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基于PLC的抽采管网自动放水系统设计

2025-04-09 20 上传者：管理员

摘要：在瓦斯抽采过程中，复杂的地质条件和高含水量导致煤层积水大量进入抽采管路，不仅降低了抽采效率，还对设备造成额外负担。现有的人工巡检与放水方式存在工作量大和效率低的问题，为此采用PLC、电动阀和高精度差压变送器等技术，设计了一套新型自动放水系统，旨在解决传统设备存在的功能缺陷，如放水器无法放水、浮球液位计卡死等问题。现场应用结果显示，采用该系统能够有效减少人工巡检工作，提高瓦斯抽采的整体效率，为煤矿的智能化管理提供支持。

关键词：
Modbus通信
PLC
密闭液位
抽采管网
自动放水系统
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在瓦斯抽采过程中,由于被抽采煤层地质条件复杂,有些采煤工作面煤层中含水量大,在瓦斯泵正常运行时瓦斯抽采管路内的负压又比较高,从抽采钻孔中吸入大量的煤层积水,这些积水进入抽采管内不仅使瓦斯抽采管路的有效抽采横截面面积变小,影响单位时间内通过瓦斯抽采管路的瓦斯流量,而且大量积水混合着瓦斯气体一起运动,抽采泵要克服积水的运动做大量的无用功,这样就会使瓦斯抽采泵的抽采效率大大降低[1-2]｡在煤矿现场,瓦斯抽采管网复杂,积水的地点分散,大部分煤矿靠人工定时巡检放水,存在工作量大､放水不及时､放水器放不出水等问题｡许多专家学者对自动排出瓦斯抽采管路中的积水进行了大量的研究,祝钊等[3]通过对瓦斯抽采管路智能放水系统研究,采用PLC､电磁阀､浮球液位计等设计了一种自动放水系统,能够有效排出瓦斯管路中的积水;苗磊刚等[4]采用电磁阀､浮球液位计､隔爆延时继电器等设计了一种瓦斯抽放管路全自动控制放水装置;朱莹莹等[5]采用机械结构设计了一种新型负压自动放水器,能够对负压管路自动放水;袁鲲鹏等[6]对浮子式储水箱负压自动放水器在工作过程中遇到的积水､积尘问题进行了改进;李向南[7]对CF-Ⅱ型自动负压放水器进行了改良;王祖迅[8]通过采用监控电源箱提供的24V本安直流电源直接驱动电动阀,设计了一种本安直流电动阀的负压自动放水器,在高负压情况下能有效排出抽采管道内的积水｡

本文在前人研究的基础上,采用PLC､电动阀､密闭液位传感器等,设计了一套自动放水系统,解决机械式负压自动放水器放不出水､浮球液位计卡死､测量不准等问题,同时在上位机上实时显示放水器的工作状态,远程操作放水｡

1、瓦斯抽采管网自动放水系统组成及功能

瓦斯抽采管网自动放水系统主要由上位机､交换机､PLC控制器､放水器等组成,在管网的低洼积水处安装放水器,通过电缆将放水器的电动阀和液位传感器接入PLC,再经过光纤､交换机等网络传输设备,将放水器状态和信息传输至上位机｡系统能够实时监测放水器的液位状态,确保在积水时及时打开进水阀,排水时有效关闭进水阀｡同时,监测液位的变化,避免液位传感器失效带来的风险｡当放水器出现异常,如液位传感器失效或电动阀故障,PLC系统能及时发出报警信号,以便进行快速处理,确保系统运行的安全性与可靠性｡该系统能够记录放水器的工作状态和排水历史,便于进行后期数据分析,评估排水效率,优化抽采工艺｡该系统能够在上位机通过人机交互界面使得操作人员可以方便地查看放水器的实时状态､设置工作参数､查看报警信息等,便于操作和管理｡PLC与上位机之间通过工业以太网实现数据交换,确保系统各个组成部分之间的协调运行及数据的实时传输｡

2、放水器工作原理

在瓦斯抽采管网自动放水系统中,放水器是关键设备,主要由出水两通电动阀､集水箱､进水三通电动阀､液位传感器､引压管､差压变送器等组成,如图1所示｡其中出水两通电动阀用于控制积水的排放,集水箱用于收集抽采来的水,进水三通电动阀用于控制从抽采管道到放水器的水流,液位传感器用于实时监测集水箱内的水位高度,引压管帮助进行水位传感及压力传导,差压变送器用于监测和传递系统内的压力变化,排渣孔用于定期清理系统内的沉淀物｡

放水器工作在集水阶段时,液位传感器探测到水位降至下水位时,PLC首先关闭出水阀,接着打开进水阀,这时水由抽采管道流入放水器开始积水｡放水器工作在放水阶段时,液位传感器探测到水位升高至上水位时,PLC会关闭进水阀,打开出水阀｡此时,集水箱内的水在重力作用下自出水口流出,放水器进入放水状态｡通过这2个阶段的循环控制,放水器实现了自动放水和积水的管理,保证了整个瓦斯抽采系统的高效与安全｡PLC在此过程中的作用至关重要,不仅负责实时数据采集,还根据液位的变化智能地调整阀门的状态｡

图1放水器

(1)放水器液位检测

放水器属于一个密闭的容器,在内部承受着一定的正压或负压,采用普通的液位传感器无法精确检测放水器内的液位高度,因此采用高精度的差压变送器作为放水器的液位检测元件[9]｡密闭液位传感器工作原理如图2所示,差压变送器的正极通过毛细引压管与容器液体连通,负极通过毛细引压管与容器上部气体连通,与液位相连接产生的压力为py,与空气相连接产生的压力为pk,容器中液位高度产生的压力为Δp,即差压变送器所采样到的压力｡根据压力与液位的变换公式:Δp=py-pk=ρgnh(ρ为液体密度),传感器通过采样电路采集差压变送器输出的4~20mA电流信号,将差压信号转换为密闭容器内的液位高度,实现了对放水器密闭空间液位的采集｡

图2密闭液位传感器工作原理图

(2)放水器电动执行器设计

电动阀是放水器的主要执行机构,在放水器进水口处设置了1个三通电动阀,保证放水器集水时与抽采管路连通,放水时与大气压连通;在放水口处设置了1个两通电动阀,实现放水的开关操作｡在本文设计中,选用自研的小型电动阀,其控制原理如图3所示,采用127V低压交流电源供电,通过霍尔元件采集电动阀的开到位和关到位信号,可以通过触点､通信､遥控器等多种方式来控制电动阀的动作｡

图3控制原理图

3、PLC控制系统设计

在抽采管网自动放水系统中,采用S7-1200系列PLC作为核心控制单元[10],通过触点和通信方式控制放水器｡由于放水器的安装环境复杂,本文设计使用RS485总线连接8套放水器以采集8个液位传感器的数据,并控制16个电动阀｡PLC处理器通过CM1241通信模块与电动阀和液位传感器进行通信,设定通信参数为9600b/s的波特率､无校验､8位数据位和1位停止位｡PLC作为主站,轮询电动阀状态和液位数据,当液位满足放水或集水条件时,发出控制命令,进行电动阀的开关控制｡为了统一通信协议格式,整个系统采用标准的Modbus-RTU协议｡

(1)PLC与液位传感器通信

PLC作为主站通过功能码03(读取多个寄存器)获取传感器的液位数据｡传感器作为从站,接收来自主站的读取命令｡当传感器地址与主站请求的地址匹配时,它将应答数据返回给主站,数据帧格式如表1和表2所示｡表1､表2中的数据均以16进制表示,并提供了传感器所占用的字节数｡在通信协议中,数据帧使用循环冗余校验(CRC校验),只有在校验通过后传感器才会发送应答数据,有效提高了传感器的可靠性和抗干扰能力｡

表1取数命令格式

表2传感器应答数据帧格式

(2)PLC与电动阀通信

PLC作为主站通过功能码03(读取多个寄存器)获取电动阀的状态,并通过功能码06(写入单个保持寄存器)对电动阀进行控制｡读数命令格式和控制命令格式如表3和表4所示,表3､表4中的数据均为16进制数｡以1#电动阀为例,电动阀的状态寄存器定义为1个,起始地址为0x0001,并对每个位进行详细定义,其中Bit0表示开到位,Bit1表示关到位,Bit2表示中间位置,Bit3表示正在开启,Bit4表示正在关闭,Bit5表示阀门无法开启,Bit6表示阀门无法关闭,Bit7表示开启超时,Bit8表示关闭超时｡电动阀的控制寄存器同样定义为1个,起始地址为0x0100(可读写),其中0x00H表示不操作,0x11H表示开启阀门,0x22H表示关闭阀门｡

表3读数命令格式

表4控制命令格式

(3)PLCModbus程序设计

在S7-1200系列PLC中,通过使用Modbus初始化指令(MB_COMM_LOAD)和Modbus主站指令(MB_MASTER)进行编程,如图4所示｡首先,在第1次扫描周期内配置MB_COMM_LOAD指令的通信端口PORT､波特率BAUD和通信背景块MB_DB等硬件参数,以完成通信口的初始化｡接着,在MB_MASTER指令中设置从站的通信地址MB_ADDR､工作模式MODE(0表示读数命令,1表示写入命令)､数据长度DATA_LEN以及数据指针DATA_PTR等功能引脚参数｡轮询程序依次发送MB_MASTER指令,从而实现对多个Modbus从站数据的读写操作,实现PLC对液位传感器数据的采集和对电动阀的有效控制｡

4、组态软件设计

自动放水系统主要应用于瓦斯抽采管网,通过组态软件开发了人机交互界面[11],如图5所示｡从人机界面上可以直观地观测放水器的液位､阀门状态(阀门红色代表关到位,绿色代表开到位)等｡放水器可以工作在自动和手动模式,在自动模式下,放水器由PLC根据液位协调控制进水阀和出水阀的操作;在手动模式下,由值班人员操作控制进水阀和出水阀进行控制｡

图4Modbus通信程序功能块图

图5上位机软件人机交互界面

5、现场应用情况

系统设计完成后,在山西某煤矿瓦斯抽采泵站进行了应用,在抽采系统的进气管路和出气管路上安装了8套放水器｡验证了稳定性与可靠性,评估放水器在液位变化时PLC的控制响应速度｡现场应表明,放水器在高水位时,能够根据放水流程自动打开和关闭电动阀,实现放水操作｡放水器在低水位时,能够根据放水流程自动打开和关闭电动阀,实现集水操作｡自系统运行以来,工作稳定,放水可靠,液位采集正常｡

6、结语

(1)采用差压变送器作为液位检测元件,解决了普通液位传感器在密闭､高压环境下测量不准的问题,实现了对放水器内液位的精确检测｡通过PLC编程,实现了对放水器进水阀和出水阀的自动控制,确保了管网中存在的积水及时排出,减少能源消耗｡利用组态软件,开发了人机交互界面,实现了对放水器工作状态的实时监控和远程管理,提高了系统的操作便利性和管理效率｡同时,系统具备故障自诊断功能,能够在液位传感器失效或电动阀故障时及时发出报警信号,确保系统的安全性和可靠性｡

(2)自动放水系统减少了人工巡检和放水的工作量,提高了放水的及时性和准确性,从而提升了瓦斯抽采的整体效率｡通过实时监测和智能控制,避免了因积水导致的管路堵塞和抽采泵损坏等安全隐患,提高了煤矿生产的安全性｡系统为煤矿的信息化和智能化管理提供了有力支持,未来可进一步与煤矿的其他管理系统集成,实现更高水平的自动化和智能化｡

(3)根据实际应用情况,不断优化控制算法,提高系统的控制精度和响应速度,以更好地适应复杂多变的煤矿环境｡建立完善的系统维护和管理机制,定期对设备进行检修和保养,确保系统的长期稳定运行｡在更多煤矿推广应用该系统,积累更多的实践经验,为其进一步改进和优化提供有力支持｡

参考文献:

[1]李娜.瓦斯抽采的自动放水器试验设备的研发[J].矿山机械,2019,47(4):68-69.

[2]王伟,陈学习,杨庚宇,等.瓦斯抽采管路可视化排水排渣系统研究[J].煤炭技术,2017,36(1):193-195.

[3]祝钊,贾振元,冯智鹏,等.瓦斯抽采管路智能放水系统研究[J].煤矿安全,2013,44(1):94-96.

[4]苗磊刚,郑旋,牛园园.瓦斯抽放管路全自动控制放水装置[J].煤矿安全,2013,44(12):110-111.

[5]朱莹莹,杨啸剑,李飞航,等.新型负压自动放水器的设计[J].煤矿机械,2015,36(7):21-23.

[6]袁鲲鹏,张百胜,金力波.煤矿瓦斯抽放管路自动放水装置改进及应用[J].煤炭技术,2017,36(4):207-209.

[7]李向南.CF-Ⅱ型自动负压放水器的改良与应用[J].煤,2018,27(1):60-61+69.

[8]王祖迅.基于本安直流电动阀的负压自动放水器[J].煤矿安全,2021,52(2):161-164.

[9]王祖迅.基于差压的矿用密闭液位传感器设计[J].煤矿机械,2022,43(1):10-13.

[10]唐辉辉.基于S7-1200的煤矿自动化排水系统设计[J].煤矿机械,2019,40(7):182-185.