基于模塊控制的煤礦井下自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于模塊控制的煤礦井下自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：從我國(guó)煤礦生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)控制及監(jiān)測(cè)技術(shù)，介紹了一種井下自動(dòng)排水的監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)基于模塊化設(shè)計(jì)，主要由水位與系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊、PLC控制模塊和聯(lián)網(wǎng)通訊模塊組成。由于其模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)易于擴(kuò)展和維護(hù)，為今后礦井排水系統(tǒng)的進(jìn)一步自動(dòng)化提供了重要的參考依據(jù)。 </p><p>　　關(guān)鍵

2、詞：井下排水系統(tǒng) 模塊化設(shè)計(jì) 監(jiān)控系統(tǒng) PLC 自動(dòng)化 </p><p><b>　　1 概述 </b></p><p>　　礦井排水系統(tǒng)負(fù)責(zé)排出煤礦井下積水、涌水，保證煤礦生產(chǎn)的安全，是煤礦生產(chǎn)中的四大系統(tǒng)之一。井下排水系統(tǒng)的一個(gè)核心部分即是監(jiān)控系統(tǒng)。礦井排水系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)化很強(qiáng)的系統(tǒng)工程，在排水過(guò)程中不僅要考慮積水、涌水的多少，還要考慮能耗及礦井內(nèi)的各種因素的影響

3、，自動(dòng)化很難，因此，在很長(zhǎng)一段時(shí)間排水系統(tǒng)主要靠人為控制操作，通過(guò)人工觀察礦井下水位情況，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，決定開啟和關(guān)閉水泵的數(shù)目。但這種人工控制方法會(huì)增強(qiáng)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且整個(gè)操作過(guò)程易受人為因素影響，安全系數(shù)較低。 </p><p>　　隨著社會(huì)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了煤礦井下的自動(dòng)排水系統(tǒng)，目前應(yīng)用較多的是通過(guò)PLC控制排水系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)和工作。本文正是在此基礎(chǔ)之上應(yīng)用模塊化方法對(duì)井下自動(dòng)

4、排水的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)排水系統(tǒng)的安全運(yùn)行、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和有效管理具有十分重要的意義。 </p><p>　　2 礦井自動(dòng)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(chǎn)以安全為主，特別是在井下特殊的環(huán)境下安全生產(chǎn)顯得更重要。因而排水系統(tǒng)整體來(lái)說(shuō)屬于電控系統(tǒng)，因此防爆性能一定要達(dá)到煤

5、安標(biāo)準(zhǔn)。 </p><p>　　2.2 井下水位和有關(guān)安全參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) </p><p>　　自動(dòng)排水系統(tǒng)的主要目的是適時(shí)排出井下積水，所以其主要監(jiān)測(cè)對(duì)象是水位情況，積水量一有變化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)馬上給出反應(yīng)，以便于系統(tǒng)及時(shí)有效的排水。另外水泵內(nèi)的壓力、真空度等啟動(dòng)用參數(shù)和電機(jī)溫度、系統(tǒng)電流、管路流量等系統(tǒng)安全運(yùn)行的保障參數(shù)也需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如果有關(guān)參數(shù)超出正常范圍，要發(fā)出警報(bào)信號(hào)，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(jù)井下排水的特殊環(huán)境，要求水泵起停平穩(wěn)，特別需要達(dá)到緩慢開啟和閉合的要求。在啟動(dòng)的過(guò)程中，如果各參數(shù)不能達(dá)到要求，整個(gè)排水系統(tǒng)就不能進(jìn)入正常的運(yùn)行狀態(tài)。 </p><p>　　2.4 水泵組運(yùn)行的優(yōu)化控制 </p><p>　　水泵組運(yùn)行優(yōu)化控制是可靠性和經(jīng)濟(jì)

7、性的系統(tǒng)工程。依據(jù)井下積水的多少，自動(dòng)控制水泵運(yùn)行的數(shù)目，既不浪費(fèi)能源又能達(dá)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(guò)多時(shí)優(yōu)先選擇排水。另外，為了避免水泵的長(zhǎng)時(shí)間不停工作和長(zhǎng)期閑置，需要合理安排水泵進(jìn)行輪班工作。 </p><p>　　2.5 與井上的通訊能力 </p><p>　　井下自動(dòng)排水系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)的重要組成部分，但并不是孤立的一個(gè)系統(tǒng)，需要配合其他的生產(chǎn)

8、部門進(jìn)行工作。所以，排水系統(tǒng)需要擁有通訊能力以便及時(shí)的將排水系統(tǒng)的有關(guān)情況傳送給全礦生產(chǎn)監(jiān)控部門，以使管理人員能夠及時(shí)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(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) </p><p>　　礦井自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)主要由水位與系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊、PLC控制模塊和聯(lián)網(wǎng)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(duì)排水系統(tǒng)的控

9、制。其監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。 </p><p><b>　　■ </b></p><p>　　圖1 監(jiān)控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖 </p><p>　　4 礦井自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì) </p><p>　　4.1 水位與系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊 </p><p>　　4.1.1 液位監(jiān)測(cè)傳感器 &

10、lt;/p><p>　　液位監(jiān)測(cè)傳感器采用投入式液位傳感器，其穩(wěn)定性好、可靠性強(qiáng)、安裝方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(huì)產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)這個(gè)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(cè)傳感器 </p><p>　　壓力和真空度是水泵啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中的重要參數(shù)，需要實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本設(shè)計(jì)

11、采用有源點(diǎn)接觸式壓力表和真空表，原理如圖3所示。 </p><p>　　當(dāng)所監(jiān)測(cè)的壓力改變時(shí)，表盤指針將轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，指針帶動(dòng)電接點(diǎn)的活動(dòng)觸頭與設(shè)定在表盤上的觸頭相接觸，進(jìn)而使控制系統(tǒng)的電路接通或斷開，以達(dá)到監(jiān)測(cè)和發(fā)送信息的目的。 </p><p><b>　　■ </b></p><p>　　圖3 有源點(diǎn)接觸式壓力（真空）表工作原理圖 <

12、/p><p>　　4.1.3 其他參數(shù)的監(jiān)測(cè) </p><p>　　自動(dòng)排水系統(tǒng)在工作過(guò)程中需要對(duì)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)有電機(jī)溫度、流量和系統(tǒng)漏電保護(hù)等，這些參數(shù)通過(guò)相應(yīng)的傳感器進(jìn)行檢測(cè)后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后經(jīng)測(cè)試電路處理，送入PLC控制電路。圖4為相關(guān)聯(lián)結(jié)框圖。 </p><p><b>　　■ </b>

13、;</p><p>　　圖4 監(jiān)測(cè)與控制聯(lián)結(jié)框圖 </p><p>　　4.2 PLC控制模塊 </p><p>　　自動(dòng)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(kuò)展模塊、信號(hào)檢測(cè)電路和輸出控制繼電器等。軟件部分需要根據(jù)PLC及其相關(guān)電路來(lái)編寫程序。 </p><p>　　4.2.1 硬件部分 <

14、/p><p>　　本設(shè)計(jì)選用西門子公司的S7-200系列CPU224型PLC，并用EM222數(shù)字量擴(kuò)展模塊和EM231模擬量擴(kuò) </p><p>　　展模塊結(jié)合起來(lái)作為控制器。其擴(kuò)展模塊配置如圖5所示。 </p><p><b>　　■ </b></p><p>　　圖5 PLC擴(kuò)展模塊 </p><p&

15、gt;　　根據(jù)自動(dòng)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?hào)檢測(cè)電路（圖7） </p><p>&

16、lt;b>　　■ </b></p><p>　　圖7 信號(hào)檢測(cè)電路圖 </p><p>　?、勐╇姳Ｗo(hù)電路（圖8） </p><p><b>　　■ </b></p><p>　　圖8 漏電保護(hù)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(guò)程的編程，因此程序設(shè)計(jì)可以采用

18、模塊化設(shè)計(jì)。根據(jù)自動(dòng)排水系統(tǒng)的要求，對(duì)PLC及其擴(kuò)展模塊的I/O地址進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)軟件包提供的梯形圖邏輯編程語(yǔ)言LAD進(jìn)行程序編寫設(shè)計(jì)。 </p><p><b>　　■ </b></p><p>　　圖10 主程序流程圖 </p><p>　　4.3 聯(lián)網(wǎng)通訊模塊 </p>

19、;<p>　　聯(lián)網(wǎng)通訊模塊采用以太網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，以太網(wǎng)是高速局域控制網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD技術(shù)，并以10M/S的速率運(yùn)行在多種類型的電纜上。 </p><p>　　本聯(lián)網(wǎng)通訊模塊以工控機(jī)作為上位機(jī)，以力控工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件為上位機(jī)的監(jiān)控軟件，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的相關(guān)顯示、查詢、打印和報(bào)警等功能，并且可以通過(guò)上位機(jī)界面上的按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)排水系統(tǒng)的起?？刂疲灰晕鏖T子S7-300系列的PLC作為下位

20、機(jī)。聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖11所示。 </p><p><b>　　■ </b></p><p>　　圖11 聯(lián)網(wǎng)通訊模塊 </p><p><b>　　5 結(jié)語(yǔ) </b></p><p>　　實(shí)踐證明，井下自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、相關(guān)硬件及軟件選型設(shè)計(jì)正確，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，其模塊化設(shè)計(jì)易于擴(kuò)展和修改，系

21、統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單方便。模塊化設(shè)計(jì)為井下自動(dòng)排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了新的方法，使排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)工作更加方便高效。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </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(jī)械，2012，40（8）：105-108. </p><p>　　[2]石

22、小利，高奇峰.井下排水監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化方案分析[J].煤礦機(jī)電，2006（4）：68-70. </p><p>　　[3]張傳生，宋岳龍，楊建磊.基于PLC的煤礦井下自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2012，232（25）：122-124. </p><p>　　[4]周獻(xiàn)，郭穎，陳儉平.井下排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)在礦山的應(yīng)用[J].工程建設(shè)，2009，41（4）：25-28. <