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科学技术论文

基于用电避峰填谷的小河嘴煤矿主排水监控系统

时间:2019年12月13日 所属分类:科学技术论文 点击次数:

摘要:为满足小河嘴煤矿排水系统实现自动化控制及用电管理的需求,设计并建设一套矿井主排水监控系统。介绍了基于PLC控制器监控系统的工作原理。从主要设备构成、数据结构、控制算法流程等方面详细分析了主排水监控系统设计及建设中需要注意的问题,以及基本

  摘要:为满足小河嘴煤矿排水系统实现自动化控制及用电管理的需求,设计并建设一套矿井主排水监控系统。介绍了基于PLC控制器监控系统的工作原理。从主要设备构成、数据结构、控制算法流程等方面详细分析了主排水监控系统设计及建设中需要注意的问题,以及基本原则。对需求中出现的用电避峰填谷问题进行了深入分析,提供了解决方案并加以实施。

  关键词:主排水监控系统;水泵房监测;PLC;自动控制;用电避峰填谷

煤矿排水系统

  矿山开采中,一般均需建设排水系统处理地下涌水。通过在不同水平工作面设置的泵站,将水仓中收集的水排放至地面的水池或排水渠。传统的泵站采用各种机械表对泵站的管路系统进行监测,由人工进行水仓液位的观察,对不同液位执行泵的灌引水、开启、关闭等工艺流程,人力成本高。随着矿山生产技术的提高,自动化技术在生产中得到大量应用,通过增加传感器、控制器等设备,可以对传统的泵站进行自动化改造,对泵站进行远程监控,实时监控,从而降低人员劳动强度,节约人力成本。

  利用先进的计算机技术,可以对泵站的各项参数进行完善的监测,统计,便于技术人员对泵站的运行情况、涌水情况进行数据的深入分析与挖掘,从而对生产状况有更完善的掌握,从而做出各种决策:如合理分配设备运行、检修时间等,能够减小泵站运行维护时间,降低人力成本,减少泵站运行维护的总体成本,带来一定的经济效益[1-4]。

  1系统原理及主要设备构成

  小河嘴煤矿位于四川省达州市,中央水泵房有3台水泵,2条出水管路,1个水仓。在地面出口有排水渠,在地面山顶有千吨水池。

  1.1系统原理

  系统以可编程逻辑控制器为核心,配合不同的传感器,对整个中央水泵房的各种参数如水仓液位、出水管压力、出水管流量、电机运行状态、真空泵及真空管路状态等等进行监测。各工况参数进入PLC中进行综合分析、处理,按相应工艺流程将逻辑运算的结果输出至电动阀门及高压开关,控制相应的管路切换、泵的启停,以实现无人值守的工作目的。

  1.2系统的构成

  主排水监控系统的主要设备分为3个部分:1)调度室部分。设置工控机,部署组态软件,作为地面监控核心,负责与地面千吨水池PLC、井下中央水泵房PLC进行通信,采集相应的工况参数,同时提供人机界面,供调度员进行系统的参数监测及远程操控。2)千吨水池部分。设置PLC采集箱及在水池中设置安装液位传感器、浮球开关传感器,对水池液位进行监测,监测数据由现场PLC采集箱进行采集,处理,传输至井下PLC控制箱中进行统一处理。3)井下中央水泵房部分。设置隔爆PLC控制箱作为主控制器,对现场设备、传感器进行监控,根据所有工况参数,进行逻辑算法处理,然后通过继电器触点输出,控制各阀门控制器、隔爆开关,切换相应管路,完成泵的启停等工作;在出水管路上,设置电动阀门,以实现管路的自动切换;设置真空管路及水环泵,在泵启动之前进行灌引水工作;在泵的进水口及出水口设置负压传感器、正压传感器,对泵的工作状态进行监测;水环泵及水泵的电机进线安装开停传感器检测运行状态;设置1台本安操作台,通过其上的文本显示器显示当前设备的运行工况参数,同时提供操作按钮;设置隔爆网络摄像仪对整个水泵房进行图像采集工作,图像数据直接进入交换机,由上位机进行处理。

  1.3系统的功能

  1)监测功能。监测水仓水位、流量、压力、真空度、温度、闸阀状态等一系列参数。2)实时数据采集、处理、显示及打印功能,具有历史记录查询功能。3)保护功能。①超温保护:当水泵电动机轴承温度或定子温度超出预设的允许值时,系统通过温度监测系统及时进行预警,报警停机[5-7];②运行失压保护:当水泵启动后或正常运行时,依据水泵出口的压力以及管路流量传感器的监测,对水泵的失压状态进行判别,及时有效的进行报警并停车操作,避免产生因水泵空转导致的设备故障。

  4)具有故障类型和地址识别功能,系统对传感器故障、阀门故障、运行工况参数异常等故障进行分类,并进行识别,使用汉字及语音提示故障信号以及故障位置信息,便于系统故障排查及维护。5)控制功能。①控制级别分为就地、就地集中和远程集中控制,其优先级别为就地最高、其次就地集中控制,再次远程集中控制;②实现自动、半自动、手动3种操作方式,并智能实现工作、备用和检修3种工作方式;③对水泵电机的开停、真空泵电机的开停、各电动闸阀的开关、各电磁阀的开关控制;④系统根据水位和水泵连续工作时间控制原则,自动实现水泵的轮换工作,均衡分配水泵运行时间。

  6)系统自动检测水位信号,计算单位时间内不同水位段水位的上升速率,从而判断矿井涌水量,自动投入和退出水泵运行台数,合理地调度水泵运行。7)避峰填谷功能。系统根据电网负荷以及矿方所规定的平段、谷段、峰段供电时间段,以“避峰填谷”原则确定开、停水泵时间,从而合理地利用电网电力,提高矿井的电网运行质量。

  2系统主要设计

  2.1避峰填谷

  本系统中的避峰填谷模式以水仓液位为基础,设置了4条位置线:最高限,次高限,次低限和最低限。其中最高限是水仓的最高水位,一旦水位达到此位置,必须无条件启动水泵,以保障矿井的安全生产。最低限是水泵排水管的低水位余量,一旦液位达到最低限,必须停止水泵的运行,否则抽水管容易进气,导致水泵发生掉水现象,造成设备损坏。最高限和最低限依据现场环境设定。次高限和次低限由水仓水位变化的历史数据分析而定。

  避峰填谷的核心思想就是在用电高峰时段,在保障安全生产前提下,尽量缩短泵的运行时间;在用电谷底时间,尽量延长泵的运行时间,尽量让水仓保持在低液位。当主排水系统工作于用电高峰时段,在水仓液位达到最高限时,才启动水泵。随着水仓液位的下降,当达到次低限时,即关闭水泵。让水仓液位尽可能保持在一个较高的水平;当主排水系统工作于用电谷底时段,当水仓液位达到次高限时,即启动水泵。一直排水,直到水仓液位下降至最低限时,才关闭水泵。

  另外,在水泵已经启动的情况下,如果涌水量增加,导致在一定时间内水位不降或上涨,则增加启动泵的台数。在用电高峰时段,尽量单泵运行,直到水位继续维持上限,才继续启动1台水泵;在用电波谷时段,则不受此限制,会继续启动水泵。当已有2台泵运行,液位出现明显下降趋势时,则关闭1台泵。

  2.2数据流向

  因为水泵房监测参数较多,而防爆PLC监控箱的容量有限,因此在水泵房内设置2台防爆PLC控制箱,用于现场的监测监控。地面千吨水池位于地面山坡,距离井下位置较远,同时又是非防爆设备,因此数据流向上,将处于调度室的上位工控机作为千吨水池和水泵房的数据转换中心,由调度室工控机与千吨水池的PLC箱进行通信,获取液位信息后,将数据实时写入水泵房的PLC监控箱中。

  水泵房的PLC监控箱采用主从站结构,由主站作为主控,进行数据采集与逻辑运算,从站中只负责数据采集与控制状态输出[8-10]。主从站之间使用通讯电缆连接,进行西门子的PROFIBUS通信以进行数据的交换。其中,工控机上的组态软件通过以太网读取千吨水池监测PLC的数据,然后将数据通过环网平台,实时写入水泵房的防爆PLC主站的数据区中,进行处理;隔爆PLC监控主站开辟数据区2,用于与PLC从站进行数据交换。西门子PLC的开发环境中提供了2条命令,可以直接用于PROFIBUS的主从站通讯,其中NETR命令用于读取从站中的数据,NETW命令用于将主站的控制数据写入从站。

  2.3调试

  系统各硬件安装完毕,分别检验其功能。PLC核心控制程序采用模块化设计,按流程图将不同功能细分为模块,针对具体功能模块进行细化开发,模块间使用相应的接口参数进行数据交换,最终进行整合。这样可以简化程序开发环节,程序开发直观、简明,调试亦方便。

  3结语

  依据小河嘴煤矿主排水系统现场的实际环境,以及对应的需求,进行了深入细致的分析,制定出较为合理的整体解决方案并且对方案中的架构、数据流向进行了详细探索。实际项目经过了长期应用,实现了排水系统的有效监控,有效减轻了人员工作量,提高了煤矿生产效率。

  参考文献:

  [1]侯立泉,刘杰辉.煤矿主排水系统的现代化改造[J].煤矿机械,2010,31(6):163-164.

  [2]李亚哲.煤矿井下主排水系统工艺流程及其自动控制系统设计[J].工矿自动化,2011(5):15-18.

  [3]杨晓辉.煤矿排水监控系统冗余可靠性设计[J].煤矿安全,2014,45(7):109-111.

  [4]白晶.煤矿自动排水系统的应用[J].煤矿机械,2012,33(8):224-226

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