论文部分内容阅读
摘要：煤矿井下排水系统作为煤矿生产中的主要工作系统之一，在煤矿安全问题中占有重要地位。本文设计采用PLC作为微控制器构成的自动化排水监控系统，弥补了传统继电器控制的缺陷与不足，提高了系统工作可靠性和稳定性，具有使用寿命长、维护方便等特点。
关键词：井下排水；PLC；自动控制
中图分类号：X752文献标识码： A
0引言
目前国内矿井的排水系统一般采用水泵工进行人工监视的方法，采用高仿加磁力开关进行控制，基本未实现自动化。传统方法完全依靠人工进行控制，可靠性比较差，对于紧急情况的应急处理能力不足，存在着一定的安全隐患。近年，煤炭行业飞速发展，这种控制方法已经不能适应煤炭工业的发展，也不能满足煤炭产量逐年增高的需要。设计煤矿井下排水系统监测与控制系统，就是要改变这种状况。
图1监控系统结构图
图2水泵硐室管路示意图
井下排水监控系统是在传统排水系统的基础上，加入计算机、PLC等来实现排水系统的自动化。如图1所示，本系统采用PLC和计算机组成两级控制系统来实现排水系统的监控。计算机利用显示器输出，来实现人机对话和监控功能，PLC作为下位机完成数据采集和实时控制任务。
根据水泵硐室示意图2及控制要求，控制系统的输入/输出参数统计如表1、表2和表3所列。开关量输出约53点，开关量输入约13点，模拟量输入通道约29路。本系统选用台达公司的DVP32EH00R2型PLC。根据水泵硐室示意图2及控制要求，控制系统的输入/输出参数统计如表1、表2和表3所列。DVP-EH系列PLC是模块化结构设计，各种单独模块之间可以进行广泛组合和扩展。DVP32EH00R2具有16点输入、16点输出，所以需要扩展一个32点输出的DVP32HN00R和8点输出的DVP08HN11R输出扩展模块,，剩余三个输出点做备用。选用DVPAD04-H型模拟量输入模块8个，每个模拟量输入模块有四个通道，其余通道留作备用。
表1开关量输出点统计表
数字量输出 点数
射流管路电磁阀开关 5
排水管路电动阀开关 30
水泵电机开关 8
预警、报警 2
排水管路电动阀开关指示灯 8
总计 53
表2开关量输入点数统计表
数字量输入 点数
急停 1
复位 1
控制方式选择 3
水泵电机合分闸 8
总计 13
监控系统中需要28个模拟量输入通道如表3所列，DVP-EH2型PLC只有数字量输入/输出端口，所以必须用模拟量扩展模块实现，选用DVPAD04-H型模拟量输入模块8个，每个模拟量输入模块有四个通道，可以有个3预留通道备用。
表3模拟量输入通道数统计表
模拟量输入 通道数
水仓水位 2
压差传感器 4
排水管流量 2
温度传感器 4
电机电流 8
电机电压 3
排水管路闸阀开度 2
真空度传感器 4
总计 29
1排水监控系统的实现
1）硬件组成
排水监控系统的硬件主要由四部分组成：上位机(计算机)、通讯电缆、下位机(PLC )、被监控对象(传感器和各种阀)及执行器(阀和电机)。
由计算机来担任上位机，通过组态网仿真被控对象，操作人员可以通过计算机发出操控命令，通过可编程控制器来实现水泵的启停、阀门的开关等；同时屏幕上显示各种传感器输入信号的变化。使用RS232到RS485转换器，延长传输距离。
2）软件实现
PLC的I/O端口对应着内部不同的寄存器，端口(内存地址)的分配是编程的基础。根据PLC运行的特点和井下自动排水系统的控制要求，总体流程图如图3所示，其中控制方式选择、控制策略制定以及水泵的启、停都以子程序形式被调用。
离心泵是目前矿用排水的主泵型，但是离心泵的启、停比较复杂。如图4所示为离心泵启、停控制流程图，每台水泵启、停基本相同。离心式水泵只有在泵壳内充满水的情况下才允许启动。启动前采用射流喷管自灌式注水方式，依靠射流的吸力，使泵体内形成真空，靠大气压力将水仓内的水压入泵内，充满泵体，即可启动水泵。此方法具有省去水泵底阀、提高水泵效率及吸水高度、结构简单、不占泵房空间、维修量小等优点。
图3控制系统总流程图
图4水泵启、停流程图
2排水监控系统工作过程
排水系统的控制核心由信号检测与电气控制构成。排水系统运行过程中，系统要对水仓水位高度，水泵的真空度、压力等启动参数，以及水泵运行时管路内流量、水路官网压力、电机温度等参数进行检测。通过这些检测的数据，才能使系统选择正确的控制策略，并在有故障发生时，发出信号报警。
监控系统可概括为六个环节：自动注水(抽真空)环节、闸阀操纵环节、水位自动监控环节、参数传示环节、故障保护环节以及电动机的自动控制环节，每一环节都可通过上位机的模拟界面监控。
3水泵运行数学模型
根据涌水量、水仓容积和用电分时计费的原则，将一天24 h按各计费时段分开，分别计算各时段电费，以总电费最小为目标，在一定约束条件下，计算各时段的开泵台数和时间，使在用电峰段到达时水仓容水最小。
设水仓有效容积V，则涌水充满水仓的时间：
依据t的大小划分出三种工况。
（1）Ⅰ工况
时，约束条件为用电峰期到来时水仓容水位到最低，且在用电峰期结束时，涌水基本充满水仓。
（2）Ⅱ工况
时，约束条件要满足用电谷段结束时水仓容水位到最低。
（3） Ⅲ工况
时，约束条件满足在用电峰段到来时水仓容水位最低，且在用电平段、谷段结束时基本将水排完。
1.目标函数
假设一天24h排水所用的电费为M，按 7段电费计时，每时段的时间为ti，则单泵工作费用M ：
或
式中：—— 水泵扬程（m）；
—— 水的重度（N/m3）；
—— 时段的水泵运行时间（h），且；
—— 第时段电费价格(元)，；
—— 功率因数；
—— 电机效率；
—— 传动联轴器效率：
—— 水泵效率。
在实际的工作当中，常需要多台水泵并联同时工作，并且每台水泵有独立的排水管道，第时段排水能力为，其中，其中为台水泵共用一个排水管道的效率，台水泵的用电费用：
①
2.约束函数
水泵同时运行臺数和运行时间约束条件：
②
其中K是每个时段的开泵台数，T是开泵台数对应的水泵运行时间。
4自动排水系监控统实现的功能
1）水泵能够自动启动、停止
系统设计按照离心式水泵的开启和关闭步骤：自动开启射流泵为水泵注水、同时测量水泵内部的真空度、依据真空度数值开启或关闭水泵电机、实时监测排水管的压力，开启或关闭电动闸阀。
2）实现用电“躲峰填谷”
水位自动监控主要是根据传感器实时监控水仓水位的高低变化，将信息传递给PLC来发出水泵开启和停止。“躲峰填谷”环节的目的是为排水系统经济运行，尽量减少耗电费用。在该环节中要确定开启几台水泵及开泵的具体时间。
3）实现水仓水位的实时检测与预测
水仓水位高度是系统工作的主要采集信号，因为煤矿井下的水位时不断变化的，PLC要根据水位高度的变化来实时控制水泵的运行情况。平时，检测系统要实时监测水位的变化情况，把信号传输到PLC，一但水位超高，则接通报警装置，通知管理人员及时了解水位情况，危险情况下发出报警信号。
4结束语
本设计基于可编程控制技术的煤矿井下排水监控系统是利用当前优秀的工业控制技术设计的，它具有许多传统控制系统无法比拟的优点，它对未来煤矿自动化的进一步发展有重要的意义。
参考文献
[1]叶会华，王淑香，张志荣等.煤矿井下主排水设备的计算机辅助设计[J].阜新矿业学院学报(自然科学版)，1992，11(4)：96-99
[2]闰家华.矿井主排水系统的改扩建设计和节能方法[J].煤矿设计，1995， (12)：26-29
[3]胡寿松.自动控制原理（第四版）[M].北京：科学出版社,2001：56-57
作者简介
文道海，（1988—），黑龙江，2010年毕业于黑龙江科技学院机械电子工程专业。现就业于龙煤鹤岗分公司，从事矿山设备的检修工作。
关键词：井下排水；PLC；自动控制
中图分类号：X752文献标识码： A
0引言
目前国内矿井的排水系统一般采用水泵工进行人工监视的方法，采用高仿加磁力开关进行控制，基本未实现自动化。传统方法完全依靠人工进行控制，可靠性比较差，对于紧急情况的应急处理能力不足，存在着一定的安全隐患。近年，煤炭行业飞速发展，这种控制方法已经不能适应煤炭工业的发展，也不能满足煤炭产量逐年增高的需要。设计煤矿井下排水系统监测与控制系统，就是要改变这种状况。
图1监控系统结构图
图2水泵硐室管路示意图
井下排水监控系统是在传统排水系统的基础上，加入计算机、PLC等来实现排水系统的自动化。如图1所示，本系统采用PLC和计算机组成两级控制系统来实现排水系统的监控。计算机利用显示器输出，来实现人机对话和监控功能，PLC作为下位机完成数据采集和实时控制任务。
根据水泵硐室示意图2及控制要求，控制系统的输入/输出参数统计如表1、表2和表3所列。开关量输出约53点，开关量输入约13点，模拟量输入通道约29路。本系统选用台达公司的DVP32EH00R2型PLC。根据水泵硐室示意图2及控制要求，控制系统的输入/输出参数统计如表1、表2和表3所列。DVP-EH系列PLC是模块化结构设计，各种单独模块之间可以进行广泛组合和扩展。DVP32EH00R2具有16点输入、16点输出，所以需要扩展一个32点输出的DVP32HN00R和8点输出的DVP08HN11R输出扩展模块,，剩余三个输出点做备用。选用DVPAD04-H型模拟量输入模块8个，每个模拟量输入模块有四个通道，其余通道留作备用。
表1开关量输出点统计表
数字量输出 点数
射流管路电磁阀开关 5
排水管路电动阀开关 30
水泵电机开关 8
预警、报警 2
排水管路电动阀开关指示灯 8
总计 53
表2开关量输入点数统计表
数字量输入 点数
急停 1
复位 1
控制方式选择 3
水泵电机合分闸 8
总计 13
监控系统中需要28个模拟量输入通道如表3所列，DVP-EH2型PLC只有数字量输入/输出端口，所以必须用模拟量扩展模块实现，选用DVPAD04-H型模拟量输入模块8个，每个模拟量输入模块有四个通道，可以有个3预留通道备用。
表3模拟量输入通道数统计表
模拟量输入 通道数
水仓水位 2
压差传感器 4
排水管流量 2
温度传感器 4
电机电流 8
电机电压 3
排水管路闸阀开度 2
真空度传感器 4
总计 29
1排水监控系统的实现
1）硬件组成
排水监控系统的硬件主要由四部分组成：上位机(计算机)、通讯电缆、下位机(PLC )、被监控对象(传感器和各种阀)及执行器(阀和电机)。
由计算机来担任上位机，通过组态网仿真被控对象，操作人员可以通过计算机发出操控命令，通过可编程控制器来实现水泵的启停、阀门的开关等；同时屏幕上显示各种传感器输入信号的变化。使用RS232到RS485转换器，延长传输距离。
2）软件实现
PLC的I/O端口对应着内部不同的寄存器，端口(内存地址)的分配是编程的基础。根据PLC运行的特点和井下自动排水系统的控制要求，总体流程图如图3所示，其中控制方式选择、控制策略制定以及水泵的启、停都以子程序形式被调用。
离心泵是目前矿用排水的主泵型，但是离心泵的启、停比较复杂。如图4所示为离心泵启、停控制流程图，每台水泵启、停基本相同。离心式水泵只有在泵壳内充满水的情况下才允许启动。启动前采用射流喷管自灌式注水方式，依靠射流的吸力，使泵体内形成真空，靠大气压力将水仓内的水压入泵内，充满泵体，即可启动水泵。此方法具有省去水泵底阀、提高水泵效率及吸水高度、结构简单、不占泵房空间、维修量小等优点。
图3控制系统总流程图
图4水泵启、停流程图
2排水监控系统工作过程
排水系统的控制核心由信号检测与电气控制构成。排水系统运行过程中，系统要对水仓水位高度，水泵的真空度、压力等启动参数，以及水泵运行时管路内流量、水路官网压力、电机温度等参数进行检测。通过这些检测的数据，才能使系统选择正确的控制策略，并在有故障发生时，发出信号报警。
监控系统可概括为六个环节：自动注水(抽真空)环节、闸阀操纵环节、水位自动监控环节、参数传示环节、故障保护环节以及电动机的自动控制环节，每一环节都可通过上位机的模拟界面监控。
3水泵运行数学模型
根据涌水量、水仓容积和用电分时计费的原则，将一天24 h按各计费时段分开，分别计算各时段电费，以总电费最小为目标，在一定约束条件下，计算各时段的开泵台数和时间，使在用电峰段到达时水仓容水最小。
设水仓有效容积V，则涌水充满水仓的时间：
依据t的大小划分出三种工况。
（1）Ⅰ工况
时，约束条件为用电峰期到来时水仓容水位到最低，且在用电峰期结束时，涌水基本充满水仓。
（2）Ⅱ工况
时，约束条件要满足用电谷段结束时水仓容水位到最低。
（3） Ⅲ工况
时，约束条件满足在用电峰段到来时水仓容水位最低，且在用电平段、谷段结束时基本将水排完。
1.目标函数
假设一天24h排水所用的电费为M，按 7段电费计时，每时段的时间为ti，则单泵工作费用M ：
或
式中：—— 水泵扬程（m）；
—— 水的重度（N/m3）；
—— 时段的水泵运行时间（h），且；
—— 第时段电费价格(元)，；
—— 功率因数；
—— 电机效率；
—— 传动联轴器效率：
—— 水泵效率。
在实际的工作当中，常需要多台水泵并联同时工作，并且每台水泵有独立的排水管道，第时段排水能力为，其中，其中为台水泵共用一个排水管道的效率，台水泵的用电费用：
①
2.约束函数
水泵同时运行臺数和运行时间约束条件：
②
其中K是每个时段的开泵台数，T是开泵台数对应的水泵运行时间。
4自动排水系监控统实现的功能
1）水泵能够自动启动、停止
系统设计按照离心式水泵的开启和关闭步骤：自动开启射流泵为水泵注水、同时测量水泵内部的真空度、依据真空度数值开启或关闭水泵电机、实时监测排水管的压力，开启或关闭电动闸阀。
2）实现用电“躲峰填谷”
水位自动监控主要是根据传感器实时监控水仓水位的高低变化，将信息传递给PLC来发出水泵开启和停止。“躲峰填谷”环节的目的是为排水系统经济运行，尽量减少耗电费用。在该环节中要确定开启几台水泵及开泵的具体时间。
3）实现水仓水位的实时检测与预测
水仓水位高度是系统工作的主要采集信号，因为煤矿井下的水位时不断变化的，PLC要根据水位高度的变化来实时控制水泵的运行情况。平时，检测系统要实时监测水位的变化情况，把信号传输到PLC，一但水位超高，则接通报警装置，通知管理人员及时了解水位情况，危险情况下发出报警信号。
4结束语
本设计基于可编程控制技术的煤矿井下排水监控系统是利用当前优秀的工业控制技术设计的，它具有许多传统控制系统无法比拟的优点，它对未来煤矿自动化的进一步发展有重要的意义。
参考文献
[1]叶会华，王淑香，张志荣等.煤矿井下主排水设备的计算机辅助设计[J].阜新矿业学院学报(自然科学版)，1992，11(4)：96-99
[2]闰家华.矿井主排水系统的改扩建设计和节能方法[J].煤矿设计，1995， (12)：26-29
[3]胡寿松.自动控制原理（第四版）[M].北京：科学出版社,2001：56-57
作者简介
文道海，（1988—），黑龙江，2010年毕业于黑龙江科技学院机械电子工程专业。现就业于龙煤鹤岗分公司，从事矿山设备的检修工作。