摘 要: 采用PLC作為控制器,用投入式液位變送器監測水位,結合相應的控制電路組成排水監控系統,用電動執行閥、電動球閥等作為執行部件,完成對泵站系統的控制。系統經實際運行表明,數據傳輸準確,運行可靠、節能。
1 雙環型工業以太網設計
(1)主要特點
在多節點的網絡中,每臺光端機電接口設置一個RS-232或者RS-485/422設備,而雙環的概念就是通過光端機上的2個獨立光口串接成2個光纖環路,環路自診自愈,當一個環路故障時,另一環路可及時替換,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)各異步數據通道故障自診、自動剔除,故障恢復后自動投入,極大地保證了數據傳輸的及時性和可靠性。
(2)雙環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,所組成鏈型網路時的信號流向示意圖見圖2。圖2是一個鏈型結構的網絡方案,同樣可以用雙環自愈光端機來連接,只不過類似壓扁的環。
2 井下泵房自動化控制系統設計
(1)集散式控制方式
集中控制方式的整個系統是由一臺控制器作為邏輯控制單元,各檢測、執行機構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,而且出現問題不能及時排查,不易于以后的系統維護。采用集散式控制的主要優點是:接線簡單可靠,各功能單元獨立工作,出現問題后能夠及時排查解決,并且方便以后系統的日常維護。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
1)信息部分。信息監測、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)以及開關量的信號采集。
2)執行部分。電動執行機構、電動球閥等電動執行機構實施PLC邏輯控制器作出的邏輯判斷。
3)控制部分。系統智能控制單元PLC設計采用S7-300及S7-200兩種。S7-200做系統的通信基站,每臺水泵設計一臺通信基站負責采集水泵運行信息及執行主控制器的邏輯命令,S7-300做系統主控制單元,負責綜合比較判斷各基站傳輸的數據后,通過預定程序向下方基站下發邏輯命令。
(3)單臺水泵的控制程序
如果系統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)引水環節。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,而實現正常排水。
2)防爆電動執行閘閥操作環節。為了減小水泵的啟動功率,離心式水泵一定要關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閉閘閥的啟動條件(空載啟動)設計,故只有當水泵啟動后,才能逐漸開啟閘閥;停泵時,必須關閉出水閘閥，然后再斷電停止水泵電動機,以防止或減輕“水錘”現象對泵體內部的沖擊。
3)水位在線檢測自動控制環節。作用是根據水倉水位的高低,發出自動開泵、停泵的控制信號。
4)故障保護環節。該系統具有3種保護環節,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就地及網絡報警。
b.真空保護:若系統漏水嚴重,在規定時間內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就地及網絡報警。
c.電路保護:由于水泵工作環境潮濕、拖動電動機容量較大,因而水泵主電路、控制電路應裝設過流保護、短路保護及漏電保護(漏電保護一般裝設在中央變電室)。
3 系統功能
(1)實現遠近控制
當發生險情時,根據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自動化控制系統根據水倉水位的高低、井下用電負荷的高、低峰和供電部門所規定的平段、谷段、峰段供電電價時間段等因素,建立數學模型合理調度水泵,根據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備或者備用管路長期不用而使電機和電氣設備受潮或其他故障未及時發現,工作泵出現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,本系統設計了多臺泵自動輪換工作控制,控制程序將水泵啟停次數及運行時間和管路使用次數及流量等參數自動記錄并累計,系統根據這些運行參數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)設備自檢功能
主要設備提供自檢功能,上位機程序對設備故障進行報警。設備的主要故障類型實現報警提示,幫助運行人員診斷設備故障。
(5)故障診斷功能
系統提供故障診斷功能,通過實時監測排水壓力、真空負壓、排水流量、電壓和電流參數的變化實現對水泵不上水、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,降低系統故障時間。另系統設檢修閉鎖功能。
(6)采用雙環型工業以太網設計
系統采用雙環型工業以太網設計即方便系統擴展又可以容易地接入數字化礦山系統,并且工業以太網優點獨特,易于網絡管理。
4 使用注意事項
(1)清理水倉雜質
因大部分礦井下沒有設置積水沉淀池,大量泥沙、碳沫直接經過排水系統排到井上,水中的雜質容易造成電動球閥的堵塞或開關不到位,故雷清理水雜質。
(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行閥上,造成開關閥時力矩過大,故雷甭理排水泵路。正壓表和負壓表容易損壞,必須采用高質量抗震的產品。
(3)動力電源接線要有保護
電動執行閥電動機的動力電源接線最好有相序保護器。
本設計系統經實際運行結果,具有運行可靠,數據傳輸準確及節能等優勢,為井下安全生產提供有力保障。
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