摘 要: 采用PLC作為控制器,用投入式液位變送器監(jiān)測水位,結(jié)合相應的控制電路組成排水監(jiān)控系統(tǒng),用電動執(zhí)行閥、電動球閥等作為執(zhí)行部件,完成對泵站系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)經(jīng)實際運行表明,數(shù)據(jù)傳輸準確,運行可靠、節(jié)能。
1 雙環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計
(1)主要特點
在多節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中,每臺光端機電接口設(shè)置一個RS-232或者RS-485/422設(shè)備,而雙環(huán)的概念就是通過光端機上的2個獨立光口串接成2個光纖環(huán)路,環(huán)路自診自愈,當一個環(huán)路故障時,另一環(huán)路可及時替換,各從站故障、掉電、斷纖時自動切除,故障恢復后自動投入。雙環(huán)自愈光端機特點為:
1)光纖鏈路故障時,自診自愈,各從站故障、掉電、斷纖時自動切除,故障恢復后自動投入;
2)各異步數(shù)據(jù)通道故障自診、自動剔除,故障恢復后自動投入,極大地保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性和可靠性。
(2)雙環(huán)自愈光端機信號流向原理
4個光端機分別擺放在4個不同的地方,紅線表示TXB流向RXA的這一順時針的閉合光路,箭頭表示信號流向,藍線表示由TXA流向RXB的這一逆時針的閉合光路,信號總是由TXB到RXA;再由TXA到RXB,兩條光路的信號流向要相反。其原理見于圖1,所組成鏈型網(wǎng)路時的信號流向示意圖見圖2。圖2是一個鏈型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)方案,同樣可以用雙環(huán)自愈光端機來連接,只不過類似壓扁的環(huán)。
2 井下泵房自動化控制系統(tǒng)設(shè)計
(1)集散式控制方式
集中控制方式的整個系統(tǒng)是由一臺控制器作為邏輯控制單元,各檢測、執(zhí)行機構(gòu)通過密集復雜的電纜線跟邏輯控制單元連接。此種方式不僅浪費大量電纜線,而且出現(xiàn)問題不能及時排查,不易于以后的系統(tǒng)維護。采用集散式控制的主要優(yōu)點是:接線簡單可靠,各功能單元獨立工作,出現(xiàn)問題后能夠及時排查解決,并且方便以后系統(tǒng)的日常維護。井下泵房布置圖見圖3,集散控制方式示意圖見圖4。
(2)泵房自動化控制系統(tǒng)
1)信息部分。信息監(jiān)測、采集部分包括水位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器(包括正壓和負壓)以及開關(guān)量的信號采集。
2)執(zhí)行部分。電動執(zhí)行機構(gòu)、電動球閥等電動執(zhí)行機構(gòu)實施PLC邏輯控制器作出的邏輯判斷。
3)控制部分。系統(tǒng)智能控制單元PLC設(shè)計采用S7-300及S7-200兩種。S7-200做系統(tǒng)的通信基站,每臺水泵設(shè)計一臺通信基站負責采集水泵運行信息及執(zhí)行主控制器的邏輯命令,S7-300做系統(tǒng)主控制單元,負責綜合比較判斷各基站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后,通過預定程序向下方基站下發(fā)邏輯命令。
(3)單臺水泵的控制程序
如果系統(tǒng)中的水泵為離心式水泵,由水泵工作原理可知,水泵只有在其葉輪完全注滿水后,泵體形成必要的真空度而實現(xiàn)正常排水,故啟動前必須首先向水泵注水(分為射流泵和真空泵兩種抽真空形式)。單臺小泵啟動見圖5。
具體控制流程如下:
1)排空(射流、真空)引水環(huán)節(jié)。由水泵工作原理可知,水泵只有在其葉輪完全注滿水后,泵體才能形成必要的真空度,而實現(xiàn)正常排水。
2)防爆電動執(zhí)行閘閥操作環(huán)節(jié)。為了減小水泵的啟動功率,離心式水泵一定要關(guān)閉出水閘閥后再啟動,而且水泵的拖動電動機容量也是按關(guān)閉閘閥的啟動條件(空載啟動)設(shè)計,故只有當水泵啟動后,才能逐漸開啟閘閥;停泵時,必須關(guān)閉出水閘閥，然后再斷電停止水泵電動機,以防止或減輕“水錘”現(xiàn)象對泵體內(nèi)部的沖擊。
3)水位在線檢測自動控制環(huán)節(jié)。作用是根據(jù)水倉水位的高低,發(fā)出自動開泵、停泵的控制信號。
4)故障保護環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)具有3種保護環(huán)節(jié),即:
a.流量保護:當水泵在運行過程中,其排水量達不到正常值時,應通過流量保護裝置使水泵停止運行并實現(xiàn)就地及網(wǎng)絡(luò)報警。
b.真空保護:若系統(tǒng)漏水嚴重,在規(guī)定時間內(nèi)不能向水泵注滿水時,應通過真空保護裝置阻止水泵啟動并實現(xiàn)就地及網(wǎng)絡(luò)報警。
c.電路保護:由于水泵工作環(huán)境潮濕、拖動電動機容量較大,因而水泵主電路、控制電路應裝設(shè)過流保護、短路保護及漏電保護(漏電保護一般裝設(shè)在中央變電室)。
3 系統(tǒng)功能
(1)實現(xiàn)遠近控制
當發(fā)生險情時,根據(jù)實際情況可對水位進行或可靠的遠程控制可近控制。
(2)自動控制
PLC自動化控制系統(tǒng)根據(jù)水倉水位的高低、井下用電負荷的高、低峰和供電部門所規(guī)定的平段、谷段、峰段供電電價時間段等因素,建立數(shù)學模型合理調(diào)度水泵,根據(jù)實際情況先后開啟水泵、或者同時開啟多臺水泵,并且做到出現(xiàn)險情時能及時報警。
(3)自動輪換工作
為了防止因備用泵及其電氣設(shè)備或者備用管路長期不用而使電機和電氣設(shè)備受潮或其他故障未及時發(fā)現(xiàn),工作泵出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵時,而不能及時投入以至影響礦井安全,本系統(tǒng)設(shè)計了多臺泵自動輪換工作控制,控制程序?qū)⑺脝⑼４螖?shù)及運行時間和管路使用次數(shù)及流量等參數(shù)自動記錄并累計,系統(tǒng)根據(jù)這些運行參數(shù)按一定順序自動啟停水泵和相應管路,使各水泵及其管路的使用率分布均勻。
(4)設(shè)備自檢功能
主要設(shè)備提供自檢功能,上位機程序?qū)υO(shè)備故障進行報警。設(shè)備的主要故障類型實現(xiàn)報警提示,幫助運行人員診斷設(shè)備故障。
(5)故障診斷功能
系統(tǒng)提供故障診斷功能,通過實時監(jiān)測排水壓力、真空負壓、排水流量、電壓和電流參數(shù)的變化實現(xiàn)對水泵不上水、壓力不足、排水效率降低、啟動負荷大、軸承過熱等故障的診斷,降低系統(tǒng)故障時間。另系統(tǒng)設(shè)檢修閉鎖功能。
(6)采用雙環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計
系統(tǒng)采用雙環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計即方便系統(tǒng)擴展又可以容易地接入數(shù)字化礦山系統(tǒng),并且工業(yè)以太網(wǎng)優(yōu)點獨特,易于網(wǎng)絡(luò)管理。
4 使用注意事項
(1)清理水倉雜質(zhì)
因大部分礦井下沒有設(shè)置積水沉淀池,大量泥沙、碳沫直接經(jīng)過排水系統(tǒng)排到井上,水中的雜質(zhì)容易造成電動球閥的堵塞或開關(guān)不到位,故雷清理水雜質(zhì)。
(2)清理排水泵路和儀表
如果主排水管路的逆止閥年久失修,管路中所有水的壓力會直接作用在電動執(zhí)行閥上,造成開關(guān)閥時力矩過大,故雷甭理排水泵路。正壓表和負壓表容易損壞,必須采用高質(zhì)量抗震的產(chǎn)品。
(3)動力電源接線要有保護
電動執(zhí)行閥電動機的動力電源接線最好有相序保護器。
本設(shè)計系統(tǒng)經(jīng)實際運行結(jié)果,具有運行可靠,數(shù)據(jù)傳輸準確及節(jié)能等優(yōu)勢,為井下安全生產(chǎn)提供有力保障。
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