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(shù)人員集多年水泵制造及應(yīng)用于一體而研制開發(fā)的，具有手動控制、自動控制及遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程維護(hù)功能。可使泵房系統(tǒng)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(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(shè)備維修費(fèi)用，延長設(shè)備使用壽命。為達(dá)到主排水系統(tǒng)可靠運(yùn)行，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動化控制。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)在的技術(shù)水平，配備先進(jìn)的檢測、監(jiān)控系統(tǒng)，完成水泵的自動開停和工況檢測，實(shí)現(xiàn)主排水系統(tǒng)自動化控制。

　　采用上位機(jī)控制與井下的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸，實(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集分析功能，并與全礦井自動化平臺實(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、處理、顯示及打印功能，并具有確認(rèn)機(jī)制以及歷史數(shù)據(jù)記錄功能。

　　通過局域網(wǎng)與工控機(jī)連接的計(jì)算機(jī)都可以瀏覽各個(gè)水泵的運(yùn)行狀態(tài)及歷史信息，以太網(wǎng)接口可以方便的進(jìn)行擴(kuò)展升級，建立歷史數(shù)據(jù)庫，設(shè)定不同的權(quán)限(用戶、管理員、工程師)，便于統(tǒng)一管理。

　　實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備即水泵，電機(jī)，閥門等關(guān)鍵參數(shù)的采集，以光纖的通訊方式傳達(dá)到上位機(jī)，通過上位機(jī)的人機(jī)界面，操作員可以準(zhǔn)確的、方便的控制電機(jī)的起、停，閥門的開、關(guān)等基本操作，實(shí)現(xiàn)整個(gè)水泵排水系統(tǒng)的自動控制。

　　上位機(jī)操作界面具有閥門的開到位、關(guān)到位以及過轉(zhuǎn)矩信號指示，水泵前后端軸承，電機(jī)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(jī)的電壓、電流、功率，水泵軟啟動的工作狀態(tài)，并實(shí)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(shè)備組成。由于系統(tǒng)控制要求復(fù)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(fù)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(yùn)行參數(shù)的檢測。二是開關(guān)量檢測部分。將電動閥的工作狀態(tài)與啟閉位置等開關(guān)量信號接入PLC，可檢測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)及設(shè)備要符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　水泵控制系統(tǒng)每套主要由以下設(shè)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(jī)、攝像儀、電纜、軟件等組成。實(shí)現(xiàn)控制水泵啟停、電動閘閥開關(guān)、自動排真空設(shè)備開關(guān)及各類保護(hù)、報(bào)警、故障診斷等功能。

　　系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)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(yuǎn)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(dāng)水位上升至高位時(shí)，立即啟泵，水位上升至高位時(shí)，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(dāng)水位逐漸下降時(shí)，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(yù)選水泵，并能自動換開，當(dāng)一臺故障時(shí)自動切換到另一臺水泵。

　　電器保護(hù)：所有電氣設(shè)備按有關(guān)要求具有保護(hù)功能。

　　系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程啟動、停止、復(fù)位和測試功能，并實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)監(jiān)測的所有信息。具有遠(yuǎn)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(hù))屏蔽、控制方式轉(zhuǎn)換和“上位機(jī)強(qiáng)制”功能。

　　上位機(jī)能納入全礦局域網(wǎng)，泵房所有設(shè)備運(yùn)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(jī)，可便隨時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)查詢。系統(tǒng)具備完善的報(bào)警功能，對所有被測參數(shù)超限、保護(hù)動作及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)改變進(jìn)行報(bào)警，并進(jìn)行語音或文字告警提示。上位機(jī)設(shè)定操作員、工程師及網(wǎng)絡(luò)各級不同的訪問權(quán)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(jìn)行數(shù)據(jù)備份。排水量按月累計(jì)數(shù)據(jù)、排水泵按月累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、每月耗電量等主要數(shù)據(jù)保存至少3個(gè)月，其它數(shù)據(jù)至少保存1個(gè)月，可以根據(jù)用戶需要，在軟件內(nèi)設(shè)定時(shí)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(jì)報(bào)表、曲線圖、柱狀圖等)。

　　自動控制：

　　本著水位優(yōu)先的原則實(shí)現(xiàn)各個(gè)水泵的自動控制。

　　用電高峰時(shí)間段

　　當(dāng)水位達(dá)到高位自動啟動“運(yùn)行泵”，水位達(dá)到上限水位時(shí)自動啟動“備用泵”，直到水位低于高位時(shí)停止“備用泵”，只運(yùn)行“運(yùn)行泵”，水位達(dá)到低位時(shí)自動停止“運(yùn)行泵”。

　　用電低谷時(shí)間段

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

　　手動控制：

　　根據(jù)實(shí)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€(gè)設(shè)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(shè)備設(shè)有保護(hù)功能。同時(shí)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(yù)設(shè)流程排真空、啟動水泵、打開閥門、關(guān)閉排真空設(shè)備、關(guān)閉閥門、停止水泵等自動控制簡化操作流程。

　　遠(yuǎn)程控制：

　　地面控制界面美觀實(shí)用實(shí)時(shí)反映井下設(shè)備運(yùn)行情況，井下集中控制臺在將控制方式選擇為“地面遠(yuǎn)程”控制時(shí)，地面工控機(jī)被授予控制權(quán)限可對井下設(shè)備進(jìn)行非檢修操作實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。地面遠(yuǎn)程操作人員用鼠標(biāo)可實(shí)現(xiàn)一鍵遠(yuǎn)程啟動、停止控制。

　　控制：

　　各設(shè)備工作方式打到檢修位置時(shí)，可直接在開關(guān)上或設(shè)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(bào)警，故檢修方式只允許在檢修箱上進(jìn)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(yùn)行。該程序具有結(jié)構(gòu)清晰、簡捷、易懂，便于模擬調(diào)試，運(yùn)行速度快等特點(diǎn)。

　　2. PLC自動檢測水位信號，計(jì)算單位時(shí)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(yùn)行臺數(shù)，合理地調(diào)度水泵運(yùn)行。

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

　　4. 系統(tǒng)可根據(jù)投入運(yùn)行泵組的位置，自動選擇啟動真空泵，若在程序設(shè)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)不到真空度，便有報(bào)警輸出。

　　5. 在操作屏上動態(tài)監(jiān)控水泵及其附屬設(shè)備的運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)顯示水位、流量、壓力、溫度、電流、電壓等參數(shù)，超限報(bào)警，故障點(diǎn)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(hù)功能有以下幾種:(見圖)
 

　　超溫保護(hù):水泵長期運(yùn)行，當(dāng)軸承溫度或定子溫度超出允許值時(shí)，通過溫度保護(hù)裝置及PLC 實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警。

　　流量保護(hù):當(dāng)水泵啟動后或正常運(yùn)行時(shí)，如流量達(dá)不到正常值實(shí)現(xiàn)報(bào)警，通過流量保護(hù)功能使本臺水泵停止運(yùn)行，自動轉(zhuǎn)換為啟動另一臺水泵。

　　電動機(jī)故障:利用PLC及觸摸屏監(jiān)視水泵電機(jī)過電流、漏電、低電壓等電氣故障，實(shí)現(xiàn)報(bào)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(shè)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(shè)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(yīng)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(guān)提供的各主水泵、潛水泵的開停信號。

　　由高壓開關(guān)提供的電機(jī)電壓、電流信號

　　由高壓開關(guān)提供的真空泵的開停信號

　　各電動閘閥的開關(guān)位置和開關(guān)過位信號

　　各個(gè)電動球閥的開關(guān)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(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(jī)顯示。

　　泵體內(nèi)的真空度

　　采用負(fù)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(dá)到泵理論產(chǎn)生的壓力后方可開啟排水閘閥進(jìn)行排水，在泵運(yùn)行過程中壓力過低為故障停泵的依據(jù)之一。

　　電機(jī)繞組溫度及電機(jī)軸承溫度

　　電機(jī)前、后軸承、三項(xiàng)繞組及水泵前、后軸承預(yù)埋溫度傳感器，數(shù)據(jù)將采集到PLC內(nèi)進(jìn)行溫度監(jiān)測，在溫度過高時(shí)成為故障停泵的依據(jù)之一，并在操作臺上顯示實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)。

　　五、系統(tǒng)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)中常見的控制器，其可靠的性能已經(jīng)被各個(gè)使用單位認(rèn)可，本系統(tǒng)對于PLC的應(yīng)用非常靈活，可靠性提高一個(gè)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(yīng)急預(yù)案提出的前瞻性。

　　外圍設(shè)備性能可靠

　　經(jīng)過多年的實(shí)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(yīng)急措施齊全

　　井下環(huán)境惡劣經(jīng)常發(fā)生電力設(shè)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(shè)備無法正常運(yùn)行。為我公司設(shè)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(gè)手動球閥解決因低壓電源故障、高壓電源正常時(shí)造成無法排水問題。

　　模塊化靈活性高

　　無排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)分布，易于用戶掌握等特點(diǎn)，使得它成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務(wù)的方便又經(jīng)濟(jì)的解決方案。且易于維護(hù)和更換大大提高了靈活性。

　　組網(wǎng)功能強(qiáng)大

　　本系統(tǒng)PLC控制器提供接口，可掛接在變電所的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上，通過交換機(jī)與全礦綜合自動化系統(tǒng)連接，通過與上位機(jī)通訊，完成遠(yuǎn)程控制功能以實(shí)現(xiàn)“無人值守”。

　　液晶顯示屏人機(jī)界面直觀

　　方便的人機(jī)界面服務(wù)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(shí)，模塊更換，等等。

　　口令保護(hù)

　　多級口令保護(hù)可以使用戶高度、保護(hù)其技術(shù)機(jī)密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改，對于操作口令加密分級保護(hù)不同的用戶有不同的權(quán)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(diǎn)到點(diǎn)的通訊系統(tǒng);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(jī)、人機(jī)界面系統(tǒng)及其他SIMATIC S7/M7/C7等自動化控制系統(tǒng)。

　　遠(yuǎn)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(jìn)行修改。

　　軟件特點(diǎn)：

　　無人值守減員增效

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

　　削峰填谷降低成本

　　地面計(jì)算機(jī)根據(jù)每天礦井的用電負(fù)荷情況，確定用電高峰、低谷時(shí)間，并將參數(shù)傳給本機(jī)，使水泵運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)的時(shí)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(xiǎn)水位，通過水位傳感器的監(jiān)測反饋判斷水位所處于哪個(gè)檔，然后執(zhí)行相應(yīng)的控制動作。

　　涌水量增大早預(yù)警

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

　　設(shè)有涌水量監(jiān)測

　　通過水位傳感器監(jiān)測單位時(shí)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(yù)知提前進(jìn)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(shí)現(xiàn)一鍵起停功能，系統(tǒng)將按設(shè)備順序自動啟動自動監(jiān)測各個(gè)設(shè)備數(shù)值后達(dá)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(hù)

　　在現(xiàn)場觸摸屏上可漢字顯示各故障信息并報(bào)警，在地面控制站上可顯示現(xiàn)場單元當(dāng)前的報(bào)警信息以及保存的報(bào)警記錄。當(dāng)運(yùn)行的水泵出現(xiàn)軸承超溫、高壓開關(guān)故障、流量不夠、正壓過低、電流不正常時(shí)自動停止運(yùn)行，并能確切的顯示故障位置和類型，且有聲光報(bào)警。

　　六、設(shè)計(jì)規(guī)范

　　遵循的設(shè)計(jì)原則：

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

　　遵循“五高”建設(shè)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(kuò)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(kuò)展;

　　充分利用現(xiàn)有資源，在技術(shù)先進(jìn)的基礎(chǔ)上，做到經(jīng)濟(jì)實(shí)用;

　　網(wǎng)絡(luò)通訊功能強(qiáng)大，易于與其它系統(tǒng)集成。

　　遵守的主要現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)：

　　GB4796 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境條件》

　　GB20062 《電力裝置的繼電保護(hù)和自動裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》

　　GB50058 《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》

　　GB4720-84 《低壓電器電控設(shè)備》

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

　　IEC144 《低壓開關(guān)和控制設(shè)備的外殼防護(hù)等級》

　　ANSI488 《可編程儀器的數(shù)字接口》

　　ISA-55.2 《過程運(yùn)算的二進(jìn)制邏輯圖》

　　ISA-55.3 《過程操作的二進(jìn)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(shè)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(hù)等級 IP54(本安)傳感器IP65

　　防爆類型 隔爆兼本安