矿井多水平主排水系统自动仿真平台分析
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矿井多水平主排水系统自动仿真平台分析
第一章 绪论
1.1 煤矿自动化概述
1.2 排水系统概述井下排水系统存在的问题
1.3 矿井主排水自动控制系统的现状
1.4 矿井多水平主排水系统自动仿真平台的背景及意义
第二章 矿井多水平主排水仿真系统总体结构
2.1 系统综述
2.2 系统的结构
2.3 系统功能和特点
2.4 运行方式
第三章 矿井多水平主排水仿真系统机械部分
3.1 机械部件介绍
1.水泵及射流泵
2.阀门及管道（1.出水阀2.逆止阀3.射流阀）
3.2 排水泵控制
第四章 矿井多水平主排水仿真系统电气控制
4.1 S7-300可编程控制器
1. PLC概述
2. PLC的主要特点
3. PLC结构
4. PLC的基本工作原理
5. s7—300PLC的基本组成
4.2矿井多水平主排水仿真系统电气接线（I/O地址分配）
1.西门子ET200M与PROFIBUS-DP总线
2.I/O地址分配和实现控制功能
4.3矿井多水平主排水仿真系统电气控制实现
1. 检测传感器
2. 控制面板及触摸屏
结束语.
参考文献
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第一章 绪论
井下排水系统是煤矿生产中四大系统之一，担负着井下积水排除的重要任务。然而，目前我国的井下排水系统仍由很多依靠传统的人工操作方式。本章分析这种排水系统的组成及工作过程，指出其存在的问题，为井下主排水系统自动控制的研究提供依据。
1.1 煤矿自动化概述
在煤矿地下开采的过程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河中水的渗透，水砂充填和水力采煤矿井的井下供水，将要有大量的水昼夜不停地汇集于井下。矿井涌水与采区的水文地质及当地的气象条件有关系，涌水量在不同的季节也呈现不同。在一些大水矿井，矿井涌水量可达到每秒17立方米，甚至超过每秒20立方米。另外，煤炭开采过程中，由于地层结构被破坏，岩层断裂，使采区与储水层连通，发生突水事故，涌水量会突然增加。如果不能及时地将这些积水排送到井上，井下的生产就可能受到阻碍，井下的安全就会得不到保障，严重者会造成重大事故。给人民的生命、国家的财产都带来了极大的威胁。因此，井下排水就显得尤为重要。井下自动排水系统的任务就是把流入井下煤矿巷道中的矿井积水排送至地表。根据统计，每开采1吨煤就要排出2--7吨矿井水，有时甚至要排出30--40吨矿井水。井下排水设备所配备电机的功率，小的几千瓦到几十千瓦，大的几百千瓦到上千千瓦、在我国煤炭行业中，井下排水用电量占原煤生产总耗电量的18%--41%，一般为20%左右。
因此，井下排水设备运转的可靠性(安全运转)与经济性(效率高、电耗量小)，具有十分重要的意义。
1.2 排水系统概述井下排水系统存在的问题
目前，我国大多煤矿企业的井下水泵房使用的仍然是传统的人工操作排水系统，以离心式水泵系统为主。这种排水系统的操作以离心式水泵的工作特性为基础，泵站的起停时间判断，完全依赖于工人的经验和已有的操作规程。当水仓水位到达设定的高水位时，工人打开射流泵(或真空泵)，为水泵抽真空，同时观测真空表的读数。真空度达到要求后，起动水泵机组，使水泵运转。当水泵出水口压力表读数达到要求时，开起闸阀进行排水，同时关闭抽真空的射流泵(或真空泵)。
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停泵过程要进行相反的操作。当水仓积水降至低水位时，先将闸阀关死，再停水泵机组。
根据现场涌水量的不同，工人还要判断同时投入几台水泵工作，以便于既能及时排出积水，又能使泵站合理使用，避免过度频繁的起停。
其存在的问题有如下几点：
（1）效率低、可靠性差。这种排水系统的工作流程完全由手工完成，工人按部就班的完成各个执行件的操作。另外，对水位、涌水量大小等现场数据的判断依赖于工人的经验。作业过程比较复杂，要求工人具有很强的责任心，否则可能出现误操作，甚至发生大的事故。
（2）工人劳动强度大。人工操作无法避免高强度的劳作。尤其是闸阀的操作，劳动量最大。而且，水泵房要时时有人值守，以便在发生异常情况时，及时报警检修。
1.3 矿井主排水自动控制系统的现状
井下排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程。随着控制理论和现代检测技术的发展，自动排水系统的研究在理论和实践上都取得了一定进步。
传统的继电器控制方法，用人工进行检测(如人工检测水仓水位、淤泥厚度、管道、闸阀及配电设备状况等)，这种检测控制方法效率低，工人劳动强度大，且由于井下环境恶劣，故障率较高。所以靠人工检测的方法已不适应煤炭发展的需要，取而代之的是自动化排水系统。
随之，一种新颖的矿井排水计算机自动控制系统问世。由于矿井排水系统属于多变量、非线性、时变的复杂系统，特别是在管道和水泵等环节中，各变量之间又存在着交叉，因此矿井排水系统非常适合于采用模糊控制的方法进行动态监测和故障诊断。该系统采用先进的集散式控制方式，建立了多级模块化的结构体系，提出了多参数的模糊综合决策方法。
目前，PLC在国内外工业控制中已获得广泛应用，在矿井排水系统中，采用PLC自动监测排水系统的运行状况，自动进行数据采集、自动记录、故障报警、事故分析、多台水泵启动的自动切换等，所得到的动态资料准确性高，控制的可靠性高。
1.4 矿井多水平主排水系统自动仿真平台的背景及意义
在我国自动化控制系统刚刚进入煤矿企业，工人的文化水平低，而在实际生产
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中工人不能进行试验性操作，出现问题是也无法立即解决。为了能够提高工人们的实际操作水平，提高工作效率，从而开发研制出了矿井多水平主排水系统自动仿真平台。
第二章 矿井多水平主排水仿真系统总体结构
2.1 系统综述
矿井主排水系统自动控制高仿真平台以多水平排水系统节能优化控制及矿井透水灾变“四自动”（自动预警、自动监测透水水位、自动关闭防水闸门、自动联合运转）应急控制为设计理念，针对多水平联合排水进行仿真设计。
该系统可以模拟井下真实多水平排水系统,采用“PLC网络控制+上位机诊断与监控+局域网信息互联”的控制模式，实现排水系统就地与远程自动控制系统，实现“无人职守”功能。系统可以根据水仓水位，自动控制水泵的启停台数。可以模拟供电峰谷时段进行节能控制。本系统配备以太网模块可以实现自动化平台远程监控。系统示意图如图2-1所示。
图2-1 仿真平台布局示意图
2.2 系统的结构
系统分为机械部分和电气控制部分，机械部分包括排水泵、模拟水仓、出水阀门、射流阀及管道等设备；电气控制部分包括西门子S7-300 PLC、传感器、保护系统、控制面板、触摸屏和控制软件等。如图：
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自动控制仿真平台系统结构图
系统工作示意图
控制
面板
系统
框架 -600排
水系统 -400排水系统
地下涌水源系统
-600射流阀位置开关 -400射流阀位置开关 -400出水阀位置开关 -600出水阀位置开关
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-600排水系统
-400排水系统与-600排水系统相同。如图， -600
水仓 水泵
逆止阀 射流阀 逆止阀 超声波传感器
下限
水位 冒顶位置传感器 上限
水位 出水阀
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2.3 系统功能和特点
本控制系统用于井下水泵房的集中分布控制仿真；在设备上设PLC集中控制站，采集各种信号，按照工艺流程控制各台水泵及相应的闸阀，显示各种工作状态。整个集中控制系统由PLC集控及监控部分、就地控制部分和现场设备三大部分组成。
采用集中控制器对水泵房设备运行实行在线监控，自动、手动控制水泵的启停及闸阀的开、关及开度，并具有自诊断功能，可实现水泵房的无人值守。控制系统通过以太网接入矿井工业以太干网，实现水泵监控子系统与全矿井的监控系统信息共享。
集中控制器采用SIEMENS系列PLC及先进的过程控制软件，综合考虑矿井各种安全信息，实现井下排水监控系统的最优控制策略；井下排水监控系统的报警，信息显示，报表统计处理全部融入整个矿井监控系统的数据系统。
水泵房现场以计算机图形界面结合现场操作，最大程度简化操作与状态显示。根据水位控制原则，自动实现水泵的轮换工作。
结合水仓水位和全矿电力负荷信息，以“移峰填谷”原则确定开、停水泵时间。
系统具有多种通讯协议可选，可与系统互联互通，软件修改可在控制室完成。
水泵监控子系统有三种工作方式，“自动”、“手动”、“检修”。
自动：自动控制下，控制室控制所有设备，并显示各水泵及闸阀工作状况和各种故障显示。PLC采集各种信号。集中控制室按照工艺流程及PLC闭锁程序顺序控制水泵及闸阀的开启。由超声液位传感器连续检测水仓水位，根据吸水井的水位及其他因素，合理调度自动开停水泵及其阀门，在正常水位时，各台水泵能自动轮换工作，最大涌水及突出涌水时，自动投入必要数量的水泵运行。此方式下可实现无人值守。
当水泵出现故障时，能够及时报警，并能够自动开启备用水泵。
根据水泵使用台数和水位变化的情况可判断矿井涌水情况，从而确定水泵增加台数。
手动/半自动：操作工人根据水仓显示水位，人工手动开停水泵及确定开泵台数，电机及其阀门的开、停由PLC自动执行，即PLC完成单台水泵抽真空、启泵、开液压阀等自动控制，并完成运行停止。
检修：可操作任一水泵电机，闸阀，电磁阀的开关。相互动作互不闭锁。
可实现对监测水泵各工况参数，包括水位、流量、电压、电流、压力、温度、真空度、闸阀开启度等。
实现远程编程、现场编程、完善修改系统功能。
2.4 运行方式
考虑到运行、维护特点，在地点上该系统采用三级控制结构，用户可以在远程控制平台、触摸屏以及就地控制面板完成对系统的监控。综合考虑系统对于实时性、可靠性以及传输距离等的要求，监控网络采用MPI网络与工业以太网相结合的形式。
用户在就地控制面板完成对于单台水泵运行方式的设定，可以将其设定为就地、半自动、全自动三种方式中的任意一个。当设定为全自动时，水泵将根据水位等条件自动启停。就地方式下，用户在就地控制面板完成对单台水泵的操作；
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半自动方式分别对应触摸屏一键启停。控制面板布局如图和表1，2所示。触摸屏界面如图所示。远程控制界面如图所示。
控制面板布局图
表1 -600控制
指示灯 1﹟泵
射流 2﹟泵
射流 3﹟泵
射流 1﹟泵
出水 2﹟泵
出水 3﹟泵
出水 1﹟水泵
开启 2﹟水泵
开启 3﹟水泵
开启
-400控制
指示灯 1﹟泵
射流 2﹟泵
射流 3﹟泵
射流 1﹟泵
出水 2﹟泵
出水 3﹟泵
出水 1﹟水泵
开启 2﹟水泵
开启 3﹟水泵
开启 触摸屏
电位计 -600控制
指示灯
故障声光报警
-400
控制区 -600
控制区 -400控制
指示灯
电源
指示
注水
