摘 要: 采用PLC作为控制器,用投入式液位变送器监测水位,结合相应的控制电路组成排水监控系统,用电动执行阀、电动球阀等作为执行部件,完成对泵站系统的控制。系统经实际运行表明,数据传输准确,运行可靠、节能。
1 双环型工业以太网设计
(1)主要特点
在多节点的网络中,每台光端机电接口设置一个RS-232或者RS-485/422设备,而双环的概念就是通过光端机上的2个独立光口串接成2个光纤环路,环路自诊自愈,当一个环路故障时,另一环路可及时替换,各从站故障、掉电、断纤时自动切除,故障恢复后自动投入。双环自愈光端机特点为:
1)光纤链路故障时,自诊自愈,各从站故障、掉电、断纤时自动切除,故障恢复后自动投入;
2)各异步数据通道故障自诊、自动剔除,故障恢复后自动投入,极大地保证了数据传输的及时性和可靠性。
(2)双环自愈光端机信号流向原理
4个光端机分别摆放在4个不同的地方,红线表示TXB流向RXA的这一顺时针的闭合光路,箭头表示信号流向,蓝线表示由TXA流向RXB的这一逆时针的闭合光路,信号总是由TXB到RXA;再由TXA到RXB,两条光路的信号流向要相反。其原理见于图1,所组成链型网路时的信号流向示意图见图2。图2是一个链型结构的网络方案,同样可以用双环自愈光端机来连接,只不过类似压扁的环。
2 井下泵房自动化控制系统设计
(1)集散式控制方式
集中控制方式的整个系统是由一台控制器作为逻辑控制单元,各检测、执行机构通过密集复杂的电缆线跟逻辑控制单元连接。此种方式不仅浪费大量电缆线,而且出现问题不能及时排查,不易于以后的系统维护。采用集散式控制的主要优点是:接线简单可靠,各功能单元独立工作,出现问题后能够及时排查解决,并且方便以后系统的日常维护。井下泵房布置图见图3,集散控制方式示意图见图4。
(2)泵房自动化控制系统
1)信息部分。信息监测、采集部分包括水位传感器、温度传感器、压力传感器(包括正压和负压)以及开关量的信号采集。
2)执行部分。电动执行机构、电动球阀等电动执行机构实施PLC逻辑控制器作出的逻辑判断。
3)控制部分。系统智能控制单元PLC设计采用S7-300及S7-200两种。S7-200做系统的通信基站,每台水泵设计一台通信基站负责采集水泵运行信息及执行主控制器的逻辑命令,S7-300做系统主控制单元,负责综合比较判断各基站传输的数据后,通过预定程序向下方基站下发逻辑命令。
(3)单台水泵的控制程序
如果系统中的水泵为离心式水泵,由水泵工作原理可知,水泵只有在其叶轮完全注满水后,泵体形成必要的真空度而实现正常排水,故启动前必须首先向水泵注水(分为射流泵和真空泵两种抽真空形式)。单台小泵启动见图5。
具体控制流程如下:
1)排空(射流、真空)引水环节。由水泵工作原理可知,水泵只有在其叶轮完全注满水后,泵体才能形成必要的真空度,而实现正常排水。
2)防爆电动执行闸阀操作环节。为了减小水泵的启动功率,离心式水泵一定要关闭出水闸阀后再启动,而且水泵的拖动电动机容量也是按关闭闸阀的启动条件(空载启动)设计,故只有当水泵启动后,才能逐渐开启闸阀;停泵时,必须关闭出水闸阀，然后再断电停止水泵电动机,以防止或减轻“水锤”现象对泵体内部的冲击。
3)水位在线检测自动控制环节。作用是根据水仓水位的高低,发出自动开泵、停泵的控制信号。
4)故障保护环节。该系统具有3种保护环节,即:
a.流量保护:当水泵在运行过程中,其排水量达不到正常值时,应通过流量保护装置使水泵停止运行并实现就地及网络报警。
b.真空保护:若系统漏水严重,在规定时间内不能向水泵注满水时,应通过真空保护装置阻止水泵启动并实现就地及网络报警。
c.电路保护:由于水泵工作环境潮湿、拖动电动机容量较大,因而水泵主电路、控制电路应装设过流保护、短路保护及漏电保护(漏电保护一般装设在中央变电室)。
3 系统功能
(1)实现远近控制
当发生险情时,根据实际情况可对水位进行或可靠的远程控制可近控制。
(2)自动控制
PLC自动化控制系统根据水仓水位的高低、井下用电负荷的高、低峰和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段等因素,建立数学模型合理调度水泵,根据实际情况先后开启水泵、或者同时开启多台水泵,并且做到出现险情时能及时报警。
(3)自动轮换工作
为了防止因备用泵及其电气设备或者备用管路长期不用而使电机和电气设备受潮或其他故障未及时发现,工作泵出现紧急故障需投入备用泵时,而不能及时投入以至影响矿井安全,本系统设计了多台泵自动轮换工作控制,控制程序将水泵启停次数及运行时间和管路使用次数及流量等参数自动记录并累计,系统根据这些运行参数按一定顺序自动启停水泵和相应管路,使各水泵及其管路的使用率分布均匀。
(4)设备自检功能
主要设备提供自检功能,上位机程序对设备故障进行报警。设备的主要故障类型实现报警提示,帮助运行人员诊断设备故障。
(5)故障诊断功能
系统提供故障诊断功能,通过实时监测排水压力、真空负压、排水流量、电压和电流参数的变化实现对水泵不上水、压力不足、排水效率降低、启动负荷大、轴承过热等故障的诊断,降低系统故障时间。另系统设检修闭锁功能。
(6)采用双环型工业以太网设计
系统采用双环型工业以太网设计即方便系统扩展又可以容易地接入数字化矿山系统,并且工业以太网优点独特,易于网络管理。
4 使用注意事项
(1)清理水仓杂质
因大部分矿井下没有设置积水沉淀池,大量泥沙、碳沫直接经过排水系统排到井上,水中的杂质容易造成电动球阀的堵塞或开关不到位,故雷清理水杂质。
(2)清理排水泵路和仪表
如果主排水管路的逆止阀年久失修,管路中所有水的压力会直接作用在电动执行阀上,造成开关阀时力矩过大,故雷甭理排水泵路。正压表和负压表容易损坏,必须采用高质量抗震的产品。
(3)动力电源接线要有保护
电动执行阀电动机的动力电源接线最好有相序保护器。
本设计系统经实际运行结果,具有运行可靠,数据传输准确及节能等优势,为井下安全生产提供有力保障。
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