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煤矿井下排水泵机组无人值守自动化系统的设计
[ 录入者:admin | 时间:2018-03-17 16:43:17 | 作者:熊树 | 来源:《电气技术》 | 浏览:648次 ]

以煤矿井下水泵机组控制系统为例,对传统的控制系统和无人值守控制系统进行比较,阐述了无人值守控制系统的优越性,并介绍了无人值守控制系统的设计方案以及系统的硬件和软件配置。

1 引言

传统的煤矿井下水泵机组控制大多是采用就地控制方式,即采用“值班人员+按钮+继电器”的控制方式,该控制系统存在以下的缺点和不足:(1)采取人工开、停泵的方法,造成人力资源的浪费;(2)硬件电路结构复杂,不便于维护,并且稳定性也差;(3)系统的实时性差,尤其是遇到水位突变的情况不能够及时处理;(4)调度中心不能及时清楚地了解到水泵的运行情况,只能通过电话联系井下值班人员来了解情况;(5)系统采用落后的“值班人员观测+指针表”参数采集方式,这就造成了参数精度低,不能精确地反映各变量的变化情况。

煤矿井下水泵机组电控系统为传统的控制系统,系统由5台矿用多级耐磨泵(MD500-57*8)配套5台电机(Y500-4,1120KW,6KV)组成,针对以上传统控制系统存在的问题,淘汰传统的控制系统势在必行。

随着数字技术和网络通讯技术的发展,组成一套无人值守控制系统已经成为可能,特别是可编程逻辑控制器和工业以太网在无人值守控制系统中的应用,它从根本上克服了传统控制系统的缺点,并且有着传统控制系统无法比拟的优点:(1)采取全自动运行的方法,节省人力资源;(2)硬件电路结构简单,便于维护,系统稳定性强;(3)系统的实时性强,遇到水位突变的情况能够及时处理;(4)采用先进的工业以太网,将系统组成一个局域网,使调度中心能及时清楚地了解到水泵的运行情况,便于煤矿生产的全局调控;(5)系统采用先进的“传感器+可编程逻辑控制器”参数采集方式,采集精度高,能够精确地反映各个变量的变化情况。

2、系统设计方案

无人值守控制系统由底层的可编程逻辑控制器(PLC)、执行机构、检测机构;上层的网络服务器以及客户端组成。可编程逻辑控制器(PLC)是通过工业以太网和西门子公司的OPC软件与网络服务器的连接的,网络服务器与客户端是由工业以太网连接的。具体的结构图如图1

图1 无人值守控制系统结构图

煤矿井下排水泵机组无人值守自动化系统的设计

2.1整体网络设计

该系统底层的可编程逻辑控制器带有工业以太网模块,在以太网模块与网络服务器之间由一个光电转换器,光电转换器将可编程逻辑控制器发出的电信号转换成光信号在光缆中传输;网络服务器1和网络服务器2互为热备用,在任一服务器出现故障时,系统能够正常运行,能够保证不影响生产;由于无人值守系统不只有水泵控制系统,还有包括主扇风机等一些控制系统,所以在网络服务器和客户端之间加有Dlink HUB,用来扩展网络接口;客户端能够实时地监测水泵的运行参数以及控制水泵的起停。

2.2 系统检测、执行机构设计

本系统检测机构包括负压检测机构、正压检测机构、流量检测机构、水位检测机构、温度检测机构。负压检测机构用于检测泵体内的负压值,这是由于离心式水泵在启动时必须将泵体内注满水,即将泵体内的抽为真空状态,即为-100KPa,所以负压检测机构选择量程为-100KPa~100KPa,输出电流为4~20mA的压力变送器。

正压检测机构用于检测水泵出水口的压力,由于该水泵机组的额定扬程为600米,实际工作扬程为400米,即为4MPa,所以正压检测机构选择量程为0~6.4MPa,输出电流为4~20mA的压力变送器;流量检测机构用于检测水泵排水的流量,为流量统计提供参数,流量计选择LCZ-803系列超声波流量计。

温度检测机构用于检测水泵和电机轴体的温度,是由热电阻和HB4901系列多路温度巡检仪构成,采用RS-485通信标准与就地控制箱中的CP340通讯模块通讯,将各检测点的温度发送到集中控制柜中CPU;水位自动监测环节的任务是根据水位的高低自动淮确发出开、停水泵命令。

水位传感器的可靠性和服确性直接影响整个系统的工作可靠性.为此选用超声波液位传感器.它具有高精度、非接触式、维护方便、安装容易、标定简单等许多优点。

执行机构包括电动球阀、电动闸阀和真空泵。执行机构中的电动球阀内部设有热保护、两个限位开关分别是开到位限位开关和关到位开关,采用交流220V供电;电动闸阀内部设有四个长闭接点,分别是两个转矩开关和两个行程开关,对闸阀电机进行保护和行程控制。

2.3 可编程逻辑控制器(PLC)设计配置

PLC是该无人值守统控制系统的核心,本系统选用S7-300可编程逻辑控制器其它模块配置,属于高档机。S7-300可编程逻辑控制器具有计算速度快,数据采集精度高等一系列优点,这就保证了控制的实时性,精确性。

2.3.1 西门子S7-300的硬件配置

该系统的PLC硬件是由一个主站和五个从站构成的Profibus-DP网络,其组态结构如图2。

图2 PLC组态结构图

煤矿井下排水泵机组无人值守自动化系统的设计

采用上述的Profibus-DP网络集散控制可以避免繁琐的硬件电路连接,既可以节省成本又可以节省人力资源,而且还提高了系统的可靠性,精确性。

主站PLC包括电源模块、CPU模块、数字量输入模块、数字量输出模块、A/D模块、通讯模块和工业以太网模块。电源模块将输入的交流电压转换成24V直流电压,为其他的模块供电;CPU模块用于控制总线上模块之间的数据传输,并且执行用户程序;输入模块用于将控制系统送来的外部数字信号电平转换成PLC内部信号电平,可输入32路24V开关量信号;输出模块用于将PLC内部信号电平转换成控制系统所要求的外部信号

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