矿用智能水泵排水系统

　　一、系统概述

　　本系统是泵业公司技术人员集多年水泵制造及应用于一体而研制开发的，具有手动控制、自动控制及远程控制、远程维护功能。可使泵房系统更加可靠，提高排水能力，降低事故率，减少故障处理时间，提高矿井效益。能够大限度地减少因电控系统故障而造成的事故，提高供电、排水系统的可靠性，节约设备维修费用，延长设备使用寿命。为达到主排水系统可靠运行，系统实现自动化控制。同时，根据现在的技术水平，配备先进的检测、监控系统，完成水泵的自动开停和工况检测，实现主排水系统自动化控制。

　　采用上位机控制与井下的数据实现实时传输，实现全矿井水泵控制系统的地面监测。软件操作系统具有全矿井的排水控制与监控，实时数据的采集分析功能，并与全矿井自动化平台实现对接，具有直观，操作简单，形象逼真的动态画面和中文显示功能，实现实时报警监视、数据采集、处理、显示及打印功能，并具有确认机制以及历史数据记录功能。

　　通过局域网与工控机连接的计算机都可以浏览各个水泵的运行状态及历史信息，以太网接口可以方便的进行扩展升级，建立历史数据库，设定不同的权限(用户、管理员、工程师)，便于统一管理。

　　实现对现场设备即水泵，电机，阀门等关键参数的采集，以光纤的通讯方式传达到上位机，通过上位机的人机界面，操作员可以准确的、方便的控制电机的起、停，阀门的开、关等基本操作，实现整个水泵排水系统的自动控制。

　　上位机操作界面具有阀门的开到位、关到位以及过转矩信号指示，水泵前后端轴承，电机前后端轴承以及绕组温度，排水流量，水仓水位，水泵的真空度、出口压力，电机的电压、电流、功率，水泵软启动的工作状态，并实现数据的记录汇总。

　　二、系统组成

　　矿用智能水泵排水系统主要由调度中心通信平台、泵房测控设备组成。由于系统控制要求复杂，又考虑到泵房和变电所洞室环境条件，控制部分和控制核心选用高性能可编程序控器。检测部分分为两部分：一是模拟量检测部分。其主要由水仓水位传感变送器、流量传感变送器、压力变送器、负压变送器、温度传感变送器等组成，此部分用于泵房主排水系统运行参数的检测。二是开关量检测部分。将电动阀的工作状态与启闭位置等开关量信号接入PLC，可检测系统运行状态。系统及设备要符合国家相关标准和煤炭行业标准要求。

　　水泵控制系统每套主要由以下设备组成：矿用PLC控制台(含液晶触摸屏)、控制箱、电动闸阀、电动球阀、传感器、以太网光纤交换机、摄像仪、电缆、软件等组成。实现控制水泵启停、电动闸阀开关、自动排真空设备开关及各类保护、报警、故障诊断等功能。

　　系统现场设备配置示意图：
 

示意图1

示意图2

示意图3

　　三、控制方式

　　矿用智能水泵排水系统具有手动控制、自动控制及远程控制、控制功能。

　　泵房控制部分采用PLC可编程控制箱，并具有以下功能：

　　自动启泵：系统具有水位自动检测，可根据水位的高低发出开、停泵指令，当水位上升至高位时，立即启泵，水位上升至高位时，系统根据诊断结果，启动备用水泵，以大排水能力排水，当水位逐渐下降时，系统依次减少开泵数量。

　　选择及水泵的切换：根据水仓水位信号开停及预选水泵，并能自动换开，当一台故障时自动切换到另一台水泵。

　　电器保护：所有电气设备按有关要求具有保护功能。

　　系统具有远程启动、停止、复位和测试功能，并实时显示系统监测的所有信息。具有远程编程(包括系统控制参数修改、监测内容选择等)、故障(保护)屏蔽、控制方式转换和“上位机强制”功能。

　　上位机能纳入全矿局域网，泵房所有设备运行状态、故障状态以及监测系统所有信息传输到上位机，可便随时进行网络查询。系统具备完善的报警功能，对所有被测参数超限、保护动作及设备运行状态改变进行报警，并进行语音或文字告警提示。上位机设定操作员、工程师及网络各级不同的访问权限，并凭密码登陆。

　　历史数据保存完整，并根据存储器剩余容量情况提示操作员进行数据备份。排水量按月累计数据、排水泵按月累计运行时间、每月耗电量等主要数据保存至少3个月，其它数据至少保存1个月，可以根据用户需要，在软件内设定时间长短。除监控集控功能外，还具备管理功能，如历史监测数据综合分析处理(自动生成统计报表、曲线图、柱状图等)。

　　自动控制：

　　本着水位优先的原则实现各个水泵的自动控制。

　　用电高峰时间段

　　当水位达到高位自动启动“运行泵”，水位达到上限水位时自动启动“备用泵”，直到水位低于高位时停止“备用泵”，只运行“运行泵”，水位达到低位时自动停止“运行泵”。

　　用电低谷时间段

　　当水位大于低位时自动启动“运行泵”，若不能在用电低谷时间段内将水排到下限水位，自动投入“备用泵”，当“运行泵”在用电低谷时间段内满足排水要求时停止“备用泵”，水位达到下限水位时停止“运行泵”。

　　手动控制：

　　根据实际需要可以从自动控制方式切换到手动控制方式。此方式下操作人员在操作台上人工手动控制。可对单个设备进行启、停操作，但此时操作闭锁关系投入，仍然对设备设有保护功能。同时具备一键控制功能，即操作人员按下水泵启动按钮，水泵控制系统按照预设流程排真空、启动水泵、打开阀门、关闭排真空设备、关闭阀门、停止水泵等自动控制简化操作流程。

　　远程控制：

　　地面控制界面美观实用实时反映井下设备运行情况，井下集中控制台在将控制方式选择为“地面远程”控制时，地面工控机被授予控制权限可对井下设备进行非检修操作实现远程控制。地面远程操作人员用鼠标可实现一键远程启动、停止控制。

　　控制：

　　各设备工作方式打到检修位置时，可直接在开关上或设备附近的检修控制箱上人工手动控制。因检修方式闭锁不投入报警，故检修方式只允许在检修箱上进行操作。

　　四、系统功能

　　1. PLC控制程序采用模块化结构，系统可按程序模块分段调试，分段运行。该程序具有结构清晰、简捷、易懂，便于模拟调试，运行速度快等特点。

　　2. PLC自动检测水位信号，计算单位时间内水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，自动投入和退出水泵运行台数，合理地调度水泵运行。

　　3. 系统具有通讯接口功能，PLC可同时与操作屏及地面监测监控主机通讯，传送数据，交换信息，实现水泵自动监控功能。

　　4. 系统可根据投入运行泵组的位置，自动选择启动真空泵，若在程序设定的时间内达不到真空度，便有报警输出。

　　5. 在操作屏上动态监控水泵及其附属设备的运行状况，实时显示水位、流量、压力、温度、电流、电压等参数，超限报警，故障点自动闪烁。具有故障记录，支持历史数据查询等功能。

　　6. 系统保护功能有以下几种:(见图)
 

　　超温保护:水泵长期运行，当轴承温度或定子温度超出允许值时，通过温度保护装置及PLC 实现超限报警。

　　流量保护:当水泵启动后或正常运行时，如流量达不到正常值实现报警，通过流量保护功能使本台水泵停止运行，自动转换为启动另一台水泵。

　　电动机故障:利用PLC及触摸屏监视水泵电机过电流、漏电、低电压等电气故障，实现报警，具有参与控制功能。

　　电动闸阀故障:由闸阀的限位、开度指示检测故障，并参与水泵的联锁控制。

　　控制离不开齐全的监测。矿用智能水泵排水系统监测信号齐全为设备的控制提供了可靠的保障，本控制系统在井下泵房集控室设PLC集中控制站，采集各种信号，按照工艺流程控制各台水泵及相应的电动闸阀，显示各种工作状态。

　　主要监测的信号有

　　被动反馈类：

　　由高压开关提供的各主水泵、潜水泵的开停信号。

　　由高压开关提供的电机电压、电流信号

　　由高压开关提供的真空泵的开停信号

　　各电动闸阀的开关位置和开关过位信号

　　各个电动球阀的开关到位信号

　　主动监测类：

　　排水管路的流量

　　采用电磁流量传感器监测流量，误差小、测量精度高。

　　水仓的水位信号

　　采用超声波监测能随时显示水仓水位的具体高度，传送到PLC同时在触摸屏和地面上位机显示。

　　泵体内的真空度

　　采用负压传感器监测泵体内部的真空度，将数据传到PLC内，此数据为启动水泵的重要依据。

　　排水口压力

　　采用正压传感器监测泵出口压力，达到泵理论产生的压力后方可开启排水闸阀进行排水，在泵运行过程中压力过低为故障停泵的依据之一。

　　电机绕组温度及电机轴承温度

　　电机前、后轴承、三项绕组及水泵前、后轴承预埋温度传感器，数据将采集到PLC内进行温度监测，在温度过高时成为故障停泵的依据之一，并在操作台上显示实时温度数据。

　　五、系统特点

　　硬件特点：

　　采用PLC可编程控制器为核心

　　PLC是工业生产中常见的控制器，其可靠的性能已经被各个使用单位认可，本系统对于PLC的应用非常灵活，可靠性提高一个数量级，该系统不会因PLC故障而无法排水，大大提高了矿方日常生产的可靠性，和应急预案提出的前瞻性。

　　外围设备性能可靠

　　经过多年的实践和摸索传感器选用有煤安许可、品牌、可靠稳定的产品。

　　应急措施齐全

　　井下环境恶劣经常发生电力设备故障，低压供电尤为突出，经常造成故障断电或检修断电，致使控制设备无法正常运行。为我公司设备供电的低压电源断电后将不能打开排真空的电动球阀，无法排真空使得离心泵无法排水，为解决此问题，将电动球阀并联一个手动球阀解决因低压电源故障、高压电源正常时造成无法排水问题。

　　模块化灵活性高

　　无排风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握等特点，使得它成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解决方案。且易于维护和更换大大提高了灵活性。

　　组网功能强大

　　本系统PLC控制器提供接口，可挂接在变电所的网络交换机上，通过交换机与全矿综合自动化系统连接，通过与上位机通讯，完成远程控制功能以实现“无人值守”。

　　液晶显示屏人机界面直观

　　方便的人机界面服务已经集成在PLC 操作系统内。按用户指定的刷新速度传送这些数据。PLC操作系统自动地处理数据的传送。

　　诊断功能

　　智能化诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误系统事件，例如：超时，模块更换，等等。

　　口令保护

　　多级口令保护可以使用户高度、保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改，对于操作口令加密分级保护不同的用户有不同的权限。

　　PLC具有多种不同的通讯接口

　　多种通讯处理器用来连接MPI接口、PROFIBUS 和工业以太网总线系统，通讯处理器用来连接点到点的通讯系统;多点接口(MPI和PROFIBUS) 集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。

　　远程和现场编程

　　用户在地面调度室和井下现场都可通过笔记本对程序或参数进行修改。

　　软件特点：

　　无人值守减员增效

　　将本机工作方式转为“地面控制”或“自动控制”时，各水泵由地面主机或PLC根据自身程序进行控制，终达到无人值守。

　　削峰填谷降低成本

　　地面计算机根据每天矿井的用电负荷情况，确定用电高峰、低谷时间，并将参数传给本机，使水泵运行在经济的时间。

　　水位自动控制

　　水位监测一直是矿井排水参数中重要的参数之一，往常把水仓水位分为五档下限水位、低水位、高水位、上限水位、危险水位，通过水位传感器的监测反馈判断水位所处于哪个档，然后执行相应的控制动作。

　　涌水量增大早预警

　　根据水仓加装的水位传感器实时监测水仓水位，以时间、容积、水位相结合的方式测算出单位时间的涌水量，达到突发事故早发现、早预警、早排水的目的。

　　设有涌水量监测

　　通过水位传感器监测单位时间内的上涨速度，测算出矿井的涌水量并结合水位高度确定泵控制动作，可提前了解事故情况,为紧急事故提前预知提前进入紧急排水状态。

　　一键起停操作简单

　　在井下操作台和地面调度室可以实现一键起停功能，系统将按设备顺序自动启动自动监测各个设备数值后达到自动排水。大大降低了操作难度减小了误操作的发生概率

　　故障直观易于维护

　　在现场触摸屏上可汉字显示各故障信息并报警，在地面控制站上可显示现场单元当前的报警信息以及保存的报警记录。当运行的水泵出现轴承超温、高压开关故障、流量不够、正压过低、电流不正常时自动停止运行，并能确切的显示故障位置和类型，且有声光报警。

　　六、设计规范

　　遵循的设计原则：

　　以《煤矿规程》为基础，并结合现场实际情况;

　　遵循“五高”建设方针，即高起点、高技术、高质量、突出效益优先;

　　技术先进，可靠性高，扩展与升级容易，具有故障自诊断功能，做到够用、适用、好用、易扩展;

　　充分利用现有资源，在技术先进的基础上，做到经济实用;

　　网络通讯功能强大，易于与其它系统集成。

　　遵守的主要现行标准：

　　GB4796 《电工电子产品环境条件》

　　GB20062 《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》

　　GB50058 《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》

　　GB4720-84 《低压电器电控设备》

　　GB50171-92 《电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施式及验收规范》

　　IEC144 《低压开关和控制设备的外壳防护等级》

　　ANSI488 《可编程仪器的数字接口》

　　ISA-55.2 《过程运算的二进制逻辑图》

　　ISA-55.3 《过程操作的二进制逻辑图》

　　ISA-55.4 《仪表回路图》

　　系统适用环境：

　　工作温度 -10～60℃

　　存储温度 -40～85℃

　　工作湿度 5～95%，无冷凝

　　工作环境 无滴水及震动

　　抗干扰性 距电子设备1.2m处发出的电磁和射频干扰(频率400～500MHz，功率5W)，不影响其正常工作。

　　保护等级 IP54(本安)传感器IP65

　　防爆类型 隔爆兼本安