基于PLC的矿井自动化排水系统

基于plc的矿井自动化排水系统
技术领域
1.本发明涉及自动控制技术领域，具体来说，是基于plc的矿井自动化排水系统。


背景技术：

2.目前，我国的矿井自动化排水系统质量参差不齐，只存在极少数矿井能够实现井下排水自动化功能，有的矿井只能实现半自动化。矿井整体的自动化水平就受到了一定程度的限制，致使矿井生产、人员安全受到了非常大的影响。排水系统自动化程度仍然很低、设备可靠性依然不高、运行成本高、处理复杂情况性能差，远不能满足排水系统智能化的要求。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供基于plc的矿井自动化排水系统，以解决现有技术中存在的问题。
4.本发明的目的是这样实现的：基于plc的矿井自动化排水系统，包括：
5.带有触摸屏的plc主控制器；
6.矿用综合控制器，所述矿用综合控制器具有中央处理器、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块，所述数字量输入模块、模拟量输入模块的输出端接中央处理器，所述中央处理器接数字量输出模块以控制各类阀门、开关，所述中央处理器与plc主控制器电信号连接以将数据传输到plc主控制器；
7.信号转换器，所述信号转换器与若干传感器电信号连接以接收传感信号，并将传感信号输出到模拟量输入模块。
8.进一步地，所述矿用综合控制器的模拟量输入模块接入的信号包括压力信号、水仓液位信号、水泵输出信号、电机绕组温度信号、电源电压信号、负载电机工作信号。
9.进一步地，所述数字量输入模块接入的信号包括水位开关信号、控制方式选择信号、水泵电机启停信号、报警信号、急停信号，以及射流泵水管电动开关反馈信号，所述数字量输出模块输出的信号包括水泵电机开关信号、压力输出信号、报警开关信号，以及射流泵与排水管电动闸阀控制信号。
10.本发明的有益效果在于：
11.在设计矿井排水系统的总体方案时，根据煤矿的现场的地质条件，分析可能会存在突发透水风险，系统地实时监测涌水速率，从而有效防止问题的发生。此设计充分提高了生产的安全性，能够解决突发透水问题，进一步保障了工人的安全。
附图说明
12.图1是本发明的系统布置图。
13.图2是主排水系统自动控制结构图。
14.图3是软启动器电气原理图。
15.图4是超声波液位计检测原理图。
16.图5是压力传感器应变单元原理。
17.图6是排水系统的过程图。
18.图7是轮换工作中水泵启停控制图。
19.图8是主画面。
具体实施方式
20.下面结合附图1-8和具体实施例对本发明进一步说明。
21.如图1、2所示，提出了一种基于plc的矿井自动化排水系统，包括：
22.带有触摸屏的plc主控制器；
23.矿用综合控制器，所述矿用综合控制器具有中央处理器、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块，所述数字量输入模块、模拟量输入模块的输出端接中央处理器，所述中央处理器接数字量输出模块以控制各类阀门、开关(执行设备)，所述中央处理器与plc主控制器电信号连接以将数据传输到plc主控制器；
24.信号转换器，所述信号转换器与若干传感器电信号连接以接收传感信号，并将传感信号输出到模拟量输入模块。
25.其中，所述矿用综合控制器的模拟量输入模块接入的信号包括压力信号、水仓液位信号、水泵输出信号、电机绕组温度信号、电源电压信号、负载电机工作信号。所述数字量输入模块接入的信号包括水位开关信号、控制方式选择信号、水泵电机启停信号、报警信号、急停信号，以及射流泵水管电动开关反馈信号。所述数字量输出模块输出的信号包括水泵电机开关信号、压力输出信号、报警开关信号，电动闸阀控制信号。
26.系统采用结构化设计，遵循“避峰填谷”的原则，合理安排水泵工作时间。根据水泵的逻辑控制，建立水泵轮替工作制，将使用周期延长。为提高整个系统的安全性，改造了排水系统的手动闸阀，实现了闸阀的自动启闭。系统控制模式有四种，分别是就地手动、就地自动、远程手动、远程自动，上述模式可根据工况进行切换。
27.排水系统组成结构包括：矿用综合控制器、信号转换器、plc主控制柜、正负压传感器、超声波流量传感器、mcgs组态软件、电动闸阀、射流泵、潜水泵等。主排水系统具有以下功能：数据的采集与监测、水泵控制、自动注水、闸阀控制、电机自动控制、参数显示、通讯系统、保护电路等。
28.如上所述的基于plc的矿井自动化排水系统，排水系统控制箱型号为kxb-18/660s，系统总共使用的台数是三台，水泵启动设备使用的是矿用安全型软启动器。排水系统使用各类传感器进行监测，主要监测以下因素：
29.(1)水仓水位
30.本系统水仓水位监测设备如下：超声波液位计、数字式水位开关。超声波液位计和数字式水位开关分别安装在水仓水位之上、水仓中。他们的功能分别是：连续水位监测、提供报警与保护。
31.(2)流量监测
32.为提高检测排水管流量的准确度，系统选用电磁流量计。电磁流量计由以下部分组成：电磁流量转换器、电磁流量传感器。电磁流量转换器供给电磁流量传感器电能。电磁
流量计用于plc485模块通讯，plc可取得实时流量情况。
33.(3)温度监测
34.为提升温度检测的可靠性能，系统选用热电阻传感器。热电阻传感器具有以下特点：耐酸碱、输出信号接近线性、化学元素稳定。系统的电流信号一般由电阻信号转变。plc可对温度进行显示。
35.(4)压力监测
36.本课题对压力检测元件的要求比较严格，所以选用gyd60-y2型矿用本安压力传感器，主要用于检测管口压力，提供水泵和电动闸阀的开通与关断信号。
37.(5)电机电流与电压检测
38.控制电路的损耗来自以下方面：电机过载、启动瞬间过流。为保证系统的运行，监控设备采用互感器。当电流信号大于额定值时，系统切断电机电路。系统选用0至5a的电流互感器和0至5v的电压互感器，经过互感器作用，从而将信号传输至plc中。
39.如上所述的基于plc的矿井自动化排水系统，plc构成了自动运行控制及信号采集系统，本系统由一台plc柜控制三台水泵。中央控制单元选用可编程控制器西门子s7-1200系列。组成模块有以下部分：通讯模块、模拟量模块、以太网通讯模块、开关量模块等。供电主要来自于开关电源，开关量的信号经过端口电路转变为标准电信号。为符合矿井设备的要求，总控装置收到的信号需电气隔离，加装电流隔离栅，并使用本安电源供电。模拟量模块收到的模拟量是电流信号，模拟量的参数主要有以下各部分：电机绕组温度、正负压力、水泵轴温。当模拟量是电压信号时，模拟量的参数由以下各部分组成：负载电流、启动电压。中央变电所隔离变压得到系统水泵控制装置的额定电压(127vac)，127vac给如下设备供电：开关电源、plc控制柜、数字流量计、本安电源等。本安电源给电流隔离栅供电，开关电源给触摸屏、以太网通讯模块供电。
40.如上所述的基于plc的矿井自动化排水系统，使用s7-1200编程进行变量地址分配，地址关联上位机界面，实现自动控制、实时检测功能。编写控制程序时，水仓需设置6个水位点，将水仓划成7个区域。部分水位点对应功能如下：1号用于水仓底部、2号是预警、6号是极限水位。系统要求正常情况下，水位必须在6号水位点之下。开启水泵台数一般情况下由水仓水位决定，设置不同的水位点高度，从而达到检测的要求。为实现系统的功能，每个区域水位上升的平均速率是每个区域的高度与该区域水位上升时间相除。通过此计算方法即可得到7个区域的水位上升的平均速率，这7个区域由低到高排列。数据寄存器存取计算过的平均速率，数据寄存器的数据可得到水仓平均涌水速率，程序中的数据库得到系统的涌水速率区间，程序判别记录的数据，对水泵进行启动。为遵守“避峰填谷”的原则，需要使用plc进行时钟控制。供电系统的用电时段如下：第一、谷段；第二、峰段；第三、平段。时段界限主要是时和分决定，普遍情况会有两个用电峰段。寄存器中会存储峰段相应的时间段数值，谷段与平段也是用这样的方法。当用电是“谷段”和“平段”时，系统会有如下几种情况：水仓水位升至4号点，则水泵排水；水位升至五号点，备用泵排水；水位升至6号点，则系统停止排水，工人检修水泵。当发生上升速率过于快速的情况，需要加上启动潜水泵。排水作业后，水仓水位必须在2号点以下。
41.在进行程序设计过程中，数据寄存器被一直使用，数据寄存器的主要功能如下：第一、存储水泵运行时间；第二、存储水泵运行次数。水泵的启停依据是寄存器数据，被启动的
水泵有以下特征：第一、运行次数少；第二、运行时间少。水泵工作中遇到故障，则系统首先停止离心泵并报警，然后启动其余排水泵排水。编写的程序中设置时钟存储器，计数器累计振荡次数(泵的运行时间)。工作过程如下：首先水泵启动，计数器累加水泵运行时间；然后计数至水泵停止，并且数据存储器存储数据。plc辅助继电器控制离心泵的启停，水泵的启停顺序依据是时间长短。
42.本系统通过使用组态软件进行主排水系统的控制功能，为容易掌控现场，且提高准确性，设计画面必须遵循色彩鲜艳的原则。系统画面包括主画面、主排水系统参数显示等。
43.在设计矿井排水系统的总体方案时，根据煤矿的现场的地质条件，分析可能会存在突发透水风险，系统实时监测涌水速率，从而有效防止问题的发生。此设计充分提高了生产的安全性，能够解决突发透水问题，进一步保障了工人的安全。电动闸阀由改造的手动闸阀得到，电动闸阀的启闭由plc控制。s7-1200plc是本系统的中央控制器，主控系统的硬件设计依赖系统的软启动器、综控箱、传感器和plc控制模块等，对其进行筛选和点数分配，完成硬件设计。结构化的系统按照严谨的“避峰填谷”的原则，通过建立相应的排水模型以达到经济的要求。
44.如图2所示，主排水系统自动控制结构主要负责：数据采集与检测、水泵控制装置、自动注水、闸阀控制、电机自动控制、参数显示环节、通讯系统、保护功能等。提供就地手动、就地自动、远程手动、远程自动四种模式。中央控制plc随时监测水仓水位的变化情况，按照排水的要求，监控软件主要设定排水的水位值。当水位达到预期值时，plc进行如下操作：首先开启射流泵，然后通过射流泵抽出空气，从而使水泵真空。当能达到预期值时，压力传感器向plc传输信号，plc根据接收的信号，启动水泵电机。当水仓水位达至低液位时，系统发送关断指令。关断指令下达后，系统在工人的操作下会有如下情况：首先为防止水锤效应的产生，关闭电动闸阀保护水泵，从而停止水泵电机工作，做好下次开泵准备。
45.排水系统部分硬件装置如图3所示，主要控制各自的水泵控制单元，当需要就地或远程控制时，系统通过综控箱完成相应水泵的启动过程和控制过程。软启动器主要为了软停止、旁路切换、保护、软启、限流。为加强水仓水位检测，提供报警与保护，系统设置有超声波液位检测，原理如图4。为更好对管口压力进行检测，安装有gyd60-y2型矿用本安压力传感器，其原理如图5所示。
46.自动排水系统的软件设计如下，首先对主排水系统程序变量进行相应的分配，以三号泵举例，合理水泵的变量地址分配。为充分遵循“避峰填谷”的原则，对该原则进行相应的模型搭建，具体流程如图6所示。因为系统是三台水泵进行相应的排水控制，水泵的启停显得尤为重要，plc辅助继电器控制离心泵的启停，水泵的启停顺序依据是时间长短，启停流程如图7所示。
47.为满足人机交互的要求，方便是用户与自动排水系统的交互，使用mcgs组态软件进行对应的显示，具体交互界面的显示如图8所示。
48.以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护范围之内。