基于模塊控制的煤礦井下自動排水監(jiān)控系統(tǒng)設計

1、<p>　　基于模塊控制的煤礦井下自動排水監(jiān)控系統(tǒng)設計</p><p>　　摘要：從我國煤礦生產實際出發(fā)，結合現代工業(yè)控制及監(jiān)測技術，介紹了一種井下自動排水的監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)基于模塊化設計，主要由水位與系統(tǒng)相關參數監(jiān)測模塊、PLC控制模塊和聯網通訊模塊組成。由于其模塊化設計，系統(tǒng)易于擴展和維護，為今后礦井排水系統(tǒng)的進一步自動化提供了重要的參考依據。 </p><p>　　關鍵

2、詞：井下排水系統(tǒng) 模塊化設計 監(jiān)控系統(tǒng) PLC 自動化 </p><p><b>　　1 概述 </b></p><p>　　礦井排水系統(tǒng)負責排出煤礦井下積水、涌水，保證煤礦生產的安全，是煤礦生產中的四大系統(tǒng)之一。井下排水系統(tǒng)的一個核心部分即是監(jiān)控系統(tǒng)。礦井排水系統(tǒng)是一個系統(tǒng)化很強的系統(tǒng)工程，在排水過程中不僅要考慮積水、涌水的多少，還要考慮能耗及礦井內的各種因素的影響

3、，自動化很難，因此，在很長一段時間排水系統(tǒng)主要靠人為控制操作，通過人工觀察礦井下水位情況，根據以往經驗，決定開啟和關閉水泵的數目。但這種人工控制方法會增強工人的勞動強度，并且整個操作過程易受人為因素影響，安全系數較低。 </p><p>　　隨著社會及科學技術的發(fā)展，逐漸出現了煤礦井下的自動排水系統(tǒng)，目前應用較多的是通過PLC控制排水系統(tǒng)，從而實現系統(tǒng)的自動檢測和工作。本文正是在此基礎之上應用模塊化方法對井下自動

4、排水的監(jiān)控系統(tǒng)進行了設計，對排水系統(tǒng)的安全運行、實時監(jiān)測和有效管理具有十分重要的意義。 </p><p>　　2 礦井自動排水監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求 </p><p><b>　　2.1 防爆性能 </b></p><p>　　煤礦生產以安全為主，特別是在井下特殊的環(huán)境下安全生產顯得更重要。因而排水系統(tǒng)整體來說屬于電控系統(tǒng)，因此防爆性能一定要達到煤

5、安標準。 </p><p>　　2.2 井下水位和有關安全參數的實時監(jiān)測 </p><p>　　自動排水系統(tǒng)的主要目的是適時排出井下積水，所以其主要監(jiān)測對象是水位情況，積水量一有變化監(jiān)測系統(tǒng)應馬上給出反應，以便于系統(tǒng)及時有效的排水。另外水泵內的壓力、真空度等啟動用參數和電機溫度、系統(tǒng)電流、管路流量等系統(tǒng)安全運行的保障參數也需要進行實時監(jiān)測，如果有關參數超出正常范圍，要發(fā)出警報信號，以保障系

6、統(tǒng)正常工作。 </p><p>　　2.3 水泵的平穩(wěn)起停 </p><p>　　根據井下排水的特殊環(huán)境，要求水泵起停平穩(wěn)，特別需要達到緩慢開啟和閉合的要求。在啟動的過程中，如果各參數不能達到要求，整個排水系統(tǒng)就不能進入正常的運行狀態(tài)。 </p><p>　　2.4 水泵組運行的優(yōu)化控制 </p><p>　　水泵組運行優(yōu)化控制是可靠性和經濟

7、性的系統(tǒng)工程。依據井下積水的多少，自動控制水泵運行的數目，既不浪費能源又能達到排水要求，防止水難的發(fā)生。還要做到用電的“避峰就谷”，但在積水過多時優(yōu)先選擇排水。另外，為了避免水泵的長時間不停工作和長期閑置，需要合理安排水泵進行輪班工作。 </p><p>　　2.5 與井上的通訊能力 </p><p>　　井下自動排水系統(tǒng)是煤礦生產的重要組成部分，但并不是孤立的一個系統(tǒng)，需要配合其他的生產

8、部門進行工作。所以，排水系統(tǒng)需要擁有通訊能力以便及時的將排水系統(tǒng)的有關情況傳送給全礦生產監(jiān)控部門，以使管理人員能夠及時了解井下排水系統(tǒng)的工作狀態(tài)和做出合理的決策。 </p><p>　　3 礦井自動排水監(jiān)控系統(tǒng)的基本結構 </p><p>　　礦井自動排水監(jiān)控系統(tǒng)主要由水位與系統(tǒng)相關參數監(jiān)測模塊、PLC控制模塊和聯網通訊模塊組成。然后用可控閘閥和電磁接觸器等作為執(zhí)行元件，完成對排水系統(tǒng)的控

9、制。其監(jiān)控系統(tǒng)的基本結構如圖1所示。 </p><p><b>　　■ </b></p><p>　　圖1 監(jiān)控系統(tǒng)基本結構圖 </p><p>　　4 礦井自動排水監(jiān)控系統(tǒng)的模塊化設計 </p><p>　　4.1 水位與系統(tǒng)相關參數監(jiān)測模塊 </p><p>　　4.1.1 液位監(jiān)測傳感器 &

10、lt;/p><p>　　液位監(jiān)測傳感器采用投入式液位傳感器，其穩(wěn)定性好、可靠性強、安裝方便、結構簡單。投入式液位傳感器是將傳感器的探頭投入到液體中，利用在一定深度液體會產生一定的壓強這個基本原理制成。圖2為其工作示意圖。 </p><p>　　4.1.2 壓力和真空度監(jiān)測傳感器 </p><p>　　壓力和真空度是水泵啟動和運行過程中的重要參數，需要實時進行監(jiān)測。本設計

11、采用有源點接觸式壓力表和真空表，原理如圖3所示。 </p><p>　　當所監(jiān)測的壓力改變時，表盤指針將轉動，同時，指針帶動電接點的活動觸頭與設定在表盤上的觸頭相接觸，進而使控制系統(tǒng)的電路接通或斷開，以達到監(jiān)測和發(fā)送信息的目的。 </p><p><b>　　■ </b></p><p>　　圖3 有源點接觸式壓力（真空）表工作原理圖 <

12、/p><p>　　4.1.3 其他參數的監(jiān)測 </p><p>　　自動排水系統(tǒng)在工作過程中需要對系統(tǒng)的相關參數進行實時監(jiān)測，以保證整個系統(tǒng)的正常運行。需要監(jiān)測的參數有電機溫度、流量和系統(tǒng)漏電保護等，這些參數通過相應的傳感器進行檢測后轉化為電信號，然后經測試電路處理，送入PLC控制電路。圖4為相關聯結框圖。 </p><p><b>　　■ </b>

13、;</p><p>　　圖4 監(jiān)測與控制聯結框圖 </p><p>　　4.2 PLC控制模塊 </p><p>　　自動排水監(jiān)控系統(tǒng)的PLC控制模塊主要包括硬件和軟件兩部分，硬件部分主要包括PLC及其擴展模塊、信號檢測電路和輸出控制繼電器等。軟件部分需要根據PLC及其相關電路來編寫程序。 </p><p>　　4.2.1 硬件部分 <

14、/p><p>　　本設計選用西門子公司的S7-200系列CPU224型PLC，并用EM222數字量擴展模塊和EM231模擬量擴 </p><p>　　展模塊結合起來作為控制器。其擴展模塊配置如圖5所示。 </p><p><b>　　■ </b></p><p>　　圖5 PLC擴展模塊 </p><p&

15、gt;　　根據自動排水系統(tǒng)及井下環(huán)境的要求，本系統(tǒng)主要包括以下電路。 </p><p>　?、僦骺仉娐罚▓D6） </p><p><b>　　■ </b></p><p><b>　　圖6 主控電路圖 </b></p><p>　?、谛盘枡z測電路（圖7） </p><p>&

16、lt;b>　　■ </b></p><p>　　圖7 信號檢測電路圖 </p><p>　　③漏電保護電路（圖8） </p><p><b>　　■ </b></p><p>　　圖8 漏電保護電路 </p><p>　?、芸垢蓴_電路（圖9） </p><p&

17、gt;<b>　　■ </b></p><p><b>　　圖9 抗干擾電路 </b></p><p>　　除上述的主要電路外，還需要有輔助電氣元件，如變壓器、電源、繼電器等。 </p><p>　　4.2.2 軟件部分 </p><p>　　PLC采用面向用戶、面向過程的編程，因此程序設計可以采用

18、模塊化設計。根據自動排水系統(tǒng)的要求，對PLC及其擴展模塊的I/O地址進行合理的分配，然后按照主程序的流程圖（圖10），利用西門子STEP7標準軟件包提供的梯形圖邏輯編程語言LAD進行程序編寫設計。 </p><p><b>　　■ </b></p><p>　　圖10 主程序流程圖 </p><p>　　4.3 聯網通訊模塊 </p>

19、;<p>　　聯網通訊模塊采用以太網來實現數據的傳輸，以太網是高速局域控制網絡。以太網絡使用CSMA/CD技術，并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。 </p><p>　　本聯網通訊模塊以工控機作為上位機，以力控工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件為上位機的監(jiān)控軟件，以實現系統(tǒng)的相關顯示、查詢、打印和報警等功能，并且可以通過上位機界面上的按鈕實現對自動排水系統(tǒng)的起?？刂?；以西門子S7-300系列的PLC作為下位

20、機。聯網結構如圖11所示。 </p><p><b>　　■ </b></p><p>　　圖11 聯網通訊模塊 </p><p><b>　　5 結語 </b></p><p>　　實踐證明，井下自動排水監(jiān)控系統(tǒng)設計合理、相關硬件及軟件選型設計正確，系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，其模塊化設計易于擴展和修改，系

21、統(tǒng)維護簡單方便。模塊化設計為井下自動排水系統(tǒng)的設計提供了新的方法，使排水系統(tǒng)的設計、調試和維護工作更加方便高效。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1]徐輝，李敬兆，湯文兵等.基于RS485 總線的煤礦井下排水監(jiān)控系統(tǒng)[J].礦山機械，2012，40（8）：105-108. </p><p>　　[2]石

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