PLC控制在井下水仓无人自动排水中的应用

时间：2023-04-09 11:00:07 来源：千叶帆本文已影响人

孙杰，史殿峰

（辽宁铁煤集团，辽宁铁岭 112700）

1）使用条件。该控制系统可使用在额定电压1 140 V或660 V交流50 Hz的供电线路中，通过自行设计可编程控制器PLC运行程序，对两台三相交流水泵的水位监控，实现无人自动起动、停止以及二者自动切换进行控制，并同时对水泵开启前进行自动补水控制，可根据高、低水位自动控制补水箱的供水与停水，同时对水泵温度及压力进行实时监测，当温度超限或者压力过高，可编程控制器可以对其进行实时监测进行保护，并发出报警信息，提示就近维护人员前来进行故障处理[1]。通过将一个AC 220 V/DC 12 V本安电源安装到本控制开关内，利用此本安电源将外部引入的各个水位控制信号以及温度、压力等模拟量信号进行A/D转换后，送到控制器进行计算，比较，在进行控制保护。

2）控制系统采用元件HHY3P液位自动控制器（AC 36 V电源，触头容量220 V/5 A）高、中、低水位；
水泵电机、泵体温度保护元件采用PT100，它的阻值跟随温度的变化成正比关系，PT100的阻值与温度变化关系为：当PT100温度为0℃时它的阻值为100 Ω，在100℃时它的阻值约为138.5 Ω。阻值会随着温度上升而成匀速增长的，属于正温度系数电阻。PT100的热电阻大概温度变化1℃时，电阻值变化0.4 Ω。当泵1（包括水泵电机、泵体）本体或泵2本体（包括水泵电机、泵体）任一出现温度过高时，编程控制器实时接收温度信号，当任一温度实际值与程序内部设定值进行比较，当大于设定值时，PLC输出执行超温保护停机；
温度变送器型号为TM6921-1111属于热电阻输入，智能温度变送器，它采集PT100的温度信号，转换成两路0～5 V电压信号，送入EM231的A/D模块内部进行转换，再送给主控制器内进行温度比较计算，输出保护；
压力变送器，管路压力的压力变送器型号为BOOST PSC-3051，应用了先进的数字技术及频率相移键控技术，提高了整机性能可靠性，方便了现场和控制室之间的连接[2-3]，它的核心是一个电容式压力传感器，是一个完全密封的组件，过程压力通过隔离膜片和灌充液硅油传到感压膜片引起位移。传感膜片和两电容极板之间的电容差由电子部件转换成4～20 mA DC的二线制输出的电信号。它的组成由“δ”室传感器（敏感元件）、线路板模块、A/D转换、微处理器、EEPROM存储器、D/A转换器、数字通讯等构成，它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号（如4～20 mA DC等），在这里将此信号送到A/D模块进行转换后送到可编程控制器中进行比较，实现自动控制。压力变送器是一种接受压力变量,经传感转换后,将压力变化量按一定比例转换为标准输出信号的仪表。其原理大致是：将水压这种压力信号转变成电流（4～20 mA）信号，压力和电压或电流大小成线性关系，一般是正比关系，所以，变送器输出的电压或电流随着压力增大而增大，得出一个压力和电压或电流的关系。该系统中当泵1管路或泵2管路任一出现压力值超限时，编程控制器实时接收压力信号，当任一压力的实际值与设计程序内的设定值比较，当大于设定值时，PLC输出执行超压保护停机；
本控制开关A/D模拟量转换模块采用EM231模拟量转换模块，其地址分布A+，A-为AIW0 B+，B-为AIW2 C+，C-为AIW4 D+，D-为AIW6，不用的口要用短接线连接，防止该口有误动作信号输入。

该系统采用S7-200可编程控制器CPU224CN和一块EM231模拟量转换模块，压力变送器输出4～20 mA电流信号，经A/D转换后，得到的数值是6 400～32 000，即A0=4，Am=20，D0=6 400，Dm=32 000，代入公式，得出A=（D-6 400）×（20-4）/（32 000-6 400）+4。

该模拟量与AIW0对应，则当AIW2的值为12 800（就是D的值）时，相应的模拟电信号是6 400×16/25 600＋4＝8 mA。（A=（D-6 400）×（20-4）/（32 000-6 400）＋4，代入数值A=（12 800-6 400）×（20-4）（/32 000-6 400）＋4，推导出6 400×16/25 600＋4=8 mA。

温度传感器，-50～200℃与4～20 mA相对应，以T表示温度值，AIW0为PLC模拟量采样值，则根据上式直接代入得出：T=70×（AIW0-6 400）/25 600-10可以用T直接显示温度值。

图1 电路设计原理图

主泵在工作前首先对其进行补水操作，补水箱上配置Φ25进水阀门、开关内部采用HHY3P液位自动控制器，该控制器采用AC 36 V电源，触头容量为220/5 A，内部具有高、中、低水位控制，其内部控制继电器在高水位时工作，液位控制器内部继电器常开点闭合，PLC-I0.4有输入信号，对应PLC-Q0.7输出信号，控制KA7和KA8得电。其中KA8常闭点（129、130）断开电动球阀的K1、K2输入信号，这时补水电动球阀关闭，停止自动上水。当水位下降低于中水位以下时，又接通补水电动球阀内部的K1和K2，这时补水电动球阀开启，自动上水。到高水位时关闭，如此循环。KA8得电后，KA7本身的两对常开接点闭合，分别串入由PLC输出Q0.0和Q0.1先导控制KA1-A1和KA2-A1回路中，以保证只有补水箱中的水处于高水位时，才允许泵1和泵2得电开始排水。以防止水泵工作前出现吸空现象。在PLC输出给泵1、泵2开关的先导回路串接如下：控制本回路启动控制器来的常开点；
互锁对方的水泵开关内KA1或KA2；
串接一个如果PLC可编程控制器故障时，断开自动控制改为本身手动控制的钮子开关NK1或NK2；
在泵1、泵2远控线K1、K3之间除串接KA1或KA2中间继电器常闭点之外，再串接对方主接触器KM1或KM2的常闭点K13、K14，这样就是保证当泵1或泵2开关本身出现故障跳闸时，由于可编程控制器输出的先导信号是同时的，如果泵1开关出现问题，当泵2开关在其他条件具备的情况下自动切换泵2运行，以保证水位不超限。系统手动/自动原理在两个泵的输出先导回路K1、K3之间除一个可编程控制器输出控制接点，对方磁力开关回路中间继电器和接触器常闭点闭锁之外，再串接一个钮子开关NK1（断泵1自动）、NK2（断泵2自动），以作为当本控制开关可编程控制器出现故障时，扳动这两个扳倒开关，断开给两个泵的自动控制信号，由人工操作水泵本身控制磁力开关进行近控启动或者远方启动。两个泵的高、中、低水位之间设计有一定高度，防止两个泵之间同时具备条件启动。水位开关设计高度按照主泵1在最下端，依次在中间是超主泵1高水位报警，在上端就是副泵2的高、中、低水位。当泵1和泵2本身开关同时出现过流、漏电等故障时，可自动切断故障开关本身控制回路，PLC自动控制就不起作用。

井下水仓无人自动排水PLC控制应用技术项目通过铁煤集团大兴矿采区污水仓的实际应用，得到现场操作人员的一致好评，通过自动监测工作水位及警戒报警水位，实现程序自动运行，控制两台锻泵的自动启动运行和超警戒水位报警，通过泵站管路压力和泵体温度自动监控，实时进行自动保护。这一项目的投入运行，在智能化矿山建设上实现了无人化作业，实现了减员提效，设备安全稳定运行，值得推广使用。

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