矿井水泵房自动排水监控系统设计论文及《棋盘井煤矿中央水泵房自动排水改造方案》

矿井水泵房自动排水监控系统设计论文及《棋盘井煤矿中央水泵房自动排水改造方案》

王亮亮

国能蒙西煤化工股份有限公司棋盘井煤矿机电队 内蒙古自治区鄂尔多斯市鄂托克旗棋盘井镇 016064

摘要：煤矿生产过程中，由大气降水、地表水、断层水、含水层水和采空区水形成的地下水流入巷道和工作面，形成矿井水。但棋盘井煤矿的中央水泵房依然是建井时所使用的传统排水控制系统，并且需要采用人工巡视、定点观测的方法监控水位。当水仓水位达到最高水位时，由岗位工申请调度，得到许可后启泵排水。该系统不仅检测水位方法简单传统，并且电动阀控制线路复杂，设备运行的可靠性低，导致工人劳动强度大，不适应煤炭发展的需要。根据智能化矿山建设需要可对排水系统可进行自动控制改造。

关键词：自动控制、矿井排水、避峰填谷

1 .绪论

1.1煤矿井下水的形成及排水的重要性

煤矿生产过程中，由大气降水、地表水、断层水、含水层水和采空区水形成的地下水流入巷道和工作面，形成矿井水。不管是从矿井水的合理排放再利用方面，还是其本身具有的安全隐患方面考虑，都需要把矿井水及时有效地排出矿井。因此保证排水设备运转的可靠性与经济性，对煤矿安全生产都具有十分重要的意义和价值。

1.2棋盘井煤矿排水系统现状

据统计棋盘井煤矿平均每天的矿井涌水量大约为950立方，并且存在奥陶纪灰岩地质，受奥灰水影响多年。但棋盘井煤矿的中央水泵房依然是建井时所使用的传统排水控制系统，并且需要采用人工巡视、定点观测的方法监控水位。当水仓水位达到最高水位时，由岗位工申请调度，得到许可后启泵排水。该系统不仅检测水位方法简单传统，并且电动阀控制线路复杂，设备运行的可靠性低，导致工人劳动强度大，不适应煤炭发展的需要。

2.PLC实现控制功能

2.1可编程控制器技术概况

可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一种可编程的存储器，用来执行内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等方面的操作，并可以通过数字量或模拟量输入/输出来控制各种类型的机器和生产过程。可编程控制器及其相关的设备是根据易于工业控制系统和扩充的原则设计的一个有机整体。PLC只有30多年的发展历史，却取得了快速的发展和广泛的应用，现在已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。

2.2 PLC的基本特点及工作原理

现在的自动化控制设备大多数都采用PLC控制，它具有抗干扰能力强、可靠性高、编程方便、易于使用。并且功能十分强大，在施工时具有设计调试周期短等优点。          

PLC运行时内部要进行一系列操作，大致可分为四大类：以故障诊断、通信处理为主的公共操作，联系工业现场的数据输入和输出操作，执行用户程序的操作，以及服务于外部设备的操作（如果外部设备有中断请求）。

与其它计算机系统一样，PLC的CPU是采用分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，随着时间的延伸一个动作接一个动作顺序地进行。这种分时操作进程称为CPU对程序的扫描。PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按序号顺序排列。CPU从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束。然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述的扫描循环的。

3 传感器选型与介绍

3.1投入式液位传感器

投入式液位传感器是将传感器的探头投入液体中。传感头根据水中的压力与空气中的压力差，传感头把水位的高度变换成压力差，再把压力差转换成微弱的电信号，该微弱的电信号经放大器放大后送A/D变换器，P采集数字信号经运算处理后，输出的水位高度用数码管来显示，同时输出对应的输出信号。

3.2电机及水泵温度检测

温度传感器一般分为接触式与非接触式两大类。所谓接触式就是传感器直接与被测物体接触，这是测温的基本形式。这类温度传感器具有结构简单、工作可靠、精度高、稳定性好、价格低廉等优点，是目前应用最多的一类。

非接触式温度传感器理论上不存在接触式温度传感器的测量滞后和应用范围上的限制，可测高温、腐蚀、有毒、运动物体及固体、液体表面的温度，不干扰被测温度场，但测量精度低，使用不太方便。

通过比较，宜选择接触式温度传感器测量温度比较合适。本文选择PT100温度传感器测量电机及水泵温度。Pt100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，在使用的时候只需要加装一块PT100的信号隔离栅，直接把采集到的电阻变为1-5VDC的信号输入到PLC，经过简单的计算就可以得到相应的温度值。

1、稳定性高     每年优于 ±0.1%

2、测量误差小   综合误差可小于 ±0.1%

3、温度范围宽   允许介质温度 -40～125℃

4、温度漂移小   典型温漂 ±0.02%/℃

5、适应恶劣环境 耐温、耐腐、抗振动

6、适应性广产品体积小、重量轻、无隔离膜片和中介液体；全不锈钢密封结构，无可动部件；可直接、任意安装。因此适应各种工业测量场合及介质。

4.控制系统的软件设计

西门子的S7-300系列PLC所用的编程语言是西门子开发的STEP7，这是一种可运行于通用微机中，在WINDOWS环境下进行编程的语言。将它通过计算机的串行口和一根PC/MPI转接电缆与PLC的MPI口相连，即可进行相互间的通信。通过STEP7编程软件，不仅可以非常方便地使用梯形图和语句表等形式进行离线编程，经过编译后通过转接电缆直接送入PLC的内存中执行，而且在调试运行时，还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断状况，甚至可以在线修改程序中变量的值，给调试工作也带来极大的方便。

4.1软件流程

从整体上来看系统的软件流程图可以看出，系统开始启动后，首先进行与PLC的通讯，然后进行模拟量以及I/O处理程序，系统自检与门处理程序。然后判断系统处于自动运行、手动运行、半自动运行三种运行方式中的哪一种，然后根据判断得到的结果进行相应的操作。根据控制板上的旋转开关的位置判断出系统的运行方式后，如处于PLC自动运行方式，则PLC根据程序流程顺序执行，自动完成水泵的启动，轮换工作，故障报警，停止。如处于半自动运行方式下，则由人工选择哪台水泵投入运行，PLC根据水泵的泵号自动完成该台水泵的自动启动，运行，停止。而手动方式下，PLC不参与任何操作控制，全部由人工通过控制按钮来控制整个系统的运行。

4.1.1自动轮换工作

每台水泵有两个数据寄存器,分别存放运行时间和运行次数。每次启动水泵,自动启动运行时间最短的无故障水泵。当两台水泵的运行时间相近且最少时,则启动运行次数较少的水泵。自动累加水泵的排水时间和排水次数。

4.1.2避峰填谷

根据棋盘井煤矿生产特点，生产时间大多在15：00至次日08：00为主要用电高峰时间，所以每天02：00至08：00为主要用电低谷时间。在水仓中设置警戒水位、最高水位两种水位状态，通过人机界面可以更改用电低谷时间，加上简单的逻辑设计完成“避峰填谷”。当在用电低谷时间时，水位到警戒水位时就会启动水泵，当在用电高峰时间时，水泵会在水位达到最高水位才会启动水泵。当轮换工作模块确定开哪台水泵。满足开泵条件的水泵进入自动开启程序。根据“避峰就谷”的原则，则应开动水泵,以免发生水仓溢水。

5. 总结

近年来，我国煤炭行业发展迅猛，再加上自动化技术的飞速发展，煤矿自动化生产己成为必然趋势，而排水系统作为保障安全生产不可或缺的部分，其集中控制的实现对整个煤炭生产具有非常重要的意义。由于是初次设计矿井水泵房自动排水监控系统，了解甚微，所以设计中的很多细节部分考虑不周。在煤矿以及各级区队领导的悉心指导下，对结构和部分内容进行了修改，大体上做到了有章可寻。

本论文针对棋盘井煤矿井下主排水系统自动化程度不高的现状，研究设计了PLC控制与PC监视相结合的煤矿井下自动排水系统。这种集中控制排水系统的最终目标是将井下排水系统的集中控制纳入棋盘井煤矿的整体集中控制当中，使煤矿生产各个环节均实现集中控制，实现煤矿安全高效发展的巨大飞跃。

参考文献：

李火元 《电力系统继电保护》高等教育出版社

贾  敏 《可编程控制器原理及应用》国防科技大学出版社

刘品潇 《电气控制与PLC》国防科技大学出版社