摘 要:針對煤礦井下PLC自動排水控制系統(tǒng),研究其PLC控制設計和系統(tǒng)結構設計,并探討其實現(xiàn)方式,提高PLC技術下煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)水平,為煤礦井下安全提供保障。
關鍵詞:PLC技術:煤礦;井下排水;自動控制系統(tǒng);設計與實現(xiàn)
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.199
煤礦井下排水狀況是關系采礦安全的一個重要因素,技術性要求較高,如果只依靠人工操作排水,不僅會增大工作人員負擔,而且會造成排水系統(tǒng)運行效率低等問題,影響排水效果。因此,設計以PLC技術為核心的煤礦井下排水自動控制系統(tǒng),對工作效率提升、工作量減輕等有著重要作用,可以有效提高煤礦井下作業(yè)安全性。
1 PLC技術下煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)的設計
(1)系統(tǒng)結構設計。本系統(tǒng)的設計目標是實現(xiàn)井下排水的無人值守自動化,需要系統(tǒng)具有自動控制、檢查設備,完成自動排水的功能,對此,采取的系統(tǒng)結構設計應包括三層,分別是管理層、控制層以及現(xiàn)場層,其中,管理層是通過上位機來進行人機對話、遠程控制,控制層是通過PLC完成相應的控制任務,現(xiàn)場層負責對井下情況的數(shù)據(jù)采集與上傳。
具體來說,該系統(tǒng)的結構主要包括:1)PLC遠程擴展單元,是系統(tǒng)的核心組成部分,具有數(shù)據(jù)存儲、運算、處理功能,根據(jù)運算結果,完成水泵的啟停;2)高壓柜綜保模塊,負責的是收集、傳遞電機運行參數(shù),并維修電機故障;3)執(zhí)行部分,包括就地控制箱、PLC外圍電控機,具有控制放水門、配水電機、水泵等設備動作的功能;4)檢測部分,包括PLC檢測體系、開關量信號等,開關量信號是由放水門、真空泵、配水閥以及電動閘閥等提供的;5)人機界面:屬于PLC的外延設備,是排水系統(tǒng)水泵設備運行、煤礦井下排水等情況的顯示界面,也是工作人員管理排水系統(tǒng)的平臺[1]。
(2)網(wǎng)絡組成設計。在本系統(tǒng)的網(wǎng)絡組成設計中,主要包括兩大部分,分別是遠程監(jiān)控網(wǎng)絡與現(xiàn)場級控制網(wǎng)絡,其中,遠程監(jiān)控網(wǎng)絡使用的是工業(yè)以太網(wǎng),功能是實現(xiàn)上位機與現(xiàn)場控制層間的數(shù)據(jù)交換,由于PLC采用的是西門子S7-300系列,為保證遠程監(jiān)控網(wǎng)絡結構的可靠,避免異構網(wǎng)絡安裝復雜的問題,在以太網(wǎng)通信模塊上,也需選擇西門S7-300系列對應的CP343-1,保證PLC、監(jiān)控之間以太網(wǎng)通信的順暢、可靠;此外,為避免電氣、磁場等因素對通信信號準確性的干擾,系統(tǒng)還采取了以太網(wǎng)、光纖傳輸技術。
在現(xiàn)場級控制網(wǎng)絡中,由于受控設備、監(jiān)測參數(shù)相對較多,傳統(tǒng)的接線方式不僅可靠性低,且難以維護,所以,應當設計采用現(xiàn)場總線技術,完成設備層、控制層間的數(shù)據(jù)傳輸。在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡中,其模式為Profibus-DP網(wǎng)絡,使用的是西門子ET200分布式I/O,能夠實現(xiàn)小數(shù)量級、快速的循環(huán)通信,通信數(shù)據(jù)格式主要為數(shù)字量、模擬量。
(3)排水警報監(jiān)控系統(tǒng)。排水警報監(jiān)控系統(tǒng)對PLC排水自動控制系統(tǒng)起著重要補充作用,主要包括鏡下電視監(jiān)視設備和通信系統(tǒng),且能夠單獨使用,對各種條件的礦井都可以適應。在排水警報監(jiān)控系統(tǒng)中,通信系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)間是彼此獨立的,通信主線為光纖,可以盡量減少通信系統(tǒng)信號傳遞過程所受到的干擾,保證地面接收信號的真實、可靠;同時,為便于光纖信號傳遞,通過會先把電信號經(jīng)光端機處理后轉換為光信號,井下光端機進行還原,完成數(shù)據(jù)、語音的傳遞與分開,再通過井下設備把數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)较鄳膫鬏斀涌谥?,?jīng)由傳輸接口傳遞到各個分線盒中,語音信號被傳遞到對應話機[2]。
2 PLC技術下煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)
(1)半自動控制方式。半自動控制是人工與自動控制結合一種控制方式,在此種方式下,操作人員可以通過PLC控制柜、終端監(jiān)控觸摸板等,監(jiān)控水泵的工作、啟停情況;并根據(jù)需要,通過觸摸板下達相應的啟停指令,操作命令會通過網(wǎng)絡傳遞到CPU中,PLC會根據(jù)控制邏輯,完成相應的水泵啟??刂?。
(2)全自動控制方式。全自動控制方式就是完全以PLC進行控制的方式,操作人員只需要對系統(tǒng)工程進行監(jiān)測,自動控制系統(tǒng)會根據(jù)煤礦井下的水位情況,自動采取相應的控制措施,完成啟停。同時,井下排水全自動控制多遵循節(jié)能省電的運行原則,采取比例微分控制的方式,提高排水的經(jīng)濟性,在平時段、谷時段與峰時段的具體控制策略包括:盡量減少在峰段的抽水、降低谷段水位上限值來最大程度的降低谷段結束后煤礦井下水位。在全自動控制方式中,水位值的微分處理是一個重點內容,了解水位的變化情況,在水位出現(xiàn)突然加快等情況時,能夠采取提前啟動水泵等措施來加以控制,預防井下水過多造成的安全事故[3]。
(3)突發(fā)情況的控制。在煤礦井下,由于其地質狀況的復雜性、特殊性,其涌水是不可控制、難以預測的,可能會出現(xiàn)涌水事故,為預防涌水造成煤礦安全事故,應急排水也是井下排水自動控制系統(tǒng)的一項重要要求。所以,在PLC煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)中,設計涌水檢測是被,實現(xiàn)對涌水等突發(fā)情況的及時檢測,并將監(jiān)測信號傳遞到控制中心中,快速開啟連鎖防護裝置;同時,在井下排水管路等條件允許情況下,通過多臺水泵的同時啟動,來將涌水迅速排出,減輕其對煤礦造成的損失。
3 結語
綜上所述,煤礦井下排水系統(tǒng)是煤礦產生安全的重要保障,主要包括水泵、排水管、吸水管等,其傳統(tǒng)的運行方式大多是連續(xù)運行,存在工作效率低、能耗大、故障率高等弊端,難以達到當前煤礦生產的需求。PLC具有先進的控制功能,設計以PLC為核心的煤礦井下排水自動控制系統(tǒng),構建合適的系統(tǒng)結構,通過相應的網(wǎng)絡設計、模塊設計等,實現(xiàn)對排水系統(tǒng)各設施的實時監(jiān)控,優(yōu)化排水系統(tǒng)運行水平,提高排水系統(tǒng)的排水能力,對煤礦井下開采安全有著重要意義。
參考文獻:
[1]季振華.基于PLC的煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)設計研究[J].煤炭技術,2013(09):86-88.
[2]蔡曉東.基于PLC的煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)設計[J].煤炭技術,2013(11):93-94.
[3]陳維仁.煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].中小企業(yè)管理與科技(上旬刊),2010(02):163-164.
作者簡介:付勇(1983-),男,河北灤南人,工學學士,助理工程師,研究方向:煤礦井下供電、供排水。