礦用智能水泵排水系統

　　一、系統概述

　　本系統是泵業(yè)公司技術(shù)人員集多年水泵制造及應用于一體而研制開(kāi)發(fā)的，具有手動(dòng)控制、自動(dòng)控制及遠程控制、遠程維護功能?？墒贡梅肯到y更加可靠，提高排水能力，降低事故率，減少故障處理時(shí)間，提高礦井效益。能夠大限度地減少因電控系統故障而造成的事故，提高供電、排水系統的可靠性，節約設備維修費用，延長(cháng)設備使用壽命。為達到主排水系統可靠運行，系統實(shí)現自動(dòng)化控制。同時(shí)，根據現在的技術(shù)水平，配備先進(jìn)的檢測、監控系統，完成水泵的自動(dòng)開(kāi)停和工況檢測，實(shí)現主排水系統自動(dòng)化控制。

　　采用上位機控制與井下的數據實(shí)現實(shí)時(shí)傳輸，實(shí)現全礦井水泵控制系統的地面監測。軟件操作系統具有全礦井的排水控制與監控，實(shí)時(shí)數據的采集分析功能，并與全礦井自動(dòng)化平臺實(shí)現對接，具有直觀(guān)，操作簡(jiǎn)單，形象逼真的動(dòng)態(tài)畫(huà)面和中文顯示功能，實(shí)現實(shí)時(shí)報警監視、數據采集、處理、顯示及打印功能，并具有確認機制以及歷史數據記錄功能。

　　通過(guò)局域網(wǎng)與工控機連接的計算機都可以瀏覽各個(gè)水泵的運行狀態(tài)及歷史信息，以太網(wǎng)接口可以方便的進(jìn)行擴展升級，建立歷史數據庫，設定不同的權限(用戶(hù)、管理員、工程師)，便于統一管理。

　　實(shí)現對現場(chǎng)設備即水泵，電機，閥門(mén)等關(guān)鍵參數的采集，以光纖的通訊方式傳達到上位機，通過(guò)上位機的人機界面，操作員可以準確的、方便的控制電機的起、停，閥門(mén)的開(kāi)、關(guān)等基本操作，實(shí)現整個(gè)水泵排水系統的自動(dòng)控制。

　　上位機操作界面具有閥門(mén)的開(kāi)到位、關(guān)到位以及過(guò)轉矩信號指示，水泵前后端軸承，電機前后端軸承以及繞組溫度，排水流量，水倉水位，水泵的真空度、出口壓力，電機的電壓、電流、功率，水泵軟啟動(dòng)的工作狀態(tài)，并實(shí)現數據的記錄匯總。

　　二、系統組成

　　礦用智能水泵排水系統主要由調度中心通信平臺、泵房測控設備組成。由于系統控制要求復雜，又考慮到泵房和變電所洞室環(huán)境條件，控制部分和控制核心選用高性能可編程序控器。檢測部分分為兩部分：一是模擬量檢測部分。其主要由水倉水位傳感變送器、流量傳感變送器、壓力變送器、負壓變送器、溫度傳感變送器等組成，此部分用于泵房主排水系統運行參數的檢測。二是開(kāi)關(guān)量檢測部分。將電動(dòng)閥的工作狀態(tài)與啟閉位置等開(kāi)關(guān)量信號接入PLC，可檢測系統運行狀態(tài)。系統及設備要符合國家相關(guān)標準和煤炭行業(yè)標準要求。

　　水泵控制系統每套主要由以下設備組成：礦用PLC控制臺(含液晶觸摸屏)、控制箱、電動(dòng)閘閥、電動(dòng)球閥、傳感器、以太網(wǎng)光纖交換機、攝像儀、電纜、軟件等組成。實(shí)現控制水泵啟停、電動(dòng)閘閥開(kāi)關(guān)、自動(dòng)排真空設備開(kāi)關(guān)及各類(lèi)保護、報警、故障診斷等功能。

　　系統現場(chǎng)設備配置示意圖：
 

示意圖1

示意圖2

示意圖3

　　三、控制方式

　　礦用智能水泵排水系統具有手動(dòng)控制、自動(dòng)控制及遠程控制、控制功能。

　　泵房控制部分采用PLC可編程控制箱，并具有以下功能：

　　自動(dòng)啟泵：系統具有水位自動(dòng)檢測，可根據水位的高低發(fā)出開(kāi)、停泵指令，當水位上升至高位時(shí)，立即啟泵，水位上升至高位時(shí)，系統根據診斷結果，啟動(dòng)備用水泵，以大排水能力排水，當水位逐漸下降時(shí)，系統依次減少開(kāi)泵數量。

　　選擇及水泵的切換：根據水倉水位信號開(kāi)停及預選水泵，并能自動(dòng)換開(kāi)，當一臺故障時(shí)自動(dòng)切換到另一臺水泵。

　　電器保護：所有電氣設備按有關(guān)要求具有保護功能。

　　系統具有遠程啟動(dòng)、停止、復位和測試功能，并實(shí)時(shí)顯示系統監測的所有信息。具有遠程編程(包括系統控制參數修改、監測內容選擇等)、故障(保護)屏蔽、控制方式轉換和“上位機強制”功能。

　　上位機能納入全礦局域網(wǎng)，泵房所有設備運行狀態(tài)、故障狀態(tài)以及監測系統所有信息傳輸到上位機，可便隨時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )查詢(xún)。系統具備完善的報警功能，對所有被測參數超限、保護動(dòng)作及設備運行狀態(tài)改變進(jìn)行報警，并進(jìn)行語(yǔ)音或文字告警提示。上位機設定操作員、工程師及網(wǎng)絡(luò )各級不同的訪(fǎng)問(wèn)權限，并憑密碼登陸。

　　歷史數據保存完整，并根據存儲器剩余容量情況提示操作員進(jìn)行數據備份。排水量按月累計數據、排水泵按月累計運行時(shí)間、每月耗電量等主要數據保存至少3個(gè)月，其它數據至少保存1個(gè)月，可以根據用戶(hù)需要，在軟件內設定時(shí)間長(cháng)短。除監控集控功能外，還具備管理功能，如歷史監測數據綜合分析處理(自動(dòng)生成統計報表、曲線(xiàn)圖、柱狀圖等)。

　　自動(dòng)控制：

　　本著(zhù)水位優(yōu)先的原則實(shí)現各個(gè)水泵的自動(dòng)控制。

　　用電高峰時(shí)間段

　　當水位達到高位自動(dòng)啟動(dòng)“運行泵”，水位達到上限水位時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)“備用泵”，直到水位低于高位時(shí)停止“備用泵”，只運行“運行泵”，水位達到低位時(shí)自動(dòng)停止“運行泵”。

　　用電低谷時(shí)間段

　　當水位大于低位時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)“運行泵”，若不能在用電低谷時(shí)間段內將水排到下限水位，自動(dòng)投入“備用泵”，當“運行泵”在用電低谷時(shí)間段內滿(mǎn)足排水要求時(shí)停止“備用泵”，水位達到下限水位時(shí)停止“運行泵”。

　　手動(dòng)控制：

　　根據實(shí)際需要可以從自動(dòng)控制方式切換到手動(dòng)控制方式。此方式下操作人員在操作臺上人工手動(dòng)控制?？蓪蝹€(gè)設備進(jìn)行啟、停操作，但此時(shí)操作閉鎖關(guān)系投入，仍然對設備設有保護功能。同時(shí)具備一鍵控制功能，即操作人員按下水泵啟動(dòng)按鈕，水泵控制系統按照預設流程排真空、啟動(dòng)水泵、打開(kāi)閥門(mén)、關(guān)閉排真空設備、關(guān)閉閥門(mén)、停止水泵等自動(dòng)控制簡(jiǎn)化操作流程。

　　遠程控制：

　　地面控制界面美觀(guān)實(shí)用實(shí)時(shí)反映井下設備運行情況，井下集中控制臺在將控制方式選擇為“地面遠程”控制時(shí)，地面工控機被授予控制權限可對井下設備進(jìn)行非檢修操作實(shí)現遠程控制。地面遠程操作人員用鼠標可實(shí)現一鍵遠程啟動(dòng)、停止控制。

　　控制：

　　各設備工作方式打到檢修位置時(shí)，可直接在開(kāi)關(guān)上或設備附近的檢修控制箱上人工手動(dòng)控制。因檢修方式閉鎖不投入報警，故檢修方式只允許在檢修箱上進(jìn)行操作。

　　四、系統功能

　　1. PLC控制程序采用模塊化結構，系統可按程序模塊分段調試，分段運行。該程序具有結構清晰、簡(jiǎn)捷、易懂，便于模擬調試，運行速度快等特點(diǎn)。

　　2. PLC自動(dòng)檢測水位信號，計算單位時(shí)間內水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，自動(dòng)投入和退出水泵運行臺數，合理地調度水泵運行。

　　3. 系統具有通訊接口功能，PLC可同時(shí)與操作屏及地面監測監控主機通訊，傳送數據，交換信息，實(shí)現水泵自動(dòng)監控功能。

　　4. 系統可根據投入運行泵組的位置，自動(dòng)選擇啟動(dòng)真空泵，若在程序設定的時(shí)間內達不到真空度，便有報警輸出。

　　5. 在操作屏上動(dòng)態(tài)監控水泵及其附屬設備的運行狀況，實(shí)時(shí)顯示水位、流量、壓力、溫度、電流、電壓等參數，超限報警，故障點(diǎn)自動(dòng)閃爍。具有故障記錄，支持歷史數據查詢(xún)等功能。

　　6. 系統保護功能有以下幾種:(見(jiàn)圖)
 

　　超溫保護:水泵長(cháng)期運行，當軸承溫度或定子溫度超出允許值時(shí)，通過(guò)溫度保護裝置及PLC 實(shí)現超限報警。

　　流量保護:當水泵啟動(dòng)后或正常運行時(shí)，如流量達不到正常值實(shí)現報警，通過(guò)流量保護功能使本臺水泵停止運行，自動(dòng)轉換為啟動(dòng)另一臺水泵。

　　電動(dòng)機故障:利用PLC及觸摸屏監視水泵電機過(guò)電流、漏電、低電壓等電氣故障，實(shí)現報警，具有參與控制功能。

　　電動(dòng)閘閥故障:由閘閥的限位、開(kāi)度指示檢測故障，并參與水泵的聯(lián)鎖控制。

　　控制離不開(kāi)齊全的監測。礦用智能水泵排水系統監測信號齊全為設備的控制提供了可靠的保障，本控制系統在井下泵房集控室設PLC集中控制站，采集各種信號，按照工藝流程控制各臺水泵及相應的電動(dòng)閘閥，顯示各種工作狀態(tài)。

　　主要監測的信號有

　　被動(dòng)反饋類(lèi)：

　　由高壓開(kāi)關(guān)提供的各主水泵、潛水泵的開(kāi)停信號。

　　由高壓開(kāi)關(guān)提供的電機電壓、電流信號

　　由高壓開(kāi)關(guān)提供的真空泵的開(kāi)停信號

　　各電動(dòng)閘閥的開(kāi)關(guān)位置和開(kāi)關(guān)過(guò)位信號

　　各個(gè)電動(dòng)球閥的開(kāi)關(guān)到位信號

　　主動(dòng)監測類(lèi)：

　　排水管路的流量

　　采用電磁流量傳感器監測流量，誤差小、測量精度高。

　　水倉的水位信號

　　采用超聲波監測能隨時(shí)顯示水倉水位的具體高度，傳送到PLC同時(shí)在觸摸屏和地面上位機顯示。

　　泵體內的真空度

　　采用負壓傳感器監測泵體內部的真空度，將數據傳到PLC內，此數據為啟動(dòng)水泵的重要依據。

　　排水口壓力

　　采用正壓傳感器監測泵出口壓力，達到泵理論產(chǎn)生的壓力后方可開(kāi)啟排水閘閥進(jìn)行排水，在泵運行過(guò)程中壓力過(guò)低為故障停泵的依據之一。

　　電機繞組溫度及電機軸承溫度

　　電機前、后軸承、三項繞組及水泵前、后軸承預埋溫度傳感器，數據將采集到PLC內進(jìn)行溫度監測，在溫度過(guò)高時(shí)成為故障停泵的依據之一，并在操作臺上顯示實(shí)時(shí)溫度數據。

　　五、系統特點(diǎn)

　　硬件特點(diǎn)：

　　采用PLC可編程控制器為核心

　　PLC是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的控制器，其可靠的性能已經(jīng)被各個(gè)使用單位認可，本系統對于PLC的應用非常靈活，可靠性提高一個(gè)數量級，該系統不會(huì )因PLC故障而無(wú)法排水，大大提高了礦方日常生產(chǎn)的可靠性，和應急預案提出的前瞻性。

　　外圍設備性能可靠

　　經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐和摸索傳感器選用有煤安許可、品牌、可靠穩定的產(chǎn)品。

　　應急措施齊全

　　井下環(huán)境惡劣經(jīng)常發(fā)生電力設備故障，低壓供電尤為突出，經(jīng)常造成故障斷電或檢修斷電，致使控制設備無(wú)法正常運行。為我公司設備供電的低壓電源斷電后將不能打開(kāi)排真空的電動(dòng)球閥，無(wú)法排真空使得離心泵無(wú)法排水，為解決此問(wèn)題，將電動(dòng)球閥并聯(lián)一個(gè)手動(dòng)球閥解決因低壓電源故障、高壓電源正常時(shí)造成無(wú)法排水問(wèn)題。

　　模塊化靈活性高

　　無(wú)排風(fēng)扇結構，易于實(shí)現分布，易于用戶(hù)掌握等特點(diǎn)，使得它成為各種從小規模到中等性能要求控制任務(wù)的方便又經(jīng)濟的解決方案。且易于維護和更換大大提高了靈活性。

　　組網(wǎng)功能強大

　　本系統PLC控制器提供接口，可掛接在變電所的網(wǎng)絡(luò )交換機上，通過(guò)交換機與全礦綜合自動(dòng)化系統連接，通過(guò)與上位機通訊，完成遠程控制功能以實(shí)現“無(wú)人值守”。

　　液晶顯示屏人機界面直觀(guān)

　　方便的人機界面服務(wù)已經(jīng)集成在PLC 操作系統內。按用戶(hù)指定的刷新速度傳送這些數據。PLC操作系統自動(dòng)地處理數據的傳送。

　　診斷功能

　　智能化診斷系統連續監控系統的功能是否正常、記錄錯誤系統事件，例如：超時(shí)，模塊更換，等等。

　　口令保護

　　多級口令保護可以使用戶(hù)高度、保護其技術(shù)機密，防止未經(jīng)允許的復制和修改，對于操作口令加密分級保護不同的用戶(hù)有不同的權限。

　　PLC具有多種不同的通訊接口

　　多種通訊處理器用來(lái)連接MPI接口、PROFIBUS 和工業(yè)以太網(wǎng)總線(xiàn)系統，通訊處理器用來(lái)連接點(diǎn)到點(diǎn)的通訊系統;多點(diǎn)接口(MPI和PROFIBUS) 集成在CPU中，用于同時(shí)連接編程器、PC機、人機界面系統及其他SIMATIC S7/M7/C7等自動(dòng)化控制系統。

　　遠程和現場(chǎng)編程

　　用戶(hù)在地面調度室和井下現場(chǎng)都可通過(guò)筆記本對程序或參數進(jìn)行修改。

　　軟件特點(diǎn)：

　　無(wú)人值守減員增效

　　將本機工作方式轉為“地面控制”或“自動(dòng)控制”時(shí)，各水泵由地面主機或PLC根據自身程序進(jìn)行控制，終達到無(wú)人值守。

　　削峰填谷降低成本

　　地面計算機根據每天礦井的用電負荷情況，確定用電高峰、低谷時(shí)間，并將參數傳給本機，使水泵運行在經(jīng)濟的時(shí)間。

　　水位自動(dòng)控制

　　水位監測一直是礦井排水參數中重要的參數之一，往常把水倉水位分為五檔下限水位、低水位、高水位、上限水位、危險水位，通過(guò)水位傳感器的監測反饋判斷水位所處于哪個(gè)檔，然后執行相應的控制動(dòng)作。

　　涌水量增大早預警

　　根據水倉加裝的水位傳感器實(shí)時(shí)監測水倉水位，以時(shí)間、容積、水位相結合的方式測算出單位時(shí)間的涌水量，達到突發(fā)事故早發(fā)現、早預警、早排水的目的。

　　設有涌水量監測

　　通過(guò)水位傳感器監測單位時(shí)間內的上漲速度，測算出礦井的涌水量并結合水位高度確定泵控制動(dòng)作，可提前了解事故情況,為緊急事故提前預知提前進(jìn)入緊急排水狀態(tài)。

　　一鍵起停操作簡(jiǎn)單

　　在井下操作臺和地面調度室可以實(shí)現一鍵起停功能，系統將按設備順序自動(dòng)啟動(dòng)自動(dòng)監測各個(gè)設備數值后達到自動(dòng)排水。大大降低了操作難度減小了誤操作的發(fā)生概率

　　故障直觀(guān)易于維護

　　在現場(chǎng)觸摸屏上可漢字顯示各故障信息并報警，在地面控制站上可顯示現場(chǎng)單元當前的報警信息以及保存的報警記錄。當運行的水泵出現軸承超溫、高壓開(kāi)關(guān)故障、流量不夠、正壓過(guò)低、電流不正常時(shí)自動(dòng)停止運行，并能確切的顯示故障位置和類(lèi)型，且有聲光報警。

　　六、設計規范

　　遵循的設計原則：

　　以《煤礦規程》為基礎，并結合現場(chǎng)實(shí)際情況;

　　遵循“五高”建設方針，即高起點(diǎn)、高技術(shù)、高質(zhì)量、突出效益優(yōu)先;

　　技術(shù)先進(jìn)，可靠性高，擴展與升級容易，具有故障自診斷功能，做到夠用、適用、好用、易擴展;

　　充分利用現有資源，在技術(shù)先進(jìn)的基礎上，做到經(jīng)濟實(shí)用;

　　網(wǎng)絡(luò )通訊功能強大，易于與其它系統集成。

　　遵守的主要現行標準：

　　GB4796 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境條件》

　　GB20062 《電力裝置的繼電保護和自動(dòng)裝置設計規范》

　　GB50058 《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規范》

　　GB4720-84 《低壓電器電控設備》

　　GB50171-92 《電氣裝置安裝工程盤(pán)、柜及二次回路接線(xiàn)施式及驗收規范》

　　IEC144 《低壓開(kāi)關(guān)和控制設備的外殼防護等級》

　　ANSI488 《可編程儀器的數字接口》

　　ISA-55.2 《過(guò)程運算的二進(jìn)制邏輯圖》

　　ISA-55.3 《過(guò)程操作的二進(jìn)制邏輯圖》

　　ISA-55.4 《儀表回路圖》

　　系統適用環(huán)境：

　　工作溫度 -10～60℃

　　存儲溫度 -40～85℃

　　工作濕度 5～95%，無(wú)冷凝

　　工作環(huán)境 無(wú)滴水及震動(dòng)

　　抗干擾性 距電子設備1.2m處發(fā)出的電磁和射頻干擾(頻率400～500MHz，功率5W)，不影響其正常工作。

　　保護等級 IP54(本安)傳感器IP65

　　防爆類(lèi)型 隔爆兼本安