礦用智能水泵排水系統(tǒng)

　　一、系統(tǒng)概述

　　本系統(tǒng)是泵業(yè)公司技術人員集多年水泵制造及應用于一體而研制開發(fā)的，具有手動控制、自動控制及遠程控制、遠程維護功能?？墒贡梅肯到y(tǒng)更加可靠，提高排水能力，降低事故率，減少故障處理時間，提高礦井效益。能夠大限度地減少因電控系統(tǒng)故障而造成的事故，提高供電、排水系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約設備維修費用，延長設備使用壽命。為達到主排水系統(tǒng)可靠運行，系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制。同時，根據(jù)現(xiàn)在的技術水平，配備先進的檢測、監(jiān)控系統(tǒng)，完成水泵的自動開停和工況檢測，實現(xiàn)主排水系統(tǒng)自動化控制。

　　采用上位機控制與井下的數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時傳輸，實現(xiàn)全礦井水泵控制系統(tǒng)的地面監(jiān)測。軟件操作系統(tǒng)具有全礦井的排水控制與監(jiān)控，實時數(shù)據(jù)的采集分析功能，并與全礦井自動化平臺實現(xiàn)對接，具有直觀，操作簡單，形象逼真的動態(tài)畫面和中文顯示功能，實現(xiàn)實時報警監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、處理、顯示及打印功能，并具有確認機制以及歷史數(shù)據(jù)記錄功能。

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

　　實現(xiàn)對現(xiàn)場設備即水泵，電機，閥門等關鍵參數(shù)的采集，以光纖的通訊方式傳達到上位機，通過上位機的人機界面，操作員可以準確的、方便的控制電機的起、停，閥門的開、關等基本操作，實現(xiàn)整個水泵排水系統(tǒng)的自動控制。

　　上位機操作界面具有閥門的開到位、關到位以及過轉(zhuǎn)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，水泵軟啟動的工作狀態(tài)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄匯總。

　　二、系統(tǒng)組成

　　礦用智能水泵排水系統(tǒng)主要由調(diào)度中心通信平臺、泵房測控設備組成。由于系統(tǒng)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(tǒng)運行參數(shù)的檢測。二是開關量檢測部分。將電動閥的工作狀態(tài)與啟閉位置等開關量信號接入PLC，可檢測系統(tǒng)運行狀態(tài)。系統(tǒng)及設備要符合國家相關標準和煤炭行業(yè)標準要求。

　　水泵控制系統(tǒng)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、電動閘閥、電動球閥、傳感器、以太網(wǎng)光纖交換機、攝像儀、電纜、軟件等組成。實現(xiàn)控制水泵啟停、電動閘閥開關、自動排真空設備開關及各類保護、報警、故障診斷等功能。

　　系統(tǒng)現(xiàn)場設備配置示意圖：
 

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(tǒng)具有手動控制、自動控制及遠程控制、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：

　　自動啟泵：系統(tǒng)具有水位自動檢測，可根據(jù)水位的高低發(fā)出開、停泵指令，當水位上升至高位時，立即啟泵，水位上升至高位時，系統(tǒng)根據(jù)診斷結(jié)果，啟動備用水泵，以大排水能力排水，當水位逐漸下降時，系統(tǒng)依次減少開泵數(shù)量。

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

　　電器保護：所有電氣設備按有關要求具有保護功能。

　　系統(tǒng)具有遠程啟動、停止、復位和測試功能，并實時顯示系統(tǒng)監(jiān)測的所有信息。具有遠程編程(包括系統(tǒng)控制參數(shù)修改、監(jiān)測內(nèi)容選擇等)、故障(保護)屏蔽、控制方式轉(zhuǎn)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(jiān)測系統(tǒng)所有信息傳輸?shù)缴衔粰C，可便隨時進行網(wǎng)絡查詢。系統(tǒng)具備完善的報警功能，對所有被測參數(shù)超限、保護動作及設備運行狀態(tài)改變進行報警，并進行語音或文字告警提示。上位機設定操作員、工程師及網(wǎng)絡各級不同的訪問權限，并憑密碼登陸。

　　歷史數(shù)據(jù)保存完整，并根據(jù)存儲器剩余容量情況提示操作員進行數(shù)據(jù)備份。排水量按月累計數(shù)據(jù)、排水泵按月累計運行時間、每月耗電量等主要數(shù)據(jù)保存至少3個月，其它數(shù)據(jù)至少保存1個月，可以根據(jù)用戶需要，在軟件內(nèi)設定時間長短。除監(jiān)控集控功能外，還具備管理功能，如歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析處理(自動生成統(tǒng)計報表、曲線圖、柱狀圖等)。

　　自動控制：

　　本著水位優(yōu)先的原則實現(xiàn)各個水泵的自動控制。

　　用電高峰時間段

　　當水位達到高位自動啟動“運行泵”，水位達到上限水位時自動啟動“備用泵”，直到水位低于高位時停止“備用泵”，只運行“運行泵”，水位達到低位時自動停止“運行泵”。

　　用電低谷時間段

　　當水位大于低位時自動啟動“運行泵”，若不能在用電低谷時間段內(nèi)將水排到下限水位，自動投入“備用泵”，當“運行泵”在用電低谷時間段內(nèi)滿足排水要求時停止“備用泵”，水位達到下限水位時停止“運行泵”。

　　手動控制：

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

　　遠程控制：

　　地面控制界面美觀實用實時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，地面工控機被授予控制權限可對井下設備進行非檢修操作實現(xiàn)遠程控制。地面遠程操作人員用鼠標可實現(xiàn)一鍵遠程啟動、停止控制。

　　控制：

　　各設備工作方式打到檢修位置時，可直接在開關上或設備附近的檢修控制箱上人工手動控制。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行操作。

　　四、系統(tǒng)功能

　　1. PLC控制程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可按程序模塊分段調(diào)試，分段運行。該程序具有結(jié)構(gòu)清晰、簡捷、易懂，便于模擬調(diào)試，運行速度快等特點。

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

　　3. 系統(tǒng)具有通訊接口功能，PLC可同時與操作屏及地面監(jiān)測監(jiān)控主機通訊，傳送數(shù)據(jù)，交換信息，實現(xiàn)水泵自動監(jiān)控功能。

　　4. 系統(tǒng)可根據(jù)投入運行泵組的位置，自動選擇啟動真空泵，若在程序設定的時間內(nèi)達不到真空度，便有報警輸出。

　　5. 在操作屏上動態(tài)監(jiān)控水泵及其附屬設備的運行狀況，實時顯示水位、流量、壓力、溫度、電流、電壓等參數(shù)，超限報警，故障點自動閃爍。具有故障記錄，支持歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

　　6. 系統(tǒng)保護功能有以下幾種:(見圖)
 

　　超溫保護:水泵長期運行，當軸承溫度或定子溫度超出允許值時，通過溫度保護裝置及PLC 實現(xiàn)超限報警。

　　流量保護:當水泵啟動后或正常運行時，如流量達不到正常值實現(xiàn)報警，通過流量保護功能使本臺水泵停止運行，自動轉(zhuǎn)換為啟動另一臺水泵。

　　電動機故障:利用PLC及觸摸屏監(jiān)視水泵電機過電流、漏電、低電壓等電氣故障，實現(xiàn)報警，具有參與控制功能。

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

　　控制離不開齊全的監(jiān)測。礦用智能水泵排水系統(tǒng)監(jiān)測信號齊全為設備的控制提供了可靠的保障，本控制系統(tǒng)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閘閥，顯示各種工作狀態(tài)。

　　主要監(jiān)測的信號有

　　被動反饋類：

　　由高壓開關提供的各主水泵、潛水泵的開停信號。

　　由高壓開關提供的電機電壓、電流信號

　　由高壓開關提供的真空泵的開停信號

　　各電動閘閥的開關位置和開關過位信號

　　各個電動球閥的開關到位信號

　　主動監(jiān)測類：

　　排水管路的流量

　　采用電磁流量傳感器監(jiān)測流量，誤差小、測量精度高。

　　水倉的水位信號

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

　　泵體內(nèi)的真空度

　　采用負壓傳感器監(jiān)測泵體內(nèi)部的真空度，將數(shù)據(jù)傳到PLC內(nèi)，此數(shù)據(jù)為啟動水泵的重要依據(jù)。

　　排水口壓力

　　采用正壓傳感器監(jiān)測泵出口壓力，達到泵理論產(chǎn)生的壓力后方可開啟排水閘閥進行排水，在泵運行過程中壓力過低為故障停泵的依據(jù)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(shù)據(jù)將采集到PLC內(nèi)進行溫度監(jiān)測，在溫度過高時成為故障停泵的依據(jù)之一，并在操作臺上顯示實時溫度數(shù)據(jù)。

　　五、系統(tǒng)特點

　　硬件特點：

　　采用PLC可編程控制器為核心

　　PLC是工業(yè)生產(chǎn)中常見的控制器，其可靠的性能已經(jīng)被各個使用單位認可，本系統(tǒng)對于PLC的應用非常靈活，可靠性提高一個數(shù)量級，該系統(tǒng)不會因PLC故障而無法排水，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)過多年的實踐和摸索傳感器選用有煤安許可、品牌、可靠穩(wěn)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排真空的電動球閥，無法排真空使得離心泵無法排水，為解決此問題，將電動球閥并聯(lián)一個手動球閥解決因低壓電源故障、高壓電源正常時造成無法排水問題。

　　模塊化靈活性高

　　無排風扇結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn)分布，易于用戶掌握等特點，使得它成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務的方便又經(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(tǒng)PLC控制器提供接口，可掛接在變電所的網(wǎng)絡交換機上，通過交換機與全礦綜合自動化系統(tǒng)連接，通過與上位機通訊，完成遠程控制功能以實現(xiàn)“無人值守”。

　　液晶顯示屏人機界面直觀

　　方便的人機界面服務已經(jīng)集成在PLC 操作系統(tǒng)內(nèi)。按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。PLC操作系統(tǒng)自動地處理數(shù)據(jù)的傳送。

　　診斷功能

　　智能化診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯誤系統(tǒng)事件，例如：超時，模塊更換，等等。

　　口令保護

　　多級口令保護可以使用戶高度、保護其技術機密，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連接MPI接口、PROFIBUS 和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)，通訊處理器用來連接點到點的通訊系統(tǒng);多點接口(MPI和PROFIBUS) 集成在CPU中，用于同時連接編程器、PC機、人機界面系統(tǒng)及其他SIMATIC S7/M7/C7等自動化控制系統(tǒng)。

　　遠程和現(xiàn)場編程

　　用戶在地面調(diào)度室和井下現(xiàn)場都可通過筆記本對程序或參數(shù)進行修改。

　　軟件特點：

　　無人值守減員增效

　　將本機工作方式轉(zhuǎn)為“地面控制”或“自動控制”時，各水泵由地面主機或PLC根據(jù)自身程序進行控制，終達到無人值守。

　　削峰填谷降低成本

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

　　水位自動控制

　　水位監(jiān)測一直是礦井排水參數(shù)中重要的參數(shù)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，通過水位傳感器的監(jiān)測反饋判斷水位所處于哪個檔，然后執(zhí)行相應的控制動作。

　　涌水量增大早預警

　　根據(jù)水倉加裝的水位傳感器實時監(jiān)測水倉水位，以時間、容積、水位相結(jié)合的方式測算出單位時間的涌水量，達到突發(fā)事故早發(fā)現(xiàn)、早預警、早排水的目的。

　　設有涌水量監(jiān)測

　　通過水位傳感器監(jiān)測單位時間內(nèi)的上漲速度，測算出礦井的涌水量并結(jié)合水位高度確定泵控制動作，可提前了解事故情況,為緊急事故提前預知提前進入緊急排水狀態(tài)。

　　一鍵起停操作簡單

　　在井下操作臺和地面調(diào)度室可以實現(xiàn)一鍵起停功能，系統(tǒng)將按設備順序自動啟動自動監(jiān)測各個設備數(shù)值后達到自動排水。大大降低了操作難度減小了誤操作的發(fā)生概率

　　故障直觀易于維護

　　在現(xiàn)場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(xiàn)場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(xiàn)軸承超溫、高壓開關故障、流量不夠、正壓過低、電流不正常時自動停止運行，并能確切的顯示故障位置和類型，且有聲光報警。

　　六、設計規(guī)范

　　遵循的設計原則：

　　以《煤礦規(guī)程》為基礎，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況;

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

　　技術先進，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(xiàn)有資源，在技術先進的基礎上，做到經(jīng)濟實用;

　　網(wǎng)絡通訊功能強大，易于與其它系統(tǒng)集成。

　　遵守的主要現(xiàn)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裝置設計規(guī)范》

　　GB50058 《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》

　　GB4720-84 《低壓電器電控設備》

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

　　IEC144 《低壓開關和控制設備的外殼防護等級》

　　ANSI488 《可編程儀器的數(shù)字接口》

　　ISA-55.2 《過程運算的二進制邏輯圖》

　　ISA-55.3 《過程操作的二進制邏輯圖》

　　ISA-55.4 《儀表回路圖》

　　系統(tǒng)適用環(huán)境：

　　工作溫度 -10～60℃

　　存儲溫度 -40～85℃

　　工作濕度 5～95%，無冷凝

　　工作環(huán)境 無滴水及震動

　　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

　　防爆類型 隔爆兼本安