煤礦井下水泵監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)了一款基于MCGS人機(jī)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(yùn)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(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)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(fèi)、工作效率低、人力資源浪費(fèi)等問題。因此，為解決這些問題，開發(fā)了一款井下水泵自動(dòng)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(dòng)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(jìn)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(dòng)水泵，其工作原理是通過電機(jī)帶動(dòng)葉輪，旋轉(zhuǎn)的葉輪帶動(dòng)泵殼中的水高速轉(zhuǎn)動(dòng)，水將做離心運(yùn)動(dòng)進(jìn)入到螺旋形泵殼，葉輪進(jìn)口管處構(gòu)成真空。因此，水在大氣壓強(qiáng)之下經(jīng)過進(jìn)水管壓入水泵，壓入到水泵的水與泵內(nèi)葉輪同時(shí)旋轉(zhuǎn)，由于泵殼為螺旋狀，水沿著葉輪螺旋上升時(shí)，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(dòng)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(shí)現(xiàn)排水工作。

2監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（1）水位監(jiān)測(cè)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(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，并判斷是否發(fā)出啟動(dòng)和停止水泵的命令；（2）液位監(jiān)測(cè)在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)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(yán)重的后果，例如電動(dòng)機(jī)干燒以及電動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體渾濁等，因此在水泵上加裝液位監(jiān)測(cè)；（3）流量和壓力監(jiān)測(cè)水泵在運(yùn)行過程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵內(nèi)的水壓以及監(jiān)測(cè)流量，避免因?yàn)樗脡毫^高或者流量超過規(guī)定范圍而對(duì)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(jì)

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(jī)界面和主控制器PLC六大部分組成。監(jiān)控模塊能夠監(jiān)測(cè)水泵在運(yùn)行過程中的信號(hào)并傳遞給PLC。PLC用來輸入信號(hào)和對(duì)信號(hào)進(jìn)行加工處理，通過相應(yīng)的編程來輸出控制信號(hào)給監(jiān)控模塊，從而達(dá)到對(duì)水泵的監(jiān)控。人機(jī)界面用來實(shí)時(shí)顯示水泵運(yùn)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，水泵開始運(yùn)行，流量監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jìn)而控制工作效率。當(dāng)水倉的水位達(dá)到要求時(shí)，自動(dòng)將水泵關(guān)閉。當(dāng)泵在壓力或者流量超過指定值運(yùn)行時(shí)，將發(fā)出警報(bào)信號(hào)，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(zhǔn)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(shí)際測(cè)量范圍），如果測(cè)量的區(qū)域太大而無法被傳感器識(shí)別，則將出現(xiàn)嚴(yán)重誤差，可能會(huì)嚴(yán)重?fù)p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(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵信息，以確保系統(tǒng)沒有危險(xiǎn)，有效地保證系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性。①水位計(jì)水倉水位作為排水系統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)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(dòng)傳感器不需要接觸水倉內(nèi)的水，只需將其直接放在整個(gè)水倉頂部位置即可準(zhǔn)確測(cè)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(cè)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(jìn)和后退時(shí)的速度是不同的，因此在相同距離傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生時(shí)間差。該時(shí)間差與液體的流速成正比，因此可以通過測(cè)量時(shí)間差來獲得液體的流速，進(jìn)而測(cè)得液體流量。流量計(jì)工作原理簡(jiǎn)圖如圖4所示。③壓力傳感器壓力傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)出水口處的水流壓力，以保證水泵在運(yùn)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(cè)量水泵內(nèi)水的液位，以確保水泵開啟條件達(dá)到要求，進(jìn)而啟動(dòng)電機(jī),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(hào)如表1所示。（3）主控制器PLC選型選擇控制器時(shí)，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(fù)荷、長(zhǎng)期、惡劣的環(huán)境中持續(xù)穩(wěn)定有效工作，以確保整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行期間保持穩(wěn)定；②性價(jià)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(hù)。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(qiáng)，操作智能化，這些特性足以使系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。（4）顯示設(shè)備選用本文設(shè)計(jì)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(cè)與接收、以及前端信息的控制與處理。它的優(yōu)點(diǎn)主要包括時(shí)間控制準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制的功能。

4水泵監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真

（1）PLCI/O口地址分配在水泵監(jiān)控系統(tǒng)中，下位機(jī)是連接4種傳感器和上位機(jī)的紐帶，下位機(jī)指令的傳遞使信號(hào)的傳輸、顯示和控制命令的傳遞、動(dòng)作得以完成。西門子S7-200SamrtPLC將傳感器采集的模擬量進(jìn)行分析處理，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳遞給上位機(jī)。PLC對(duì)資源分配的方法是自動(dòng)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(cè)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(jì)之后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的實(shí)用性和穩(wěn)定性，使用MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真。下位機(jī)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(shí)、準(zhǔn)確地傳遞到CPU中，并且通過MCGS顯示屏顯示。在進(jìn)入MCGS組態(tài)界面后，選擇下載工程，再點(diǎn)擊啟動(dòng)運(yùn)行，系統(tǒng)進(jìn)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(shí)際應(yīng)用情況對(duì)水泵自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)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(jì)了一套煤礦用井下水泵監(jiān)控系統(tǒng)，能夠把水泵的各項(xiàng)參數(shù)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)給操作人員，保障水泵正常運(yùn)行，對(duì)水泵出現(xiàn)問題進(jìn)行報(bào)警處理。通過仿真證明該系統(tǒng)運(yùn)行良好，并且能夠?qū)崟r(shí)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。

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作者：?jiǎn)碳t兵 焦峰 陳凱璐 王斌 侯全利 單位：中國礦業(yè)大學(xué)