煤礦井下水泵監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研究

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摘要：以哈拉溝煤礦井下用水泵為參考，介紹了水泵工作過程，設(shè)計了一款基于MCGS人機界面的煤礦井下水泵監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以西門子S7-200SmartPLC為控制核心。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行正常，滿足井下煤礦環(huán)境要求，提高了井下排水工作的穩(wěn)定和可靠性。

關(guān)鍵詞：MCGS；井下水泵；監(jiān)控系統(tǒng)；PLC

引言

當(dāng)前，礦山集約化水平正在提高，改善了生產(chǎn)設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，并且需要監(jiān)視系統(tǒng)及時、準確地監(jiān)視設(shè)備的運行狀態(tài)。以哈拉溝煤礦傳統(tǒng)的井下水泵控制系統(tǒng)為例，其水泵控制系統(tǒng)主要由人為控制，存在能源浪費、工作效率低、人力資源浪費等問題。因此，為解決這些問題，開發(fā)了一款井下水泵自動化監(jiān)控系統(tǒng),可視化程度高，操作方便，可廣泛應(yīng)用于大型煤礦的井下自動水泵安全監(jiān)控管理系統(tǒng)。1離心式水泵工作過程離心式水泵主要由葉輪、進出水管、泵殼、泵軸等部分組成，如圖1所示。泵體內(nèi)需充滿水方可啟動水泵，其工作原理是通過電機帶動葉輪，旋轉(zhuǎn)的葉輪帶動泵殼中的水高速轉(zhuǎn)動，水將做離心運動進入到螺旋形泵殼，葉輪進口管處構(gòu)成真空。因此，水在大氣壓強之下經(jīng)過進水管壓入水泵，壓入到水泵的水與泵內(nèi)葉輪同時旋轉(zhuǎn)，由于泵殼為螺旋狀，水沿著葉輪螺旋上升時，其斷面層則由小逐漸變大，水的流速也開始減慢，隨后泵的動能逐漸減小，將泵中的水流壓入到排水管，連續(xù)循環(huán)，從而實現(xiàn)排水工作。

2監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計

（1）水位監(jiān)測排水系統(tǒng)的主要功能是將水倉內(nèi)積水轉(zhuǎn)移到地表，通過傳感器收集水倉水位信息，傳遞到PLC分析和監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)，并判斷是否發(fā)出啟動和停止水泵的命令；（2）液位監(jiān)測在電動機啟動之前，離心式水泵的泵體內(nèi)必須注滿水。若泵體內(nèi)未能注滿水，將導(dǎo)致嚴重的后果，例如電動機干燒以及電動機內(nèi)氣體渾濁等，因此在水泵上加裝液位監(jiān)測；（3）流量和壓力監(jiān)測水泵在運行過程中需要實時監(jiān)測泵內(nèi)的水壓以及監(jiān)測流量，避免因為水泵壓力過高或者流量超過規(guī)定范圍而對水泵及相關(guān)設(shè)備造成影響。

3水泵監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

水泵監(jiān)控系統(tǒng)主要由水泵壓力監(jiān)控模塊、水泵流量監(jiān)控模塊、水泵注水液位監(jiān)控模塊、水倉水位監(jiān)控模塊、人機界面和主控制器PLC六大部分組成。監(jiān)控模塊能夠監(jiān)測水泵在運行過程中的信號并傳遞給PLC。PLC用來輸入信號和對信號進行加工處理，通過相應(yīng)的編程來輸出控制信號給監(jiān)控模塊，從而達到對水泵的監(jiān)控。人機界面用來實時顯示水泵運行的狀態(tài)信息。水泵監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖2所示。（1）總體要求在打開水泵之前，先打開注水裝置。當(dāng)水泵液位達到標準時，水泵開始運行，流量監(jiān)控模塊實時監(jiān)測水泵流量，工作人員也可以根據(jù)工作狀況調(diào)節(jié)流量閥，進而控制工作效率。當(dāng)水倉的水位達到要求時，自動將水泵關(guān)閉。當(dāng)泵在壓力或者流量超過指定值運行時，將發(fā)出警報信號，操作人員需立即使故障泵停泵并離開當(dāng)前工作組。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。（2）傳感器選型傳感器的工作是收集信息，其中水倉的水量、泵的流量和出水口水壓都必須準確記錄。因此需滿足以下條件：①選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅髯x數(shù)（傳感器讀數(shù)應(yīng)略高于實際測量范圍），如果測量的區(qū)域太大而無法被傳感器識別，則將出現(xiàn)嚴重誤差，可能會嚴重損壞傳感器；②傳感器的靈活性非常重要，高度靈活的傳感器用于檢測系統(tǒng)關(guān)鍵信息，以確保系統(tǒng)沒有危險，有效地保證系統(tǒng)測量的準確性。①水位計水倉水位作為排水系統(tǒng)的主要監(jiān)測參數(shù)，通過雙水位傳感器可以確保大多數(shù)排水系統(tǒng)內(nèi)水位數(shù)據(jù)的可靠性。超聲波流動傳感器不需要接觸水倉內(nèi)的水，只需將其直接放在整個水倉頂部位置即可準確測量水倉水位。②水流量傳感器系統(tǒng)選擇超聲波水表作為水量檢測器，無需破管，超聲波水表的工作原理是超聲波在流體中前進和后退時的速度是不同的，因此在相同距離傳播時會產(chǎn)生時間差。該時間差與液體的流速成正比，因此可以通過測量時間差來獲得液體的流速，進而測得液體流量。流量計工作原理簡圖如圖4所示。③壓力傳感器壓力傳感器自動監(jiān)測出水口處的水流壓力，以保證水泵在運行過程中水壓保持穩(wěn)定。④液位傳感器液位傳感器主要用來測量水泵內(nèi)水的液位，以確保水泵開啟條件達到要求，進而啟動電機,這里采用非接觸式液位傳感器。根據(jù)上述條件，結(jié)合煤礦用水泵的管道直徑、壓力和流量范圍，選擇傳感器的型號如表1所示。（3）主控制器PLC選型選擇控制器時，需考慮以下因素：①在滿足控制要求的前提下，適應(yīng)在井下大負荷、長期、惡劣的環(huán)境中持續(xù)穩(wěn)定有效工作，以確保整個系統(tǒng)在運行期間保持穩(wěn)定；②性價比高，節(jié)約成本；③在輸入和輸出期間，保留15％～30％裕量，目的是在以后更好地修改和維護。綜合考慮上述因素，為此選擇的控制器是西門子S7-200SmartPLC，CPU為ST20，適應(yīng)性強，操作智能化，這些特性足以使系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。（4）顯示設(shè)備選用本文設(shè)計使用了昆侖觸摸屏，主要用于工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)監(jiān)測與接收、以及前端信息的控制與處理。它的優(yōu)點主要包括時間控制準確性高、響應(yīng)迅速、能夠高質(zhì)量地完成各種高速采集工作，并實現(xiàn)實時控制的功能。

4水泵監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計仿真

（1）PLCI/O口地址分配在水泵監(jiān)控系統(tǒng)中，下位機是連接4種傳感器和上位機的紐帶，下位機指令的傳遞使信號的傳輸、顯示和控制命令的傳遞、動作得以完成。西門子S7-200SamrtPLC將傳感器采集的模擬量進行分析處理，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳遞給上位機。PLC對資源分配的方法是自動分配地址，CPU的I/O口是固定不變的地址，地址從0字節(jié)開始分派，直至分派完畢。水泵監(jiān)控所關(guān)聯(lián)的監(jiān)測參數(shù)和電氣設(shè)備開關(guān)在PLC的I/O地址資源分配如表2所示。（2）監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試仿真水泵監(jiān)控系統(tǒng)完成設(shè)計之后，為了進一步驗證該設(shè)計的實用性和穩(wěn)定性，使用MCGS組態(tài)軟件進行聯(lián)合仿真。下位機的連接和配置按照水泵的工作原理依次安裝，以使傳感器采集的數(shù)據(jù)能夠及時、準確地傳遞到CPU中，并且通過MCGS顯示屏顯示。在進入MCGS組態(tài)界面后，選擇下載工程，再點擊啟動運行，系統(tǒng)進入仿真界面。井下水泵監(jiān)控系統(tǒng)仿真界面如圖5所示。

5結(jié)語

本文根據(jù)實際應(yīng)用情況對水泵自動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案進行了綜合考量，通過在水泵安裝4種傳感器，結(jié)合PLC等硬件配置，并使用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計了一套煤礦用井下水泵監(jiān)控系統(tǒng)，能夠把水泵的各項參數(shù)實時呈現(xiàn)給操作人員，保障水泵正常運行，對水泵出現(xiàn)問題進行報警處理。通過仿真證明該系統(tǒng)運行良好，并且能夠?qū)崟r顯示水泵工況信息，有效地減少了人力及事故的發(fā)生，為煤礦生產(chǎn)安全帶來了可靠的保障。

參考文獻：

［1］劉紅英.煤礦主排水系統(tǒng)自動化控制研究［J］.煤礦機械,2018,39(4):27-28.

［2］李建軍,李朝偉,周向紅.礦區(qū)井下水泵預(yù)警監(jiān)控平臺的研究與設(shè)計［J］.煤炭技術(shù),2017,36(3):204-206.

［3］張西新,邵國良.淺談礦山井下泵房自動化排水集控系統(tǒng)［J］.中國礦業(yè),2012,21(S1):542-545+549.

［4］唐輝輝.基于S7-1200的煤礦自動化排水系統(tǒng)設(shè)計［J］.煤礦機械,2019,40(7):182-185.

［5］劉會軍.一種基于控制序列的礦用水泵控制器邏輯編程技術(shù)［J］.工礦自動化,2014,40(10):106-108.

［6］楊曉輝.礦井多水平自動化排水控制系統(tǒng)［J］.煤礦安全,2014,45(8):122-125.

［7］董素玲.基于PLC和WinCC的礦山井下水泵自動監(jiān)控系統(tǒng)［J］.煤礦機械,2015,36(5):250-252.

作者：喬紅兵 焦峰 陳凱璐 王斌 侯全利 單位：中國礦業(yè)大學(xué)