擬界面監控。

3水泵運行數學模型

根據涌水量、水倉容積和用電分時計費的原則，將一天24 h按各計費時段分開，分別計算各時段電費，以總電費最小為目標，在一定約束條件下，計算各時段的開泵臺數和時間，使在用電峰段到達時水倉容水最小。

設水倉有效容積V，則涌水充滿水倉的時間：

依據t的大小劃分出三種工況。

（1）Ⅰ工況

時，約束條件為用電峰期到來時水倉容水位到最低，且在用電峰期結束時，涌水基本充滿水倉。

（2）Ⅱ工況

時，約束條件要滿足用電谷段結束時水倉容水位到最低。

（3） Ⅲ工況

時，約束條件滿足在用電峰段到來時水倉容水位最低，且在用電平段、谷段結束時基本將水排完。

1.目標函數

假設一天24h排水所用的電費為M，按 7段電費計時，每時段的時間為ti，則單泵工作費用M ：

或

式中：—— 水泵揚程（m）；

—— 水的重度（N/m3）；

—— 時段的水泵運行時間（h），且；

—— 第時段電費價格(元)，；

—— 功率因數；

—— 電機效率；

—— 傳動聯軸器效率：

—— 水泵效率。

在實際的工作當中，常需要多臺水泵并聯同時工作，并且每臺水泵有獨立的排水管道，第時段排水能力為，其中，其中為臺水泵共用一個排水管道的效率，臺水泵的用電費用：

①

2.約束函數

水泵同時運行臺數和運行時間約束條件：

②

其中K是每個時段的開泵臺數，T是開泵臺數對應的水泵運行時間。

4自動排水系監控統實現的功能

1）水泵能夠自動啟動、停止

系統設計按照離心式水泵的開啟和關閉步驟：自動開啟射流泵為水泵注水、同時測量水泵內部的真空度、依據真空度數值開啟或關閉水泵電機、實時監測排水管的壓力，開啟或關閉電動閘閥。

2）實現用電“躲峰填谷”

水位自動監控主要是根據傳感器實時監控水倉水位的高低變化，將信息傳遞給PLC來發出水泵開啟和停止?！岸惴逄罟取杯h節的目的是為排水系統經濟運行，盡量減少耗電費用。在該環節中要確定開啟幾臺水泵及開泵的具體時間。

3）實現水倉水位的實時檢測與預測

水倉水位高度是系統工作的主要采集信號，因為煤礦井下的水位時不斷變化的，PLC要根據水位高度的變化來實時控制水泵的運行情況。平時，檢測系統要實時監測水位的變化情況，把信號傳輸到PLC，一但水位超高，則接通報警裝置，通知管理人員及時了解水位情況，危險情況下發出報警信號。

4結束語

本設計基于可編程控制技術的煤礦井下排水監控系統是利用當前優秀的工業控制技術設計的，它具有許多傳統控制系統無法比擬的優點，它對未來煤礦自動化的進一步發展有重要的意義。

參考文獻

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作者簡介

文道海，（1988—），黑龍江，2010年畢業于黑龍江科技學院機械電子工程專業?，F就業于龍煤鶴崗分公司，從事礦山設備的檢修工作。