1、基于PLC的礦井泵房排水自動控制系統(tǒng),蘇興明 碩研12-7班,排水系統(tǒng)現(xiàn)狀： 國內(nèi)現(xiàn)有煤礦井下水泵房控制系統(tǒng)多采用簡單的繼電器操作系統(tǒng)，控制系統(tǒng)與控制電纜冗余繁雜，自動化水平低，技術落后，系統(tǒng)故障頻繁，各個閥門的開關，水泵的開、停及水泵的切換均由專門的人員井下人工操作完成，調度室對于水泵房的信息完全依賴于現(xiàn)場的司機，人員工效低下，資源浪費，無法實現(xiàn)節(jié)能運行，并且不利于礦井的高效安全生產(chǎn)。,改造思路： 實現(xiàn)煤礦井下水泵房的集中分布控制 1、采用集中控制器（PLC）與分布式遠程I/O，對水泵房設備運行實行在線監(jiān)控，自動（保留手動功能）控制水泵的啟停及電動閘閥的開、關，并具有自診斷功能，實現(xiàn)水泵房的

2、無人值守；2、監(jiān)控系統(tǒng)通過10100Mbps 高速工業(yè)控制網(wǎng)并入目前世界最先進的100M工業(yè)冗余容錯高速主干網(wǎng)實現(xiàn)水泵監(jiān)控子系統(tǒng)與全礦井的監(jiān)控系統(tǒng)信息共享；,3、水泵房現(xiàn)場以計算機圖形界面結合現(xiàn)場操作，最大程度簡化操作。同時綜合考慮礦井各種安全信息，實現(xiàn)水泵子系統(tǒng)的最優(yōu)控制策略；水泵子系統(tǒng)的報警、數(shù)據(jù)、報表統(tǒng)計處理全部融入整個礦井監(jiān)控系統(tǒng)； 4、根據(jù)水位，自動實現(xiàn)水泵的輪換工作，延長了水泵壽命。同時結合電網(wǎng)負荷信息，以“移峰填谷”原則確定開、停水泵時間，從而提高了礦井的電網(wǎng)質量及節(jié)約電費。,目前主要改造點：,變頻 軟啟動 遠程監(jiān)視及自動控制 自動控制流程：水倉水位高于上限控制裝置自動選定排水管

3、魯打開管路閘閥控制裝置自動選定待開水泵、確定射流管路開啟射流檢測真空度確定泵提議充水啟動電機打開水泵出水口閥門并判斷水泵運行正常關閉射流。,控制系統(tǒng)的總體結構,系統(tǒng)采用現(xiàn)場層(遠程IO),控制層(PLC)和管理層(工業(yè)計算機)組成的三級控制系統(tǒng)來實現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動控制。工業(yè)計算機利用友好人機界面實現(xiàn)人機對話和遠程監(jiān)控功能，PLC作為控制器完成邏輯處理和控制任務，遠程IO實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和上傳 井下PLC控制系統(tǒng)以西門子S7-300系列PLC為控制核心，負責水泵、真空泵、電動出水閘閥、高壓柜及全部傳感器的控制。并實現(xiàn)了與原有的水泵控制系統(tǒng)的兼容，在不改變原有的控制方式的前提下實現(xiàn)了PLC的自動

4、控制。,控制系統(tǒng)的總體結構,地面設有數(shù)據(jù)中心服務器，運行上位機組態(tài)軟件，通過工業(yè)以太網(wǎng)可實現(xiàn)與井下PLC的同步，授權用戶可通過上位機組態(tài)軟件控制水泵啟停。（如圖）,控制系統(tǒng)的總體結構,系統(tǒng)采用現(xiàn)場層(遠程IO),控制層(PLC)和管理層(工業(yè)計算機)組成的三級控制系統(tǒng)來實現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動控制。工業(yè)計算機利用友好人機界面實現(xiàn)人機對話和遠程監(jiān)控功能，PLC作為控制器完成邏輯處理和控制任務，遠程IO實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和上傳 井下PLC控制系統(tǒng)以西門子S7-300系列PLC為控制核心，負責水泵、真空泵、電動出水閘閥、高壓柜及全部傳感器的控制。并實現(xiàn)了與原有的水泵控制系統(tǒng)的兼容，在不改變原有的控制方式的

5、前提下實現(xiàn)了PLC的自動控制。,系統(tǒng)的主要監(jiān)控范圍,連續(xù)監(jiān)測主排水管路流量；內(nèi)外倉水位；水泵真空度；出水口壓力；電機電流、電壓、功率；電機繞組、軸承及水泵軸承溫度，檢測水泵的實時流量、累計流量和泵房的實時排水量、累計排水量等主要參數(shù)。 監(jiān)測各吸水井高低水位；控制電動閥門開關，監(jiān)測閥門狀態(tài)、開到位、關到位、過轉矩信號；控制電磁閥的開、停及開、關狀態(tài)；電機開關柜的分合狀態(tài)及故障狀態(tài)。 實時顯示所有信息狀況，所有參數(shù)及曲線在現(xiàn)場和集控室能夠同步顯示。能對電動閥門進行綜合保護并顯示故障，能對水泵電機進行綜合保護并顯示故障狀態(tài)。,系統(tǒng)的主要監(jiān)控參數(shù),泵房現(xiàn)場布局示意圖,泵房現(xiàn)場布局示意圖,本示意圖以三臺

6、水泵為例； 本示意圖列有兩條吸水管路以及真空泵，射流泵兩種抽真空方式； PLC控制柜通過控制電纜連接到閥門，流量計，傳感器等，來采集現(xiàn)場信號。,管路系統(tǒng)示意圖,啟泵停泵過程,啟泵過程：當水倉水位達到高位限值時，PLC程序自動發(fā)出開泵指令。首先開啟抽真空射流泵進出口電動球閥，利用真空泵抽真空,將水泵吸水管內(nèi)空氣抽出，并利用大氣壓力將吸水井內(nèi)的水壓入泵體；泵體充滿水后（壓力變送器檢測）即可自動起動高壓電動機，并監(jiān)測水泵出口壓力，達到額定值后，自動開啟出口電動閘閥，完成水泵的自動起動過程。 停泵過程：當水倉水位低到低位限值時，PLC程序自動發(fā)出停機指令，首先關閉出口電動閘閥，防止水錘沖擊水泵，電動閘

7、閥關閉到位后自動停止主排水泵及升壓泵，此時電動閘閥全閉，為下次開泵作準備。,控制系統(tǒng)功能,顯示和控制功能 在操作站上顯示井下水泵房水泵的動態(tài)流程圖、水泵控制流程圖、工藝參數(shù)表、電氣參數(shù)設備運行狀態(tài)（工作、停止、故障）以及報警參數(shù)等。 在自動控制時，根據(jù)水倉水位的高低、井下用電負荷的高、低峰和供電部門規(guī)定的平段、谷段、峰段供電電價時間段等因素，建立數(shù)學模型，合理調度水泵自動準確發(fā)出啟、停水泵的命令，控制水泵高效地經(jīng)濟運行，即水泵具有輪值工作特性。其中以水位控制為優(yōu)先。 軟起時軟起和旁路的高爆具有聯(lián)鎖功能。也可直接啟動（特殊情況下） 預留與礦井調試室或機電設備管理服務器聯(lián)網(wǎng)的接口。,控制系統(tǒng)功能,

8、參數(shù)采集 采集井下水泵房的電氣和機械設備的工藝參數(shù)和電氣參數(shù)以及各臺水泵和閘閥運行的狀況。具體為： 模擬量檢測的數(shù)據(jù)主要有：水倉水位、電機工作電流、電壓、功率、電機軸承溫度、電機溫度、水泵軸承溫度、水泵吸水管真空度及水泵出口壓力、排水管流量。 數(shù)字量檢測的數(shù)據(jù)主要有：水泵高壓啟動柜（包括高壓軟啟動器）的狀態(tài)（工作、停止、故障）、閘閥的工作狀態(tài)與啟閉位置（全開、全關、過力）、真空泵工作狀態(tài)（工作、停止、故障）等。,控制系統(tǒng)功能,報警和保護功能 水泵軸承和電動機超溫保護：水泵長期運行，當電動機軸承溫度或定子溫度及水泵軸承溫度超出允許值時，通過PLC 實現(xiàn)超限報警和停機。并在自動情況下切換到另外的水

9、泵運行。 流量保護：當水泵啟動后或正常運行時，如流量達不到正常值，通過PLC裝置使本臺水泵停車，自動轉換為啟動另一臺水泵，同時發(fā)出故障報警信號。 出水壓力保護：當水泵啟動后或正常運行時，如壓力達不到正常值，通過PLC裝置使本臺水泵停車，自動轉換為啟動另一臺水泵，同時發(fā)出故障報警信號。,控制系統(tǒng)特點及結論,1、系統(tǒng)具有四種工作方式：就地、半自動、自動和遠程方式。 就地方式為故障檢修和手動試車時使用，通過就地控制箱來實現(xiàn)對水泵的操作； 半自動工作方式時，由操作人員選擇某臺或幾臺泵組投入工作，PLC自動完成已選泵組的啟停和監(jiān)控工作；,控制系統(tǒng)特點及結論,自動方式時，由PLC檢測水位及有關信號，自動完

10、成各泵組運行，不需人工參與；當某臺水泵及其附屬設備發(fā)生故障時，該泵將自動退出運行，不影響其它泵組正常運，以保證系統(tǒng)安全可靠。 遠程方式時，井上相關人員可直接根據(jù)現(xiàn)場情況控制操作。 在各水泵運行的狀態(tài)下，可以根據(jù)實際需要，將水泵的幾種控制方式自由的進行切換，而這種切換不會影響已經(jīng)運行的水泵，達到真正的無縫銜接。,2、可實現(xiàn)地面微機監(jiān)控及微機遠控，礦局域網(wǎng)內(nèi)其他計算機可通過IE瀏覽器輸入本計算機的IP地址，來查詢中央水泵系統(tǒng)運行的詳細信息和數(shù)據(jù)。,3、 基于PLC的程序結構具有清晰、簡捷、易懂，便于模擬調試，運行速度快等特點；結構簡單，維修方便，實現(xiàn)系統(tǒng)、元件、參數(shù)、故障等屏幕顯示，并且利用PLC控制柜上的觸摸屏，可實現(xiàn)界面切換、系統(tǒng)巡查、故障