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        基于S7-300 系列控制器的礦井降溫控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

        2021-02-07 08:33:20于小伍
        山東煤炭科技 2021年1期
        關(guān)鍵詞:調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)

        于小伍

        (兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧二號(hào)煤礦,山東 濟(jì)寧 272071)

        礦井降溫系統(tǒng)采用西門子PLC S7-300 模塊對(duì)礦井降溫系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程實(shí)時(shí)控制,實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、液位等參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中的各種故障及突發(fā)情況的自動(dòng)保護(hù)、報(bào)警動(dòng)作,通過(guò)工控軟件在計(jì)算機(jī)中模擬并實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行過(guò)程,全面及時(shí)地掌握降溫系統(tǒng)的運(yùn)行情況,并根據(jù)運(yùn)行情況對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制,有效解決了冬季井筒防凍和夏季高溫?zé)岷纱髥?wèn)題。

        1 自動(dòng)降溫系統(tǒng)的工作原理

        該系統(tǒng)于2017 年6 月正式投產(chǎn)使用,自投用以來(lái),該系統(tǒng)運(yùn)行效果明顯,既可實(shí)現(xiàn)夏季制冷,又可實(shí)現(xiàn)冬季制熱,有效解決了夏季礦井高溫?zé)岷?、冬季井筒防凍兩大?wèn)題。該系統(tǒng)由3 臺(tái)離心式熱泵機(jī)組、2 臺(tái)螺桿式熱泵機(jī)組組成。離心機(jī)組功率為909 kW,夏季制冷量為4000 kW,冬季制熱量為4300 kW。螺桿機(jī)組功率為335.8 kW,夏季制冷量1182 kW,冬季制熱量1499 kW。離心機(jī)組、螺桿機(jī)組制冷劑均采用R134a。該系統(tǒng)供主副井制冷或制熱,夏季原水箱中的水經(jīng)過(guò)水處理裝置進(jìn)入純水箱打入冷卻塔,冷卻塔中的冷卻水通過(guò)冷卻泵補(bǔ)水進(jìn)入機(jī)組冷凝器;來(lái)自主副井的低溫水回收通過(guò)冷凍泵補(bǔ)水進(jìn)入機(jī)組蒸發(fā)器,蒸發(fā)器出來(lái)的低溫冷媒水通向主副井,以此循環(huán)供主副井夏季制冷。

        該系統(tǒng)選用3 臺(tái)離心機(jī)組和2 臺(tái)螺桿機(jī)組,選用一臺(tái)S7-300、兩臺(tái)分站smartPLC、溫度、壓力傳感器和變頻器等組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)方案圖如圖1。

        2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及軟件設(shè)計(jì)

        2.1 溫度傳感器

        該系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器來(lái)檢測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度,選用KG3007A 礦用本質(zhì)安全型溫度傳感器,輸出4~20 mA 信號(hào),共有16 臺(tái)溫度傳感器。KG3007A 溫度傳感器的溫度探頭選用精密半導(dǎo)體感溫元件。單片機(jī)讀取探頭的溫度信號(hào)經(jīng)運(yùn)算處理后進(jìn)行溫度數(shù)值顯示,同時(shí)根據(jù)檢測(cè)溫度輸出對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào),選用STC-106 集成8 路PT100 進(jìn)行溫度測(cè)量。

        圖1 系統(tǒng)方案圖

        2.2 壓力傳感器

        該系統(tǒng)選用GPD20 礦用本安型壓力傳感器,輸出4~20 mA 信號(hào),共有22 臺(tái)壓力傳感器。

        2.3 流量傳感器

        該系統(tǒng)選用GLCS250/500 礦用流量傳感器,共有2 個(gè)流量傳感器。

        2.4 PLC

        該系統(tǒng)選用德國(guó)西門子S7-300 系列PLC。S7-300 是一種小型的可編程序控制器,其許多功能達(dá)到大中型PLC 的水平,而且價(jià)格較低,得到廣泛的應(yīng)用。

        2.5 PLC 軟件系統(tǒng)

        該系統(tǒng)利用STEP7-Micro/WIN V5.5 編程軟件。系統(tǒng)設(shè)置2 個(gè)分站,分別是副井口溫度采集控制、二級(jí)站礦井水復(fù)用泵房水泵控制。從1#分站讀取二級(jí)站循環(huán)水泵的狀態(tài),從2#分站讀取溫度檢測(cè)數(shù)據(jù),之間通過(guò)485 通訊連接。

        系統(tǒng)選用S7-300PLC CPU31C-2DP 作為控制核心,由1 對(duì)IM365 模塊、1 個(gè)以太網(wǎng)模塊、7 個(gè)SM321 開(kāi)關(guān)量輸入模塊、1 個(gè)SM322 開(kāi)關(guān)量輸出模塊和4 個(gè)SM331 模擬量輸入模塊組成,與現(xiàn)場(chǎng)各類傳感器及控制器組成西門子自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。

        3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

        3.1 控制功能

        系統(tǒng)通過(guò)PLC 監(jiān)控系統(tǒng)在無(wú)人值守的情況下,按設(shè)定的要求,能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組、水泵、風(fēng)機(jī)的自動(dòng)啟停和輪換,根據(jù)該礦副井口溫度的設(shè)定,自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組的運(yùn)行工況,滿足該礦的通風(fēng)降溫和防凍需求。

        3.2 顯示功能

        在能源站值班室上位機(jī)上能夠?qū)崟r(shí)顯示機(jī)組、水泵、風(fēng)機(jī)等的工作狀態(tài),以及水位、溫度、壓力、流量、電流、頻率等參數(shù),去主副井的供水溫度及回水溫度,便于值班人員能夠直觀地了解系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

        3.3 組態(tài)畫面

        啟動(dòng)組態(tài)王進(jìn)入主畫面,由信息窗口看到組態(tài)王的運(yùn)行狀況。啟動(dòng)組態(tài)監(jiān)控之后,會(huì)自動(dòng)顯示組態(tài)畫面,如圖2。

        圖2 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面

        4 冬季副井口溫度自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

        該礦能源站建設(shè)初期,冬季供暖期間一直通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)上顯示的副井口溫度的變化,由值班人員人工調(diào)節(jié)閥門的方式控制換熱器進(jìn)口蒸汽閥門的開(kāi)啟程度大小,現(xiàn)場(chǎng)閥門位置較高調(diào)解不方便,人工調(diào)節(jié)精確度誤差較大且不具有實(shí)時(shí)性。為實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)蒸汽流量,提高調(diào)節(jié)精確度,通過(guò)通訊方式(副井口溫度為485 接線方式,modbus 通訊協(xié)議)把副井口溫度采集到下位機(jī)系統(tǒng),并與下位機(jī)接收的蒸汽調(diào)節(jié)閥做聯(lián)動(dòng)控制,保證副井口溫度穩(wěn)定在溫度設(shè)定值的范圍,并且通過(guò)下位機(jī)邏輯做必要的聯(lián)鎖保護(hù),如圖3。

        系統(tǒng)介紹:(1)選用西門子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥,當(dāng)副井口溫度到達(dá)設(shè)定高位時(shí),可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉蒸汽調(diào)節(jié)閥,節(jié)約蒸汽;當(dāng)副井口溫度到達(dá)設(shè)定低位時(shí),可自動(dòng)開(kāi)啟蒸汽調(diào)節(jié)閥。(2)利用計(jì)算機(jī)取代人為管理操作,通過(guò)副井口反饋的溫度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥,達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和提高調(diào)節(jié)精確度。(3)系統(tǒng)的控制邏輯主要采用PID 控制,P:比例控制,I:積分控制,D:微分控制。(4)比例控制(P)控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系,根據(jù)設(shè)備有所不同,比例帶一般為2%~10%(溫度控制)。(5)積分控制(I)在出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)自動(dòng)改變輸出量,使其與手動(dòng)復(fù)位動(dòng)作的輸出量相同,達(dá)到消除穩(wěn)態(tài)誤差的目的。(6)微分控制(D)通過(guò)誤差變化率預(yù)報(bào)誤差信號(hào)的未來(lái)變化趨勢(shì)。

        圖3 副井冬季溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面

        5 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

        (1)副井口溫度自控改造后每天節(jié)約蒸汽1.5 t左右,按照每噸蒸汽260 元計(jì)算,每天節(jié)省蒸汽費(fèi)390 元,每年冬季創(chuàng)效390×150=5.85 萬(wàn)元。

        (2)熱害治理系統(tǒng)投運(yùn)后,夏季對(duì)主副井口進(jìn)行制冷,冬季對(duì)主副井口制熱,有效改善了井下職工的工作環(huán)境。

        (3)副井口溫度自控改造后實(shí)現(xiàn)了制熱系統(tǒng)的自動(dòng)控制、集中管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能,推廣利用后具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

        6 結(jié) 語(yǔ)

        該設(shè)計(jì)用西門子S7-300 PLC 和組態(tài)王設(shè)計(jì)了一個(gè)礦井自動(dòng)控制降溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)設(shè)備及附屬設(shè)施進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行過(guò)程中的各種故障及突發(fā)情況的自動(dòng)保護(hù)、報(bào)警動(dòng)作。組態(tài)王軟件操作方便,能夠直觀地反應(yīng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的變化,其中的實(shí)時(shí)報(bào)表和報(bào)警窗口的顯示都在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到良好的應(yīng)用。

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