煤矿主排水监控系统的设计及应用

论文摘要

煤炭行业是我国的支柱产业。矿井安全是煤矿生产的灵魂,而井下涌水是影响矿井安全的重要因素之一。一旦采掘工作面发生透水事故,不仅影响产煤量,甚至会淹没矿井,危及矿工的生命安全。由于井下主要水仓和采区水仓担负着整个矿井积水排除的任务,其容量和水泵性能直接影响矿井安全生产。目前,部分矿井仍使用传统的人工操作排水系统,这种系统自动化程度低,应急性差,存在很大的安全隐患。虽然一些国有矿井已实现中央水泵房的自动化改造,但对于采区工作面产生透水事故,却表现出滞后性的弊端。随着我国煤矿行业的发展,完善煤矿主排水监控系统已成为一种发展趋势。本课题针对现有排水系统存在的弊病,研究适用于我国煤矿井下使用的主排水监控系统。而主排水监控系统的核心技术是水泵控制装置。本课题设计采用了西门子S7-300系列PLC作为中央控制单元,并扩展了必要的数字量输入输出模块、模拟量模块和通讯模块。本设计具有就地自动、就地手动、远程自动和远程手动四种控制方式,可以自由切换。并可在自动状态下,实时测量水仓水位,根据水位的变化情况,自动判断启动水泵的时间和台数。考虑到均匀磨损的原则及防止水泵长期不用因受潮锈死,设计有水泵轮换工作机制,使得每次启动水泵时,总是开启运行时间最少的水泵。同时,系统利用嵌入式和多点接口技术,设计实现了显示屏与可编程控制器的可靠通信,触摸屏支持无线鼠标和键盘的操作功能。在矿井恶劣环境下,操作人员只需根据水泵房水仓的实际情况及水泵运行参数,适时修改显示屏参数,就可完成整个系统的控制功能,从而方便了设备调试和维护,缩短了井下工作时间。由于系统的运行环境是I类爆炸性物质（矿井甲烷）存在的场合,因此设备间必须具备电气隔离功能。该系统设计了隔离保护电路:光耦隔离板及安全栅,并选用高性能的隔离器件,保证系统在爆炸性环境中各电气设备相互隔离,实现系统安全可靠地运行。本课题研究的主排水系统具有以下特点:水位实时在线监测与显示;水泵自动启动与停止;支持利用无线鼠标和键盘进行现场调试功能;水泵采用轮班制,达到水泵均衡工作,提高水泵的使用寿命;设计了较完善的保护功能,如缺水保护、高温保护及过流保护等;该系统可与矿井地面监测中心联网,便于集中控制。课题研究期间,通过与山西科达自控工程有限公司合作,对具有代表性的潞安集团漳村煤矿中央水泵房现场勘测与设计。以该矿1#水泵房为例,提出了煤矿主排水系统解决方案,同时,将水泵控制装置安装于现场,从而进一步验证了设计的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 井下主排水系统概述
• 1.1.1 井下涌水现象及排水的重要性
• 1.1.2 主排水系统的组成
• 1.2 现有井下排水系统现状及存在的问题
• 1.2.1 井下排水系统现状
• 1.2.2 井下排水系统存在的问题
• 1.3 国内外研究动态
• 1.4 课题内容及论文结构
• 小结
• 第二章 井下主排水系统总体方案设计
• 2.1 可编程控制器的技术概述
• 2.1.1 可编程控制器的产生和发展
• 2.1.2 可编程控制器的特点
• 2.1.3 可编程控制器的功能
• 2.2 煤矿井下主排水系统的主体结构
• 2.2.1 主排水系统的工艺流程
• 2.2.2 引水装置
• 2.2.3 泵站水锤及防护
• 2.3 主排水系统控制方案
• 2.3.1 控制原理
• 2.3.2 系统结构
• 2.3.3 系统功能
• 小结
• 第三章 主排水系统硬件设计
• 3.1 传感器系统设计
• 3.1.1 水位传感器
• 3.1.2 温度行传感器
• 3.1.3 压力传感器
• 3.2 电动阀门设计
• 3.3 PLC 控制系统设计
• 3.3.1 PLC 选型及硬件组态
• 3.3.2 CPU313C 的原理及接线
• 3.3.3 SM321 的原理及接线
• 3.3.4 SM331 的原理及接线
• 3.3.5 PLC 系统供电
• 小结
• 第四章 主排水系统软件设计
• 4.1 系统PLC 程序设计
• 4.1.1 排水模型及“避峰就谷”
• 4.1.2 水泵的轮换工作的实现
• 4.1.3 不同模式下水泵控制
• 4.1.4 数据采集
• 4.1.5 保护及报警
• 4.1.6 系统时间的设定
• 4.2 系统的人机交互界面设计
• 4.2.1 MCGS 组态软件的体系结构
• 4.2.2 触摸屏画面设计
• 4.3 触摸屏与PLC 的通信实现
• 4.3.1 MPI 通信原理
• 4.3.2 MPI 通信参数设置
• 4.3.3 建立实时数据库
• 4.3.4 翻页控制程序
• 小结
• 第五章 水泵控制装置中隔离保护电路设计
• 5.1 开关量隔离保护电路
• 5.2 模拟量隔离保护电路
• 5.3 以太网隔离保护电路
• 5.4 抗干扰电路
• 小结
• 第六章 主排水系统实验验证
• 6.1 系统的硬件调试
• 6.2 系统的软件调试
• 6.3 系统的现场调试
• 小结
• 第七章 总结和展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果