基于PLC的井下局部制冷装置控制系统设计.pdf

第44卷第3期2023年6 月煤矿机电Colliery Mechanical&Electrical TechnologyVol.44 No.3Jun.2023设计研究曹鹏.基于PLC的井下局部制冷装置控制系统设计J.煤矿机电，2 0 2 3,44（3）：1-5.doi：10.16 545/j.c n k i.cmet.2023.03.001基于PLC 的井下局部制冷装置控制系统设计曹鹏1.2.3（1.煤炭科学研究总院有限公司，北京10 0 0 13；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺11312 2；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺11312 2）扫码移动阅读摘要：局部制冷装置是高温矿井热害治理的重要装备，在国内应用广泛，但在设备使用过程中，存在着操作流程复杂、运行故障率高、自动化程度低等问题。为解决上述问题，分析了局部制冷装置的组成、工作原理、安装位置和监控需求，构建了局部制冷装置控制系统框架，基于PLC设计了局部制冷装置控制系统。该系统能够实时监测局部制冷装置运行状态，能够针对局部制冷装置的故障进行及时的停机保护，可简化操作流程，提供集控启动和停机功能，提升局部制冷装置工作效率和热害治理效果，为煤矿热害治理装备自动智能化升级改造提供有益借鉴。关键词：热害治理；局部制冷装置；PLC；控制系统中图分类号：TP273Design of Underground Local Refrigeration DeviceControl System Based on PLCCAO Peng.i2.3(1.CCTEG Chinese Institute of Coal Science,Beijing 100013,China;2.CCTEG Shenyang Research Institute,Fushun 113122,China;3.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology,Fushun 113122,China)Abstract:The local refrigeration device is an important equipment for the treatment of thermal hazards in high-temperature mines,which is widely used in China.However,during the use of the equipment,there are problemssuch as complex operating procedures,high failure rates,and low automation.In order to solve the aboveproblems,the composition,working principle,installation position and monitoring requirements of the localrefrigeration device were analyzed,the control system framework of the local refrigeration device was constructed,and the control system of the local refrigeration device was designed based on PLC.The system can monitor theoperation status of the local refrigeration device in real time,provide timely shutdown protection against the failureof the local refrigeration device,greatly simplify the operation process,and provide centralized control start andstop functions.Improving the efficiency of local refrigeration devices and the effectiveness of thermal hazardmanagement provided useful reference for the automatic intelligent upgrading and transformation of coal minethermal hazard management equipment.Keywords:thermal hazard management;local refrigeration device;PLC;control system0引言近些年来，矿井开采快速向深部延伸，高温矿井*辽宁省“兴辽英才计划”项目（XLYC2007153）文献标志码：B文章编号：10 0 1-0 8 7 4(2 0 2 3)0 3-0 0 0 1-0 5数量不断增加，矿井热害问题日趋严重。井下局部制冷装置利用压缩机制冷原理产生的冷量改善工作面内部湿热环境，降低高温热害对煤矿井下工人身2体健康的影响，是高温矿井热害治理的重要设备，在国内应用广泛13。但目前局部制冷装置仍停留在手动启停，工人边操作边观察机械表的模式，操作流程复杂，运行故障率高，影响高温矿井热害治理效果。为实现对局部制冷装置自动智能化控制,基于PLC设计局部制冷装置控制系统，可实现设备运行状态监测、集控操作、故障保护等功能，提升运行稳定性和热害治理效果，促进煤矿热害治理装备向智能化方向发展47 1井下局部制冷装置组成及原理井下局部制冷装置的组成、安装位置与工作原理如图1所示。局部制冷装置主要由水冷冷凝机组、蒸发器、对旋风机、回冷器、喷淋水泵、冷却水泵等组成，依据功能不同，分别组合安装于工作面和主回风巷。装置工作原理：制冷压缩机吸入低压气态制冷剂，将其压缩成高温高压的蒸汽，然后流经水冷冷凝器进行冷却,形成低温高压的液态制冷剂,再由膨胀阀降温降压，形成低温低压的气液两相混合物进入蒸发器。蒸发器中的液态制冷剂气化后吸收对旋风机压入空气的热量,达到制冷效果。制冷剂经过蒸发器螺旋铜管后再次变成低压气态，进入制冷压缩机进行循环工作。压缩机可通过能级阀调节系统能级,即制冷能力。回冷器将水冷冷凝机组制冷过程中产生的热量通过喷淋作用排放至主回风主巷中,使其随风流传送至地面。水冷冷凝机组和回冷器之间通过钢制水管连接，将水作为载体，实现热量传递。主回风巷回冷器风筒对旋飞风机喷淋水泵制冷压缩机电动机水冷冷凝器水冷冷凝机组冷却剂循环水冷冷凝循环-工作面图1局部制冷装置组成、安装位置与工作原理2控制系统总体方案设计局部制冷装置控制系统设计过程中要充分考虑煤矿机电热害矿井高温高湿环境，系统需具备防潮、防爆、防尘能力。在可靠性方面，系统能够保持长时间稳定运行，为局部制冷装置提供稳定可靠的状态监测与故障保护功能，同时系统要具备较强的扩展能力，便于系统功能扩展与升级。以此为基础，利用光纤通信、计算机、工业总线、自动化控制等技术，根据局部制冷装置具体的组成与安装位置、工作原理、监控需求,设计具有主从分布结构的局部制冷装置控制系统。局部制冷装置控制系统总体结构设计如图2所示。监测主机管理层PLC主站控制层口RS485总线现场层温度压力组合25%50%75%组合流量传感器传感器开关能级阀 能级阀能级阀开关传感器图2 局部制冷装置控制系统总体结构设计由图2 可知，局部制冷装置控制系统由管理层、控制层、现场层组成。管理层由监测主机与组态软件组成，监测主机通过光纤获取PLC主站发送的数据，实现局部制冷装置核心运行参数与状态的图形化呈现。控制层由PLC主站和从站组成,PLC主站和从站分别布置于工作面和主回风巷,用于采集、解码、计算传感器信息以及输出控制信号完成对局部降温系统各个执行机构的控制，同时为连接在控制箱上的其他本安设备供电。现场层由压力传感器、流量传感器、温度传感器、组合开关、能级阀等组成。冷却水泵冷却水箱-蒸发器对旋风筒风机喷淋循环.2023年第44卷组态软件光纤硬接线PLC从站H州回风巷面：局部制冷装置核心参数包括压缩机温度、吸器压力、排气压力、排气温度、冷凝水流量等，通过现场层布置的温度、压力、流量等传感器采集关键运行参数，利用RS485总线将数据传输至PLC主站与从站，同时组合开关和能级阀等装置根据PLC主站与从站指令，进行动作，分别实现电动机启停控制与压缩机能级调节。3系统硬件设计根据局部制冷装置控制系统总体结构，设计控制系统硬件结构与连接关系如图3所示。由图3可知,PLC主站与从站在结构上相似,主要由西门子12 0 0 PLC和ET200SP模块、本安电源、隔离采集板、光纤收发模块组成。其中,PLC内嵌有控制程序，用于传感器信息的解码计算、局部制冷装置逻辑判断、输出指令控制执行机构动作；ET200RS485总线2023年第3期SP为西门子12 0 0 PLC远程I0模块；本安电源用于将非安电源转换成本质安全电源，为隔离采集板和其他本安型用电设备供电；隔离采集板用于隔离本安与非本安电路信号；光纤收发模块用于光电信号转换，实现远距离数据传输10 光电交换机PLC主站PLC从站集控启动和停止组合开关25%50%75%能级阀压缩机温度压缩机排气压力压缩机吸气压力压缩机排气温度图3控制系统硬件结构与连接关系在功能方面,PLC主站包括:2 路光口,用于与PLC从站和监测主机之间的数据传输;1路本安RS485接口，通过总线通信，采集压缩机温度、压缩机排气压力、压缩机吸气压力、压缩机排气温度等数据；8 路本安开关量输入，用于接收组合开关合闸反馈信号和集控启停信号；8 路本安开关量输出，用于组合开关、2 5%能级阀、50%能级阀、7 5%能级阀启停控制。PLC从站包括：2 路光口，用于与PLC主站之间的数据传输;1路本安RS485接口，通过总线通信，采集冷凝水流量数据；8 路本安开关量输人，用于接收组合开关合闸反馈信号和集控启停信号；8路本安开关量输出，用于组合开关启停控制。4系统软件设计根据局部制冷装置控制系统，设计局部制冷装置自动开机流程、自动关机流程、紧急停机流程。软件采用模块化设计，不同控制流程间可相互调用彼此模块,降低程序开发与维护难度。3种控制流程在压缩机开关机过程中均需要调节压缩机能级即加载与减载，以降低电流对压缩机的冲击,设计定义系统能级与状态，并用PLC变量MB11值表征，MB11具体值表征含义如表1所示。系统自动开关机流程如图4所示。由图4(a)可知，自动开机流程包括按键确认模块、可独立启动模块、压缩机启动模块。按键确认模块检测到操作人员集控启动指令时，系统进入自动开机流程，此时曹鹏：基于PLC井下局部制冷装置控制系统设计研究集控启动开关量开关量输入输入开关量开关量采集隔离板输出西门子1200PLCRS485以太网口+本安光纤收发电源模块3系统存在3种运行状态：当MB11=0,系统立即完成开机准备；当MB11=10，该模块关闭2 5%能级阀后,系统完成开机准备；当MB11=255,等待压缩机停机10 min后，系统完成开机准备。可独立启动模块顺序延时启动冷却水泵、喷淋水泵、回冷器对旋风机、蒸发器对旋风机等，启动过程中，通过反馈变量值判断对应装置是否启动成功，若上述装置均成功启动，自动开机流程进入压缩机启动模块。压缩机和停止启动模块先开压缩机风扇，当接收到运行反馈信号组合开关输出采集隔离板西门子ET200SPRS485以太网口光纤收发本安模块电源并经过0.5s延时后，开启2 5%能级阀，此后经过30s延时且冷凝水流量2 0 m/h，在2 5%能级轻载启动压缩机，该模块通过能级阀对压缩机进行逐冷凝水步加载，直至压缩机进人到10 0%能级，自动开机流流量程完成。MB11值0压缩机停机10 min以上，能级阀均关闭255压缩机停机未达到10 min，能级阀均关闭1025%能级阀打开，压缩机未启动125%能级阀打开，2 5%能级，压缩机启动12(21)25%、50%能级阀均打开，能级过度，压缩机运行250%能级阀打开，50%能级，压缩机运行23(32)50%、7 5%能级阀均打开，压缩机运行375%能级阀打开，7 5%能级，压缩机运行4能级阀均关闭，10 0%能级，压缩机运行3125%、7 5%能级阀均打开21(12)25%、50%能级阀均打开，能级过度，压缩机运行32(23)50%、7 5%能级阀均打开，能级过度，压缩机运行由图4(b)可知，自动关机流程包括压缩机关闭模块和可独立关闭模块。压缩机关闭模块检测到集控停止指令时，系统开始自动关机流程，首先该模块检测压缩机能级，根据所处能级进行减载停机。当MB11=4,系统10 0%能级时,该模块延时1 s开启75%能级阀，将系统调整至7 5%能级，若MB114，该模块根据MB11值判断系统能级,并跳转至对应流程对压缩机进行减载停机，直至压缩机停机10min,25%能级阀关闭，然后自动关机流程由压缩机关闭模块跳转到可独立关闭模块。可独立关闭模块顺序延时关闭蒸发器对旋风机、回冷器对旋风机、喷淋水泵、冷却水泵,通过反馈变量值判断对应装置是否停止，当冷却水泵停止时，自动关机流程结束。根据局部制冷装置保护需求设计紧急停机条件，当满足紧急停机条件时，软件发出紧急停机命令，进入紧急停机流程，紧急停机条件如表2 所示。表1MB11值具体含义系统能级与状态煤矿机电MB11=3MB11=0开压缩机风扇开始10.1=1且T1130.5 s按键确认模块否MB11=255MB11=0.10T132600s是MB11=0准备完成MB11=0冷却水泵启动10.0=1且T1112 s可独立启动模块MB11=010.1=1且T1122 s MB11=0回冷器对旋风机10.41且.10.5=1且T1142sMB11=0蒸发器对旋风机10.21且10.3=1且T1152s（a）自动开机流程表2系统紧急停机条件序号故障类型1吸气压力低2吸气压力高3排气压力高4冷凝水流量低130 开始否紧急停机命令结束是MB11保持停压缩机MB11=4、1、12香紧急停机卸载模块MB11=3、32香MB11-21T15015 sMB11=255开2 5%能级阀T13215 sMB11=255关压缩机风扇T132500 sMB11=0关闭2 5%能级阀2023年第44卷开始文否MB11=4是T14021s75%能级阀开.T141120s否VB11=3、32、2 3是MB11=32开50%能级阀MB11-1025%电磁阀开启T13430s冷凝水流量20m/h是压缩机启动模块MB11=110.0=1且T13530sMB11=12开50%电磁阀T13615sMB11=2关2 5%电磁阀T137150s喷淋泵启动MB11-23T13815sMB11=3关50%电磁阀T139180s停7 5%电磁阀、进MB11=4入10 0%能级运行T139195sMB11=4结束图4系统自动开关机流程系统紧急停机流程如图5所示。由图5可知，判断依据能级条件处理方式0.4 MPa0紧急停机2 MPa?0￥0任意能级紧急停机故障排除后是否继续关机是并且T153120sMB11=0蒸发器对旋风机是10.2=0.且10.3=0且T11715sMB11=0回冷器对旋风机是10.3=0且10.4=0且T1182s可独立关闭模块MB11=31MB11=0MB11=0图5系统紧急停机流程T14215sMB11=2压缩机关闭模块压缩机运行开7 5%电磁阀紧急停机紧急停机紧急停机喷淋泵停止10.1=0且T119120s冷却水泵10.0=0结束MB11=0关7 5%能级阀.T143120sVB11=2、2 1、12是MB11=21开2 5%能级阀T14415sMB11=1关50%电磁阀.T14510sMB11-255停压缩机T132120sMB11-255停压缩机风扇T132150sMB11=0关2 5%电磁阀T14615s(b）自动关机流程系统紧急停机流程包括紧急停机卸载模块、可独立关闭模块、压缩机启动模块。紧急停机卸载模块查询到紧急停机命令后在第一时间关闭压缩机，以防止压缩机损坏，并保持MB11值。当MB11=4或1或12 时，该模块在延时15s和50 0 s后分别关闭风扇和2 5%能级阀；当MB11=3或32，该模块开启否并且MB11=0T15460sMB11=10-25%能级阀开启IT13430s冷凝水流量2 0 m/h是MB11=1压缩机运行压缩机启动模块10.0-1且T13530sMB11=12开50%能级阀T13615sMB11-2关2 5%能级阀T137150sMB11-23开7 5%能级阀T13815sMB11=3关50%能级阀T139180s停7 5%电磁阀、进入MB11=4100%能级运行状态T139195sMB11=4结束MB11=010.2=0.且10.3=0且T11715sJMB11=0回冷器对旋风机可独立关闭模块10.40且10.5=0且T1182sJMB11=0喷淋水泵停止10.1=0且T119120sMB11=0冷却水泵停止10.00结束MB11=0开压缩机风扇10.1=1且T1330.5 s蒸发器对旋风机2023年第3期25%能级阀，关闭50%能级阀，延时15s和50 0 s后,分别关闭风扇和2 5%能级阀；当MB=21时,该模块关闭50%能级阀，延时15s和50 0 s后，分别关闭风扇和2 5%能级阀。当紧急停机卸载模块流程结束且故障恢复正常时，主程序根据系统设置选择继续关机或者重新开机，若继续关机则执行可独立关闭模块，反之执行压缩机启动模块。5结论局部制冷装置是国内高温矿井热害治理使用最广泛的装备，其稳定运行直接影响矿井热害治理效果。本文以局部制冷装置为研究对象，针对局部制冷装置运行故障率高、操作流程复杂等问题，利用西门子PLC模块对局部制冷装置控制系统进行设计和分析。该系统可实现装置运行参数与状态的实时监测，提供故障停机保护功能，简化操作流程，实现集控启动和停机功能，提升局部制冷装置运行稳定性和效率，为煤矿热害治理装备自动化和智能化升级改造提供技术支撑。曹鹏：基于PLC井下局部制冷装置控制系统设计研究J.煤炭工程,2 0 15,47(4):14.3蓝航，陈东科，毛德兵.我国煤矿深部开采现状及灾害防治分析J.煤炭科学技术,2 0 16,44（1):39-46.4梁毅勇.煤矿采煤系统智能控制技术研究J.能源与环保，2021,43(3):154-157.5 张兴.基于PLC的给煤机控制系统设计J.机械管理开发，2021,36(3):226-227.6向晓汉.西门子PLC完全精通教程M.北京：化学工业出版社,2 0 14.7张兴.基于PLC的给煤机控制系统设计J.机械管理开发，2021,36(3):226-227.8 冯德清，赵向东，陈洲.深部开采局部降温技术在徐庄煤矿的应用J.工矿自动化，2 0 13,39（3）：9 2-9 7.9王天龙，宋海涛，董洪波.煤矿小断面硬岩巷掘进用远控钻机J.煤矿安全,2 0 2 1,52(9)：16 7-17 1.10丁琰.煤矿安全生产监控与通信技术分析J.矿业装备，2021(4):182-183.作者简介：曹鹏（19 8 9 一），男，工程师。2 0 0 8 年毕业于东北农业大学，现主要从事煤矿机电装备安全技术与智能化技术研究工作。（收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 4；责任编辑：任雨晴）5参考文献：1袁亮.淮南矿区矿井降温研究与实践J.采矿与安全工程学报,2 0 0 7,2 4(3):2 9 8-30 1.2何满潮，郭平业.徐州矿区深部开采热害治理现场试验研究