CN204140123U - 一种矿井排水自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种矿井排水自动控制系统，其特征在于：包括主CPU模块，主CPU模块分别通过I/O接口与水位传感器、真空泵球阀、真空泵控制模块和第一声光报警模块相连，主CPU模块还与多路高压柜综保单元相连；主CPU模块还与多路远程扩展模块连接，多路远程扩展模块输入端与温度巡检仪相连，每一路远程扩展模块通过I/O接口与流量传感器、压力传感器和负压传感器等传感器单元连接。本实用新型采用基于PLC的矿井排水自动控制系统，使得排水系统可靠性增强，水泵机组可自动启停水泵、开合阀门，减小了工人的劳动强度；PLC将水泵机组的运行状态与参数还传至地面生产调度监控中心主机，可实现井下主排水系统的遥测、遥控。

Description

一种矿井排水自动控制系统

技术领域

本实用新型涉及矿井安全监控技术领域，尤其是涉及一种矿井排水自动控制系统。

背景技术

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。

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)。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。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种矿井排水自动控制系统，自动控制系统的应用，将使得排水系统可靠性增强，水泵机组可自动启停水泵、开合阀门，极大的减小工人的劳动强度。PLC将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统传至地面生产调度监控中心主机，管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态，又可根据自动化控制信息，实现井下主排水系统的遥测、遥控。

    为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种矿井排水自动控制系统，其特征在于：包括主CPU模块和与其电连接触摸屏，所述主CPU模块输入端与第一模拟量输入模块、第一数字量输入模块相连，所述第一模拟量输入模块、第一数字量输入模块输入端分别与水位传感器、真空泵球阀相连，所述主CPU模块输出端与第一数字量输出模块以及多路高压柜综保单元相连，所述第一数字量输出模块输出端分别与真空泵控制模块、第一声光报警模块相连；所述主CPU模块还与多路远程扩展模块连接，所述多路远程扩展模块输入端与温度巡检仪相连，所述每一路远程扩展模块输入端与第二模拟量输入模块、第二数字量输入模块相连，输出端与第二数字量输出模块相连，所述第二模拟量输入模块输入端连接流量传感器、压力传感器和负压传感器，所述第二数字量输入模块输入端连接球阀到位信号模块、闸阀到位信号模块和就地控制命令模块，所述第二数字量输出模块输出端连接球阀控制模块、电动闸阀控制模块、水泵高压柜控制模块和第二声光报警模块。

    上述的一种矿井排水自动控制系统，其特征在于：所述主CPU模块通过RS485总线与高压柜综保单元连接，高压柜综保单元共第一高压柜综保单元、第二高压柜综保单元、第三高压柜综保单元、第四高压柜综保单元四路。

    上述的一种矿井排水自动控制系统，其特征在于：所述主CPU模块通过PROFIBUS-DP总线与远程扩展模块连接，远程扩展模块共第一远程扩展模块、第二远程扩展模块、第三远程扩展模块、第四远程扩展模块四路。

    上述的一种矿井排水自动控制系统，其特征在于：所述主CPU模块选用德国西门子公司的SIMATIC S7-300系列PLC系统。

上述的一种矿井排水自动控制系统，其特征在于：所述真空泵控制模块控制对象为SZ水环式真空泵。

上述的一种矿井排水自动控制系统，其特征在于：所述流量检测器安装分别安装在系统的水泵出口分支管路上。

    上述的一种矿井排水自动控制系统，其特征在于：所述电动闸阀控制模块控制对象为Z2410/ZTX系列电动闸阀。

    上述的一种矿井排水自动控制系统，其特征在于：所述球阀控制模块控制对象为Q5100/TZX系列电动O型调节球阀。

    上述的一种矿井排水自动控制系统，其特征在于：所述多路高压柜综保单元均选用GKW—1型矿用高压开关柜。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

综上所述，本实用新型采用基于PLC的矿井排水自动控制系统，将使得排水系统可靠性增强，水泵机组可自动启停水泵、开合阀门，极大的减小工人的劳动强度。PLC将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统传至地面生产调度监控中心主机，管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态，又可根据自动化控制信息，实现井下主排水系统的遥测、遥控。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的排水控制系统总体结构框图；

图2为本实用新型的主CPU模块内部结构框图；

图3为本实用新型的四线回路将负载与隔离的模出模块相连结构图；

图4为本实用新型的真空泵安装结构示意图；

图5为本实用新型的流量传感器安装结构示意图；

图6为本实用新型的高压柜综保单元电抗器降压启动接线图。

具体实施方式

    如图1所示，一种矿井排水自动控制系统，其特征在于：包括主CPU模块1和与其电连接触摸屏2，所述主CPU模块1输入端与第一模拟量输入模块51、第一数字量输入模块61相连，所述第一模拟量输入模块51、第一数字量输入模块61输入端分别与水位传感器3、真空泵球阀4相连，所述主CPU模块1输出端与第一数字量输出模块71以及多路高压柜综保单元相连，所述第一数字量输出模块71输出端分别与真空泵控制模块8、第一声光报警模块9相连；所述主CPU模块1还与多路远程扩展模块连接，所述多路远程扩展模块输入端与温度巡检仪12相连，所述每一路远程扩展模块输入端与第二模拟量输入模块52、第二数字量输入模块62相连，输出端与第二数字量输出模块72相连，所述第二模拟量输入模块52输入端连接流量传感器16、压力传感器17和负压传感器18，所述第二数字量输入模块62输入端连接球阀到位信号模块13、闸阀到位信号模块14和就地控制命令模块15，所述第二数字量输出模块72输出端连接球阀控制模块19、电动闸阀控制模块20、水泵高压柜控制模块21和第二声光报警模块22。

    所述主CPU模块1通过RS485总线与高压柜综保单元连接，高压柜综保单元共第一高压柜综保单元101、第二高压柜综保单元102、第三高压柜综保单元103、第四高压柜综保单元104四路。

    所述主CPU模块1通过PROFIBUS-DP总线与远程扩展模块连接，远程扩展模块共第一远程扩展模块111、第二远程扩展模块112、第三远程扩展模块113、第四远程扩展模块114四路。

如图2所示，所述主CPU模块1选用德国西门子公司的SIMATIC S7-300系列PLC系统。S7-300系列PLC是模块化结构设计，各种单独模块之间可以进行广泛组合和扩展。其主要组成部分有导轨(RACK)、电源模块(PS)、中央处理单元模块(CPU)、接口模块(IM),信号模块(SM)、功能模块(FM)等。它可以通过MPI连接电缆或通讯模块与计算机进行通讯，再加上其全面的诊断功能和完善的自我保护技术，使其具有极高的可靠性，极其适合本系统的需求。

如图2所示，PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O单元，有各种各样的I/O单元供用户选用。外部设备传感器和执行机构所需的信号电平是多种多样的，而PLC中CPU处理的信息只能是标准电平，所以I/O单元需实现这种转换。I/O单元的主要类型有：数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出等。本实施例中，第一模拟量输入模块51、第一数字量输入模块61和第一数字量输出模块71，以及第二模拟量输入模块52、第二数字量输入模块62和第二数字量输出模块72均对应上述I/O单元。

SM321数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转换成S7-300内部信号电平。对于现场输入元件，仅需要提供开关触点即可。输入信号进入模块后，一般都经过光电隔离和滤波，然后才送至输入缓冲器等待CPU采样。数字量输入模块SM321有直流16点输入、直流32点输入、交流16点输入、交流8点输入四种型号模块可供选择。

SM322数字量输出模块将S7-300内部信号电平转换成过程所需要的外部信号电平，可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机启动器等。按负载回路使用的电源不同分为：直流输出模块、交流输出模块和交直流两用输出模块。按输出开关器件的种类不同又可分为：晶体管输出方式、可控硅输出方式和继电器输出方式。晶体管输出方式的模块，只能带直流负载，属于直流输出模块，没有反极性保护措施，输出具有短路保护功能，使用于驱动电磁阀和直流接触器。可控硅输出方式属于交流输出方式，适用于驱动交流电磁阀、接触器、电机启动器和灯。继电器触点输出方式的模块属于交直流两用输出模块，其额定负载电压范围较宽，直流可以从24V到120V，交流可以从48V到230V。SM322有16点晶体管输出、32点晶体管输出、16点可控硅输出、8点晶体管输出、8点可控硅输出、8点继电器输出和16点继电器输出共七种型号输出模块可供选择。

SM331模拟量输入模块主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法，积分时间直接影响到A/D转换时间和A/D转换的精度。被测模拟量的精度是所设定的积分时间的正函数，也即积分时间越长，被测值的精度越高。SM331可选四档积分：2.5ms，16.7ms，20ms，100ms，相对应的以位表示的精度为：9，12，12，14位。模拟量模块都装有量程模块，调整量程块的插入位置可改变模块的硬件结构。“A”位置用于测量±1000MV以内的小电压信号，由于电阻和热电偶信号均属于这个范围，所以“A”位置适用于它们。“B”位置适合测量±10V以内的大电压信号，如：±2.5V，±5V，1～5V等。“C”位置用于测量由4线变送器产生的±20mA以内的电流信号。“D”用于测量2线变送器产生的4～20mA电流信号，并通过测量信号线对变送器供电。SM331有8×12位和2×12位两种规格型号模块。

SM332模拟量输出模块可以输出电压，也可以输出电流。在输出电压时，可以采用2线回路和4线回路两种方式与负载相连。采用4线回路可以获得比较高的输出精度。如图3所示，检测线S+和S-直接接到负载上。这样，在负载端直接测量和校准电压。采用2线回路时，S+和S-可以保持开路，但是输出精度不如4线回路高。在电流输出方式时，将负载连接到QI和MANA上即可。QI和QV实际上是同一个端子。

本实施例中，所述真空泵控制模块8控制对象为SZ水环式真空泵。其大致的工作原理为：在泵体中装有适量的水作为工作液。当叶轮顺时针方向旋转时，水被叶轮抛向四周，由于离心力的作用，水形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环。水环的下部分内表面恰好与叶轮轮毂相切，水环的上部内表面刚好与叶片顶端接触（实际上叶片在水环内有一定的插入深度）。此时叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮分成和叶片数目相等的若干个小腔。如果以叶轮的下部0°为起点，那么叶轮在旋转前180°时小腔的容积由小变大，且与端面上的吸气口相通，此时气体被吸入，当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝；当叶轮继续旋转时，小腔由大变小，使气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体便被排出泵外。水环泵是靠泵腔容积的变化来实现吸气、压缩和排气的，因此它属于变容式真空泵。 

在正常情况下，为了加快充水过程两台真空泵同时对一台水泵抽气。当一台真空泵发生故障时，另一台仍能担负抽气的任务。抽气管经过电磁阀与每台水泵进水端的放气孔相接，管路接头处要保证严密。由于真空泵在工作时会发热，及一部分工作液（水环）随气体一起排走，所以应不断地向真空泵补充清水。在图4中，启动真空泵时，由清水水箱经管路6给真空泵补充清水。当真空表的读数达到要求时即可启动大水泵。

本实施例中，所述电动闸阀控制模块20控制对象为Z2410/ZTX系列电动闸阀。电动闸阀是安装在水泵的出水口处主排水管上的，用于控制排水管开关的阀门。闸阀是指关闭件（闸板）沿通路中心线的垂直方向移动的阀门。闸阀在管路中主要作切断用。

如图5所示，本实施例中，所述流量检测器16安装分别安装在系统的水泵出口分支管路上，可以保证准确测量每一个水泵在工作过程中的流量。

本实施例中，所述球阀控制模块19控制对象为Q5100/TZX系列电动O型调节球阀。Q5100/TZX系统电动O型调节球阀是一种转角为90°的旋转类调节阀，密封性能优良，流通能力大，流阻系数小，结构简单、维修方便、使用寿命长，配用DKJ-Ⅱ、Ⅲ执行器引配日本工装，西德欧姆龙等高性能执行机构。

本实施例中，所述多路高压柜综保单元均选用GKW—1型矿用高压开关柜,其额定电压为3kV，6kV；额定电流为5～400A。

GKW—1型高压开关柜用等边角钢制成骨架，用2mm厚的钢板焊成封闭式，具有防滴防水的作用。前门上装有二次仪表和信号灯，打开前门是操作室，装有脚踏按钮，操作屏上装有操作手柄、操作机构、辅助开关和端子板。后门上装有观察窗，以便观察油断路器的油面情况。母线均涂颜色：A相涂黄色；B相涂绿色；C相涂红色。

后门和隔离开关之间有机械闭锁装置，只有隔离开关断开时才能打开后门，反之，只有关上后门才能合上隔离开关。隔离开关的操作机构与油开关的操作机构之间也有机械闭锁装置，当隔离开关断开时油开关就不能合上，油开关合上时隔离开关就不能打开。保护板下面的小门打开就可以检查电压互感器和高压熔断器。小门与隔离开关之间也有机械闭锁装置，只有隔离开关断开才能打开小门，小门打开隔离开关就不能闭合，以防发生触电事故。

控制水泵房的高压开关柜主要是为水泵电机提供电源，由于水泵电机属于高压大容量电机，不能直接启动，需采用串联电抗器或采用Y-D转换降压启动的方法来启动电机。而这个任务要由高压开关柜来完成。由于采用电抗器降压，在启动的开始阶段，由于功率因数低，在电抗器上的压降大，随着转速的增高，启动电流逐渐减小，且功率因数逐渐增高，其结果是使电抗器上的压降减小，电机上的端电压逐渐增高。这样在启动终了短接电抗器时，冲击电流会小些。电抗器降压启动的接线如图6所示。这样，当PLC发出一个水泵电机启动的命令给高压开关柜后，高压开关柜就会自动完成水泵电机的平稳启动了。

综上，本实用新型采用基于PLC的矿井排水自动控制系统，将使得排水系统可靠性增强，水泵机组可自动启停水泵、开合阀门，极大的减小工人的劳动强度。PLC将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统传至地面生产调度监控中心主机，管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态，又可根据自动化控制信息，实现井下主排水系统的遥测、遥控。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种矿井排水自动控制系统，其特征在于：包括主CPU模块（1）和与其电连接触摸屏（2），所述主CPU模块（1）输入端与第一模拟量输入模块（51）、第一数字量输入模块（61）相连，所述第一模拟量输入模块（51）、第一数字量输入模块（61）输入端分别与水位传感器（3）、真空泵球阀（4）相连，所述主CPU模块（1）输出端与第一数字量输出模块（71）以及多路高压柜综保单元相连，所述第一数字量输出模块（71）输出端分别与真空泵控制模块（8）、第一声光报警模块（9）相连；所述主CPU模块（1）还与多路远程扩展模块连接，所述多路远程扩展模块输入端与温度巡检仪（12）相连，所述每一路远程扩展模块输入端与第二模拟量输入模块（52）、第二数字量输入模块（62）相连，输出端与第二数字量输出模块（72）相连，所述第二模拟量输入模块（52）输入端连接流量传感器（16）、压力传感器（17）和负压传感器（18），所述第二数字量输入模块（62）输入端连接球阀到位信号模块（13）、闸阀到位信号模块（14）和就地控制命令模块（15），所述第二数字量输出模块（72）输出端连接球阀控制模块（19）、电动闸阀控制模块（20）、水泵高压柜控制模块（21）和第二声光报警模块（22）。

2.按照权利要求1所述的一种矿井排水自动控制系统，其特征在于：所述主CPU模块（1）通过RS485总线与高压柜综保单元连接，高压柜综保单元共第一高压柜综保单元（101）、第二高压柜综保单元（102）、第三高压柜综保单元（103）、第四高压柜综保单元（104）四路。

3.按照权利要求1所述的一种矿井排水自动控制系统，其特征在于：所述主CPU模块（1）通过PROFIBUS-DP总线与远程扩展模块连接，远程扩展模块共第一远程扩展模块（111）、第二远程扩展模块（112）、第三远程扩展模块（113）、第四远程扩展模块（114）四路。

4.按照权利要求1所述的一种矿井排水自动控制系统，其特征在于：所述主CPU模块（1）选用德国西门子公司的SIMATIC S7-300系列PLC系统。

5.按照权利要求1所述的一种矿井排水自动控制系统，其特征在于：所述真空泵控制模块（8）控制对象为SZ水环式真空泵。

6.按照权利要求1所述的一种矿井排水自动控制系统，其特征在于：所述流量检测器（16）安装分别安装在系统的水泵出口分支管路上。

7.按照权利要求1所述的一种矿井排水自动控制系统，其特征在于：所述电动闸阀控制模块（20）控制对象为Z2410/ZTX系列电动闸阀。

8.按照权利要求1所述的一种矿井排水自动控制系统，其特征在于：所述球阀控制模块（19）控制对象为Q5100/TZX系列电动O型调节球阀。

9.按照权利要求1所述的一种矿井排水自动控制系统，其特征在于：所述多路高压柜综保单元均选用GKW—1型矿用高压开关柜。