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主排水泵房自动化控制方案说明主排中央水泵房自动化控制方案说明自动化控制方案说明1主排水泵房自动化控制方案说明目目录录一、系统概述.3二、设计依据.52.1 设计依据.52.2 适用环境.62.3 水泵及控制对象描述.62.4 现场情况及系统配置.6三、系统特点.73.1 安全可靠性.73.2 经济性.133.3 适用性及先进性.13四、系统设计原则.144.1 安全可靠性.144.2 先进性.144.3 经济性.14五、系统构成.155.1 系统结构图.1552 水泵管路系统图.1753 布线图.195.4 KJP-660-30 矿用隔爆兼本安型控制器 .20六、系统功能.206.1 系统功能综述.206.2 运行模式.226.3 系统参数的采集.23七、系统工作原理及配置.257.1 系统工作原理及工作方式.257.2 水泵控制的控制原则.267.3 系统配置.27八、上位机软件操作界面（参考）.29九、传感器介绍.369.1 LCZ-803 矿用隔爆兼本质安全型数字超声波流量计.369.3 GUY10 煤矿用投入式液位传感器.379.4 DFH20 矿用防爆电动球阀组成.389.5 GYD 本质安全型压力变送器 .392主排水泵房自动化控制方案说明一、系统概述一、系统概述随着计算机控制技术的迅速发展，以微处理器为核心的可编程序控制器(PLC)控制已逐步 取代继电器控制， 普遍应用于各行各业的自动化控制领域。但目前矿井主排水系统仍多采用继电器控制，水泵的开停及选择切换均由人工完成， 还做不到根据水位或其它参数自动开停水泵，这将严重影响井下主排水泵房的管理水平和经济效益的提高 。国家安全生产监督管理总局 2009 年 12 月 1 日实施的煤矿防治水规定 第118 条规定： 受水威胁严重的矿井， 应当实现井下泵房无人值守和地面远程监控，本系统正是根据此规定进行设计的。井下主要排水设备必须有工作、备用和检修水泵，必须有工作和备用水管；并应有同水泵相适应的配电设备，能同时开动工作和备用水泵等。井下的水泵电压高、功率大、启动复杂，水泵启动前吸水管路的充水，通常采用抽真空吸水的方法来完成。 现泵房内设备的运行与管理以及水仓水位的观察，普遍采用人工操作方式，操作过程繁琐、劳动强度大、水泵启动时间长、自动化程度低、不适应现代化矿井管理。矿井中央泵房是矿山企业的机电要害场所，直接影响到矿山企业的安全生产， 现在国内的矿山企业矿井中央泵房的自动化水平还不是很高，这影响了生产的安全生和高效性，矿井中央泵房无人值守自动化系统可以有效解决这些问题。矿井中央泵房无人值守自动化系统应该具有以下的一些功能和特点： 系统应满足水泵机组起停、故障诊断和数据处理上完全自动化，不需要人工干预；达到节约能源和人力资源的功能，并能长时间连续稳定地工作。针对矿井的实际要求，本系统主要实现如下几项内容:1、采用集中控制器对水泵房设备运行实行在线监控，自动、手动控制水泵的启停及闸阀的开、关，并具有自诊断功能，可实现水泵房的无人值守。2、控制系统通过以太网接入矿井工业以太干网，实现水泵监控子系统与全矿井的监控系统信息共享，满足全矿井自动化控制的要求。3、集中控制器采用西门子 S7300 系列工业级 PLC 及先进的过程控制软件，综合考虑矿井各种安全信息，实现井下排水监控系统的最优控制策略；井下排水3主排水泵房自动化控制方案说明监控系统的报警， 信息显示， 报表统计处理全部融入整个矿井监控系统的数据系统。4、水泵房现场以计算机图形界面结合现场操作，最大程度简化操作与状态显示。5、根据水位控制原则，自动实现水泵的轮换工作。6、结合水仓水位和全矿电力负荷信息，以“移峰填谷”原则确定开、停水泵时。7、系统具有多种通讯协议可选，可与系统互联互通，软件修改可在控制室完成。8、水泵监控子系统有三种工作方式， “自动” 、 “手动” 、 “检修” 。自动：自动控制下，控制室控制所有设备，并显示各水泵及闸阀工作状况和各种故障显示。PLC 采集各种信号。集中控制室按照工艺流程及PLC 闭锁程序顺序控制水泵及闸阀的开启。由液位传感器连续检测水仓水位，根据吸水井的水位及其他因素，合理调度自动开停水泵及其阀门，在正常水位时，各台水泵能自动轮换工作，最大涌水及突出涌水时，自动投入必要数量的水泵运行。此方式下可实现无人值守。当水泵出现故障时，能够及时报警，并能够自动开启备用水泵。根据水泵使用台数和水位变化率的情况可判断矿井涌水情况， 从而确定水泵增加台数。手动：操作工人根据水仓显示水位，人工手动开停水泵及确定开泵台数，电机及其阀门的开、停由PLC 自动执行，即PLC 完成单台水泵抽真空、启泵、开液压阀等自动控制，并完成运行停止。检修：可操作任一水泵电机，闸阀，电磁阀的开关，可以实现不通过 PLC完成水泵的启停。相互动作互不闭锁。9、实施监测水泵各工况参数，包括水位、电压、电流、压力、功率、温度、振动、真空度等。10、实现远程编程、现场编程、完善修改系统功能。11、具有较强的兼容性和扩展性。12、 根据以往同类设备运行的经验， 自动注水环节对整个系统运行的可靠性起着至关重要的的作用，为保证该环节的可靠运行，采用工作原理不同而且抽真空管路相互独立的真空泵及水射流两种方式来完成自动注水环节。4主排水泵房自动化控制方案说明采用运行可靠、实现真空度高、抽真空时间短的真空泵运行为主，以水射流为辅的原则。为进一步提高可靠性，真空泵可采取一用一备的冗余配置。水射流以消防洒水为能源。二、设计依据二、设计依据2.12.1 设计依据设计依据某科技设计研究院某煤业有限公司某煤矿+50中央水泵房主排水泵控制ZP-30 矿用自动排水控制装置企业标准Q/CN09-2009KXJ1-200/660-3 矿用隔爆兼本质安全型自动排水控制器企业标准Q/CN08-2009GB 3836-2000 爆炸性气体环境用电气设备系列标准煤炭工业矿井设计规范煤矿安全规程 （2005） ；电工电子产品环境条件GB4796电力装置的继电保护和自动装置设计规范GB20062爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范GB50058低压电器电控设备GB4720-84电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施式及验收规范GB50171-92低压开关和控制设备的外壳防护等级IEC144包装储运图示标志 GB/T 191-2000高低压配电设计规范(GB50054-95)矿用一般型电器设备(GB12173-90)外壳防护等级的分类(GB4208-84)煤矿通讯、检测、控制用电工电子产品通用技术要求(MT209-90)电力装置的继电保护和自动装置的设计规范(GB50062-92)应用电视设备安全要求(GB14861-93)安全防范工程程序与要求(GA/T 75-94)可编程仪器的数字接口ANSI4885主排水泵房自动化控制方案说明2.22.2 适用环境适用环境海拔高度：1100m；工作温度： 060存储温度： -4085工作湿度： 595%工作环境：无滴水及震动保护等级： IP54（不低于）防爆类型：隔爆，本安环境温度： -5+40；地震：抗震设防烈度为 6 度。2.32.3 水泵及控制对象描述水泵及控制对象描述主 水 泵： 六台流量：扬程：结构说明：电机：6kV 710kW 采用电抗器降压启动系统供电电压：AC6KV15；电网为50Hz 正弦波，电压幅值波动-10%+10%；控制回路电压： 系统的输入电源为两路独立的 127V 单相 50HZ 交流电， 电源采用防爆型式,并配有后备电池。控制对象：电动球阀（22 个） 、电液动闸阀（6 台） 、电抗降压启动器（6 台） ；2.42.4 现场情况及系统配置现场情况及系统配置项 目 性 质 ：新建项目设 备 类 型 ：隔爆兼本质安全型隔爆型电动机：6主排水泵房自动化控制方案说明耐磨多级离心泵：数量： 六台现场条件： 煤矿井下温度信号： 电机采购时自带一路 PT100 温度传感器检测电机运行温度，另加装温度传感器检测电机轴承温度。流量信号 ：每路主排水管安装矿用超声波流量传感器压力、真空度：在每台水泵的吸水口安装本安型负压传感器、在每台水泵的出水口安装本安型压力传感器、 在每路主排水管安装本安型压力传感器主 排 水 管 ：两路防爆电动闸阀：六台提供开到位、关到位、过转矩等信号排真空方式 ：以抽真空为主、水射流为备用，排真空管路直径：1 英寸电量信号：电流二次侧信号：AC 0-5A 由低压智能馈电开关的微机控制综合保护器提供电压二次侧信号：AC 100V 由低压智能馈电开关的微机控制综合保护器提供中央变电所进线电流：二次侧信号 AC 0-5A水位检测 ：两台投入式液位传感器，一用一备；两只浮球开关备用。控制方式 ： 自动模式、 软手动模式、 远程控制模式、 检修模式(配置就地控制箱)地面控制中心：工控机、光口交换机、组态软件、操作台、光纤等PLC 类 型 ：西门子 S7300 系列电机启动方式：电抗器降压启动三、系统特点三、系统特点3.13.1 安全可靠性安全可靠性1 1、拥有高可靠性的多线制开关量接口“星型”结构模式、拥有高可靠性的多线制开关量接口“星型”结构模式所谓多线制结构模式就是控制核心PLC与被控设备采用多线制的开关量接口作为控制及反馈的接口， 因为开关量本身具有不受周围环境干扰的特点因为开关量本身具有不受周围环境干扰的特点， 同时这种结构本身是一种“星型结构” ，所以某一故障点不会影响其它环节的工作，也就是说整个系统具有极高的可靠性。系统结构见下图：7主排水泵房自动化控制方案说明多线制开关量接口“星型”结构模式多线制开关量接口“星型”结构模式8主排水泵房自动化控制方案说明这种结构形式具有如下特点：A、手动(检修)模式为真正意义上的手动(检修)模式。如上图所示：自动模式下由 PLC 通过开关量输出模块控制被控设备，当系统转为手动模式，或者 PLC 故障、PLC 失电等特殊情况下，系统自动转为手动模式，可以通过操作就地控制柜上的按钮以纯继电控制的方式进行手动操作，而不是通过 PLC 或数据口通讯的方式控制被控设备。B、系统具有高可靠性因为开关量本身具有不受周围环境干扰的特点， 同时这种结构本身是一种 “星型结构” ，所以某一故障点不会影响其它环节的工作，也就是说整个系统具有极高的可靠性。C、手动操作方式为集中操作对于某一台泵而言， 其手动操作完全可以通过在水泵附近的就地操作柜进行全部的手动操作，例如真空泵操作、射流阀操作、排气阀操作、排水泵操作、主排水电动阀操作等等，不用到这些被控设备附近进行操作。D、主排水泵运行电量的采集灵活主排水泵运行电量的采集即可以通过电磁启动器的微机综保的智能数据接口采集，也可以通过多线制方式直接采集二次侧的电流、电压输出， 第二种采集方式特别适合于矿井电力自动化占用微机综保的智能数据接口情况下的电量采集。E、系统布线较复杂由于系统采用了多线制星型的结构， 所以必然造成布线较多、 较复杂的缺点，但也正因如此，为系统的可靠运行提供了保证。与此种结构相对应的是总线制“树型”结构，如下图9主排水泵房自动化控制方案说明总线制“树型”结构10主排水泵房自动化控制方案说明这种结构具有如下特点：A、采用树型结构，系统的可靠性由所有树型结点共同的可靠性来决定由于系统采用了 PLC 与各节点(例如电动闸阀控制柜)之间的 MODBUS 总线通讯的方式，而节点的核心是一枚单片机为核心的国产设备控制单元，其可靠性远低于西门子 S7300 为核心的 PLC，更低于纯继电控制的多线制开关量控制模式，所以系统总体的可靠性就会降低。B、主排水泵的控制采用智能数据接口控制对于大多数高压启动柜(或软启动器)而言，这种控制方式在进行手动控制时是需要将启动柜的控制模式改为端子或操作面板控制后才可以进行手动操作的。而这在紧急时刻是很难办到的。另外，因为每个启动柜的微机综保上只有一个 RS485 接口，而这个接口一般是为矿井电力自动化预留的，是不允许占用的。C、手动操作较复杂如果自动模式失效，需要进行手动操作时，只有在被控设备上直接操作被控制设备才能完成手动操作，例如射流阀的操作就必须亲自旋转射流阀的手动扳手、启动主排水泵就必须在配电间操作高压启动柜的按钮。D、系统布线较简单由于采用了总线制结构，系统布线量较少、布线较简单综合以上两种结构的特点，综合以上两种结构的特点，我公司认为：我公司认为：该系统的可靠性是第一该系统的可靠性是第一位的，位的， 所以我公司产品的结构模式选择为多线制开关量接口的所以我公司产品的结构模式选择为多线制开关量接口的“ “星型星型” ”结构模式。结构模式。2 2、拥有多种操作模式、拥有多种操作模式本系统拥有远端控制、就地自动控制及手动控制三种控制方式，三种控制模式以“井下优先” 的原则可以进行手动切换。在特殊条件下时也可以进行自动切换，例如：当井上与井下通讯光缆中断的情况下，系统将控制权自动交给井下PLC 进行控制。 再例如：如果设备运行在远端手动模式或井下 PLC 自动控制模式的情况下，PLC 发生故障，则系统自动转换为现场手动运行模式。3 3、引入水仓进水量变化率的概念，可对透水事故进行早期预警。、引入水仓进水量变化率的概念，可对透水事故进行早期预警。11主排水泵房自动化控制方案说明水仓进水量变化率是由水仓水位变化率、 水仓容积及总出水管的流量经过一定算法计算得出， 该参数根据水仓的容积大小可以精确到每 15S-20S 的水仓进水变化率。该参数在发生透水、突水事故时，在水透水仓未满时做到早期预警。4 4、可靠的信号隔离、可靠的信号隔离所有现场本质安全型传感器都经过变压器隔离型安全栅接入 PLC 模拟量输入模块，真正实现了本质安全型电路与非本质安全型电路之间的隔离。隔离耐压为 AC2000V，高于国家标准规定的 AC1500V 的要求。对所有 PLC 开关量输出的信号均采用继电器进行隔离输出，一方面实现了本质安全型的电路与非本质安全型的电路的隔离， 同时也保证了输出的负载能力及可靠性。5 5、可靠的引水方式、可靠的引水方式系统采用了真空泵及水射流两种引水方式。真空泵又采用了一用一备的结构，同时每台水泵均配备了一个射流阀， 这样就保证了引水的可靠性。正常运行时，以“抽真空为主、以射流为辅”。如果抽真空达到一定时间，而真空度还达不到，则系统会自动地切除真空泵系统，而将射流系统投入。6 6、元器件的选择、元器件的选择根据以往工程实例中电磁阀经常发生故障的情况， 所以电动阀门均配置为可靠性非常高的电动球阀或电动闸阀.选用可靠的控制原器件，水泵房控制核心选用西门子公司的可编程控制器S7-300，继电原件选用施耐德公司的器件。7. 7.可靠的早期预警系统可靠的早期预警系统对每台泵正常运行时的电流、电压、压力、流量、真空度、温度、振动、参数变化的时间等等参数形成一套有针对性的“配方”，与运行时参数进行比较，能够早期发现系统中存在的隐患。从真空泵启动到具备真空度可以开启主排水泵的过渡时间必须在一定范围内，否则将开启备用的射流系统。但如果这个时间比预先设置的“工业配方”中的过渡时间长，但还能够达到真空度，这就说明真空系统有密闭不严的可能。8 8、按照累计运行时间循环启动、按照累计运行时间循环启动对水泵的运行时间进行累计，每次启动累计运行时间最小的水泵。这样就实现了水泵的均匀磨损，避免了某台水泵经常使用造成设备疲劳，同时某台水泵长期不使用造成锈蚀。12主排水泵房自动化控制方案说明 3.2 3.2 经济性经济性1 1、引入百米吨水电耗的概念，将实时百米吨水电耗参数显示在监控主界面，同时，用户可以对百米吨水电耗变化曲线进行查询。2 2、将电价的避峰填谷原则引入水泵启动算法中，使得水泵耗能处于最经济的状态。3 3、通过对水仓水位的启动水位、报警水位、超限水位、停机水位的设定，在保障水仓水位绝对安全的前提下，使水泵的启动次数及达到了最少。4 4、由于本系统是按照无人值守的原则进行设计，所以现场无需人员进行值守，这样就节省了大量的人力资源。3.33.3 适用性及先进性适用性及先进性1、由于采用了光纤环网通讯技术取代了原来的总线传输技术使得数据传输更加快捷、可靠。2、对于多级提升的矿井排水系统可以通过安装多级自动化排水设备做到由地面调度中心根据各级泵房水仓容量及液位统筹调度，实现高效、经济地运行。 同时在发生透水事故时可以做到统一动作、统一指挥。3、本系统遵循矿井综合监控系统标准子系统接口规范使得该系统可以非常容易地并入矿井综合监控系统中，与其它子系统实现数据的共享。4、水泵前轴预装温度、振动一体化传感器，即保证的测试精度，同时又为设备维护创造了方便的条件。5 5、与其它系统的接口：本系统除地面监控中心的数据接口外还提供了丰富的与电力等系统的接口，例如与高压开关柜及软启动柜之间的开关量报警接口、可以输入 0-100V 及 0-5A 的模拟量输入接口。还提供了可以接入 RS485 通讯口的智能接口，该接口可以接入高压电机液阻启动器或低压电抗启动器，以实现对电机启动的更加全面的监视。6、对所有报警信息分为一般性预警及报警两种等级。一般性预警指的是非致命性故障或不致影响系统运行的报警， 例如系统检测的参数与正常运行的标准值有偏差， 但还没有达到报警的阀值时系统会发出一般性预警。报警信息指的是系统检测到已经影响系统正常运行的故障信息。13主排水泵房自动化控制方案说明四、系统设计原则四、系统设计原则4.14.1 安全可靠性安全可靠性拥有远端控制及就地控制两种控制方式， 当集中控制柜与远端监控平台通讯中断时，自动转入就地控制方式。就地控制方式又可分为就地集中控制及就地手动控制。全方位监控电机、水泵、启动柜、真空系统等各环节，对系统出现的异常能够提前给出预警。严格规范地按照规定的程序对水泵进行自动启、停。选用可靠的控制原器件，水泵房控制核心选用西门子公司的可编程控制器S7-300，继电原件选用施耐德公司的器件。4.24.2 先进性先进性由于采用了光纤环网通讯技术取代了原来的总线传输技术使得数据传输更加快捷、可靠。采用了组态软件控制技术取代了 VC.net 编程技术，不仅使可靠性大为提高而且使程序更加具有通用性，也使系统的二次开发及扩容变得更加规范、容易。本系统遵循矿井综合监控系统标准子系统接口规范使得该系统可以非常容易地并入矿井综合监控系统中，与其它子系统实现数据的共享。4.34.3 经济性经济性将电价的避峰填谷原则引入水泵启动算法中， 使得水泵耗能处于最经济的状态。对水泵的运行时间进行累计，每次启动累计运行时间最小的水泵。这样就实现了水泵的均匀磨损，避免了某台水泵经常使用造成设备疲劳，同时某台水泵长14主排水泵房自动化控制方案说明期不使用造成锈蚀。通过对水仓水位的启动水位、报警水位、超限水位、停机水位的设定，在保障水仓水位绝对安全的前提下，使水泵的启动次数及达到了最少。由于本系统是按照无人值守的原则进行设计，所以现场无需人员进行值守，这样就节省了大量的人力资源。五、系统构成五、系统构成5.15.1 系统结构图系统结构图监控装置包括， PLC 柜、就地控制箱、操作台、电磁阀和传感器等。1. 控制柜（PLC 柜）主要由可编程控制器、信号变送器、中间继电器等组成，主要完成对信号的接受、变换、放大，并由PLC 运算、判断发出各种控制信号，监控水泵的运行工况。实现水泵房的无人值守。PLC 的输出信号应用中间继电器隔离。实现对变频器的控制。PLC 的 I/O 接口应有不少于 20%的备用量。PLC 柜为矿用隔爆型，PLC 选用西门子公司 S7300 系列。PLC 柜电源箱和小功率多回路组合开关输入电源 AC127V、50HZ，内置控制变压器和 UPS（考虑为PLC 和传感器提供后备电源） 。PLC 柜通过以太网模块（光口）接入工业以太干网，实现水泵监控子系统与全矿井的监控系统信息共享。2集中操作柜集中控制柜为隔爆兼本质安全型，显示屏（嵌装） 、指示灯、按钮、转换开关、继电器、电源开关、蜂鸣器等都安装在集中控制台内。按钮、指示灯、转换开关、继电器等采用品牌优质电器元件。集中操作用于完成整套系统的控制与监视。 投标方应根据技术规格书的系统功能特性要求对集中控制台布置做详细设计。3现场设备及传感器部分现场设备及传感器包括就地控制箱、传感器和电磁阀等组成。15主排水泵房自动化控制方案说明就地控制箱：就地控制箱主要由按钮、指示灯等组成，每个就地箱备有急停按钮与相关按钮等。传感器包括超声水位计、管路静压传感器、电机温度传感器等，所检测的参数主要有：水仓水位、水泵进水管真空度、水泵出水口压力、水泵轴温、电机温度及设备工作状态等。在水泵与电机联接处增加 KR-939SB2 型一体化温度、振动传感器, 内部分别集成振动、温度探测 .对水泵的运行状态进行实时监测。16主排水泵房自动化控制方案说明5 52 2 水泵管路系统图水泵管路系统图止回阀(ZH)：采用微阻缓闭式止回阀防爆电动闸阀(DZ)：采用 AC660V 电动闸阀或电液控闸阀排真空阀(QF)：采用本质安全型电动球阀，工作电压 DC24V，可手、电动压力表(P)：采用抗振式压力表与压力传感器配接负压表(Z)：采用抗振式真空表与真空度传感器配接流量计(Q)：采用隔爆兼本质安全型超声流流量计手动闸阀(SF)：DN250、DN200 PN1.6 手动闸阀水射流阀(PB)：ZPBD 水射流阀17主排水泵房自动化控制方案说明18主排水泵房自动化控制方案说明5 53 3 布线图布线图19主排水泵房自动化控制方案说明5.45.4 KJP-660-30KJP-660-30 矿用隔爆兼本安型控制器矿用隔爆兼本安型控制器工作电压：AC660 V；最大工作电流：0.3A；容量：300W本安模拟量输入接口：16本安开关量输入接口：16路路路非本安开关量输出接口：32以太网接口：1 路信号输入、输出 本安型开关量输入信号：高低电平信号，2V低电平，15V高电平本安型模拟量输入信号：电流信号 4mA20mA 模拟量的转换误差:0.5% 非本安开关量输出信号：常开接点，接点容量AC 220V/3A（阻性负载） 通信接口与交换机通信的传输方式为以太网传输，传输速率为：100Mbps最大传输距离：100m （矿用双绞线）六、系统功能六、系统功能6.16.1 系统功能综述系统功能综述地面监控机的主要功能：地面监控机的主要功能：实时与采区 PLC 数据通信，采集现场的检测参数；20主排水泵房自动化控制方案说明实时记录、显示现场运行数据；在远程控制允许的方式下，实现对各水泵的启停运行控制；实时监测采区开关的闭合状态。具有采区水泵的工艺画面的动态模拟。具有操作人员的登录管理功能，有效防止非法操作、误操作。对井下设备的启停控制实时记录，便于对设备的操作查询管理。可以查询设备实时运行数据及历史运行数据。具有实时动作状态变化报警提示。 采区控制站完成的功能采区控制站完成的功能对井下泵房的排水泵、抽真空系统和电动阀门的自动监控。实时采集水泵的出水口压力，并根据此值作为保护电机的一项参数。实时采集水泵进水口的真空度，在启动电机时作为启动的依据。实时采集水泵电机温度，作为电机是否运行正常的依据。实时采集开关的电压、电流运行参数以及故障保护信号。实时采集两水仓水位，在自动运行方式时，根据水仓水位的液位控制电机的自动运行。实时采集出水母管的管网压力和出水总流量。通过就地控制箱，就地控制系统运行。就地控制箱安装工业以太网模块通过矿井千兆工业以太网将运行数据传到地面监控机。 自动轮换工作自动轮换工作对井下十采泵房的排水泵为了防止因备用泵及其电气设备长期不用而使电机和电气设备受潮或锈死，在工作泵出现紧急故障需投入备用泵时，而不能及时投入以至影响矿井安全， 系统程序设计了自动轮换工作控制，控制程序将水泵运行时间自动记录并累计，决定下次开机时的开机顺序，实现各台水泵轮换运转，原则上 14#泵依次运行，即打开 1#泵启停 1 次后，下次开停即为 2#泵，依次为3#泵，2#泵故障不能启动时，及时启动开启3#泵。以使各台水泵具有较为平均的开机时间，延长其使用寿命，保证煤矿的安全生产。自动控制自动控制21主排水泵房自动化控制方案说明水泵泵体内部只有达到一定的真空度，使其叶轮完全淹没于水中，才能实现正常的排水。若真空度不够，泵内有空气存在，将会造成不上水和转动部件烧坏等故障。系统一般采用真空泵或射流泵抽真空，由真空表监测真空度，正常运行情况下，有出口压力、流量和真空度三个参数判断水泵运行是否正常。为了减少启动时间和对电网的冲击， 水泵操作规程规定离心式水泵一定要关闭出水闸阀启动，而当水泵停车时，为避免水锤事故，必须先关闭闸阀，缓慢减少流速，最后停车。水泵的开机顺序为： 打开真空泵，自动抽真空； 抽真空完毕，开启水泵； 打开排水管路上电动阀门； 关闭真空泵运行； 水泵自动开机完毕。水泵关机顺序为：关闭出水电动阀门； 停止排水泵运行6.26.2 运行模式运行模式水泵监控子系统有三种工作方式， “自动” 、 “手动” 、 “检修” 。自动：自动控制下，控制室控制所有设备，并显示各水泵及闸阀工作状况和各种故障显示。PLC 采集各种信号。集中控制室按照工艺流程及PLC 闭锁程序顺序控制水泵及闸阀的开启。由超声液位传感器连续检测水仓水位，根据吸水井的水位及其他因素，合理调度自动开停水泵及其阀门，在正常水位时， 各台水泵能自动轮换工作，最大涌水及突出涌水时， 自动投入必要数量的水泵运行。此方式下可实现无人值守。当水泵出现故障时，能够及时报警，并能够自动开启备用水泵。根据水泵使用台数和水位变化率的情况可判断矿井涌水情况， 从而确定水泵增加台数。22主排水泵房自动化控制方案说明自动运行就是以主泵房中的集中控制柜内的西门子S7300系列可编程控制器（PLC）为核心，根据工况设定，以及时间、水位、煤矿用电负荷等参数自动开启、停止水泵的运转， 对运行中的各种参数进行实时监控。通过接口向上传送数据，对矿井涌水量进行监测， 根据矿井供电负荷调整要求，按预定的工作程序进行定期排水，实现矿井排水优化控制，并根据水仓水位情况自动控制排水泵的开停。手动：操作工人根据水仓显示水位，人工手动开停水泵及确定开泵台数，电机及其阀门的开、停由PLC 自动执行，即PLC 完成单台水泵抽真空、启泵、开液压阀等自动控制，并完成运行停止。手动运行包括现场手动运行及远端手动运行两种操作模式。远端手动运行就是指在地面控制中心， 根据现场的水位、 电压、 电流、 压力、流量、温度等各种传感器传回来的信息，在上位机上通过人工操作来控制水泵的启停。 远端手动运行与现场自动运行可以在控制中心及井下泵房任意一端进行设置。现场手动运行是指通过每台泵前的现场启动柜，人为地对每一台水泵进行启、停操作。检修：可操作任一水泵电机，闸阀，电磁阀的开关，可以实现不通过PLC 完成水泵的启停。相互动作互不闭锁。需要说明如下两点：检修模式下，水位、电压、电流、压力、流量、温度等所有的传感器数据的监视仍然有效。控制中心可以对井下所有数据进行监视。检修模式的切入必须在井下泵房内才能进行， 控制中心无法切换进该种运行模式。三种运行模式的切换只有在所有水泵停机并且出水电动闸阀关闭的情况下才能进行，否则无法进行切换，强制切换系统会产生报警。6.36.3 系统参数的采集系统参数的采集1水位信号23主排水泵房自动化控制方案说明水池水位信号是系统工作的主要控制信号，PLC 要根据水位变化情况来控制水泵的运行情况。因为外界的涌水量是随机的。 所以正常情况下，检测系统要不间断监视水位情况，输送水位信号到 PLC 进行处理，同时输出至显示报警装置，并在触摸屏上进行动态显示，能够直观地观察到水位的高低情况，便于管理人员及时了解水位情况，当高水位时发出声光报警信号。为保证水池水位信号的准确采集，系统配置了两套水位检测方式：一种就是正常运行时采用的模拟量输出的投入式液位传感器， 另一种就是备用的开关量输出的浮球式液位传感器。两种水位检测方式可以人为地进行切换。2. 真空状态检测根据水泵工作要求， 要控制水泵启动必须是在真空度达到设定值时才允许启动，所以启动过程中，对真空度的检测要适时、准确，并可以动态显示。根据以往的工程实践证明，真空状态的检测是水泵控制系统的重点，为保证准确地检测，除在每台水泵吸水口上安装真空度传感器以外，还要在真空泵的出水口安装流量开关，通过检测真空泵出水口是否有水流对真空度进行确认。3.电量参数的采集通过对每台水泵电机的三相电压、三相电流信号的采集，能够准确地判断系统运行的状态，特别是决大多数故障在早期均体现在电机电流的变化上。所以通过准确地检测电机的工作状态，可以及时地甚至提前对故障进行预警。以便于维护人员提前发现故障。配合上位机的数据库系统对电量数据的查询，可以有真对性地制订巡查重点。4物理状态的采集水泵如果发生机械故障，往往在早期表现为泵体温度及振动幅度的升高，所以系统对电机定子的温度、 水泵前轴的温度、 振动、 水泵管水口的压力进行监视，以便及早地发现系统的故障萌芽。5. 系统参数的采集系统参数包括两个主排水管的累积流量及瞬时流量、每台泵的运行时间、各种阀门的状态等。这些参数不仅是水泵启、 停的必要依据，同时也是对系统进行统计、查询的重要依据。6.传感器及执行机构安装位置在每个水泵出水管路安装压力传感器。24主排水泵房自动化控制方案说明每台水泵安装一个贴片式磁钢温度传感器温度传感器，检测水泵回水温度。每个水泵配套的排真空装置的阀门应安装自动、手动电动球阀。在水泵的吸水管安装一个真空度传感器。在集水井安装一个投入式液位传感器，做为控制水泵启动的主要数据闸阀配置为即可电动又可手动电动闸门。在水仓安装浮球式液位开关，作为系统的备用控制数据。在两个总出水管分别安装压力传感器及流量计七、系统工作原理及配置七、系统工作原理及配置7.17.1 系统工作原理及工作方式系统工作原理及工作方式泵房水泵启动开关的电量参数由 PLC 配以各种开关量、模拟量的输入输出模块以及以太网通讯模块共同完成。PLC 自动巡检，通过扩展工业以太网模块及井下以太网交换机及光纤收发器传给地面调度中心。系统可有三种工作方式：全自动、就地手动、远程手动。全自动运行时，系统的井下下位机 PLC 实时采集水仓水位和浮球状态，并根据水仓水位情况和浮球的状态， 按照各台水泵的运行时间长短启动相应水泵的运行或停机。不需要人工参与。下位机在正常运行过程中，可以脱离上位机的通讯仍能正常运行。就地手动工作方式时，根据水仓水位或浮球状态，就地通过现场手动控制柜手动控制水泵的启停。远程手动工作时 ,由授权值班工作人员通过上位计算机控制水泵的启动和停止；系统在正常运行过程中，不论何种工作方式，均可实时将现场的各种参数、设备状态通过工业以太网传到地面调度室。25主排水泵房自动化控制方案说明7.27.2 水泵控制的控制原则水泵控制的控制原则水泵开启时，首先检测水仓水位当水位超过低水位（满足开泵条件） ，开启一台水泵，当系统第一次运行，开启一号泵，以后按照运行时间的多少， 选择运行时间最少的泵开启，如果所选水泵为检修状态，则开启下一序号的水泵。 当开启一台水泵运行一段时间后，发现水位仍然上涨，则顺序开启下一序号的水泵。当水位下降到低水位限以下时，则停止一台运行时间最长的水泵。对于具备开启条件的水泵，在开启前首先启动真空系统，检测真空度， 真空度达到后即可开启。当水位超过警戒水位时(出现涌流)，水泵除检修泵外全部开启。当水泵出现故障时，及时停泵，检修。根据矿方的实际需求，可根据避峰填谷的需求进行相应的调整该无人值守系统以水仓水位作为水泵的起停的基本条件， 在此条件满足的前提下，然后再根据均匀磨损的原则、 电价避峰填谷的原则实现水泵的起停。该原理为：首先设定四个水位限值：H1、H2、H3、H4，当水位达到报警水位时，首先对电网的负荷进行监测，若处于用电谷段或平段时，可以立即启动； 若处于用电峰段，则暂缓启动。当水位继续上升至超限水位时，则不论电网负荷如何，必须立即启动水泵。若水位继续上升到超限水位时，则表明一台水泵的排水量已不足以排除矿井出水，以矿井的最大排水能力来排除矿井涌水。不论投入几台水泵，水位必须下降到低限水位方可停泵。即当 PLC 读取的水仓水位值为 H4 时，26主排水泵房自动化控制方案说明表示水仓水位低于低限水位，水泵机组将不投入运行；水位值 H3，并且时间为电价谷段或者平段时间，一台水泵机组投入运行，如果为峰段时间， 则等待水位上涨到 H2 时再投入一台水泵机组运行。当一台机组处于运行状态时水位仍然上涨到 H1，则继续投入一台机组运行，如果水位仍然上涨，则陆续投入所有水泵。机组运行至水位下降到 H4 时，水泵机组限出运行。程序流程图如下图：7.37.3 系统配置系统配置6.2.1 系统软件配置主监控系统操作系统软件为 WindowsXP Professional，编程软件采用西门27主排水泵房自动化控制方案说明子公司的 STEP7 V5.3SP3，组态软件为功能强大的西门子公司的 WINCCV6.2SP3，数据库软件采用微软公司的 SQLserver2000WINCC 版。6.2.2 硬件配置及性能指标1 PLC 可编程控制器采用国际知名品牌德国西门子公司 S7-300 系列 PLC。供电AC85 264V50 HZ频率运算速度0.08Hs存储容量64 路开关量 I/00-128 点模拟量输入 0-64 点A/D 分辨率 13 位符号位A/D 通道转换时间 70mSA/D 运行误差0.5%2 投入式液位仪供电电压DC12-30V测量范围20-6000mm输出3 压力变送器供电电压测量范围输出DC24V0 5 Mpa4 20 mA4 20 mA4 温度变送器温度测量特性：温度测量量程范围：0150温度测量综合误差：2输出特性： 两线制 DC/420mA推荐工作电压：+24V5 电源系统为保证系统的可靠运行，特别是掉电情况下控制系统的可靠运行及每台水泵的出水电动闸阀可靠地关闭，采用了 UPS 系统个为控制系统的电源。在掉电的情况下由该电源提供控制系统的运行的电源及关闭电动闸阀的动力电源。28主排水泵房自动化控制方案说明八、上位机软件操作界面（参考）八、上位机软件操作界面（参考）29主排水泵房自动化控制方案说明30主排水泵房自动化控制方案说明31主排水泵房自动化控制方案说明32主排水泵房自动化控制方案说明33主排水泵房自动化控制方案说明34主排水泵房自动化控制方案说明35主排水泵房自动化控制方案说明九、传感器介绍九、传感器介绍9.1 LCZ-8039.1 LCZ-803 矿用隔爆兼本质安全型数字超声波流量计矿用隔爆兼本质安全型数字超声波流量计工作原理LCZ-803 矿用隔爆兼本质安全型数字超声波流量超声波流量计是利用超声波在流动液体中顺流向与逆流向传播时的速度差与流体流速成比例的原理 （速度差法）工作的。其工作原理示意图如下：图中 A、B 是互为发射、接收超声波信号的传感器，根据管道直径 D 确定A、B 的安装位置，传感器安装好后 A、B 间的距离 L 为定值。超声波在静止流体中的传播速度为 C，管道中流体流动速度为 V，超声波顺流向和逆流向的传播时间分别为 t1、t2，两者的差值 t=t2t1=2LV/C2，该信号由转换器检出，并据此计算出流体流速 V。管道中流体的流量 Q=SV=（ D2/4）V36主排水泵房自动化控制方案说明LCZ 型式（ “803” 矿用隔爆兼本质安全型）“L”-流量计， “C”-超声波， “Z”-数字式。2.4 仪表特点 独特的信号数字化处理技术和纠错技术，使仪表测量信号更稳定。 采用多脉冲低电压发射方式，功耗低、可靠性高。 智能化标准信号输出，人机界面友好、多种二次信号输出。 传感器有两种安装方式：传感器采用插入式安装时，必须用本公司专用工具安装，带压安装无滴漏，可将探头直接插入管壁。测量精度高、运行稳定可靠。真正实现安装不停产、运行免维护。传感器采用外夹式安装时，直接将探头安装在管外壁上，就可实现非接触式管外测流。安装不停产， 可非常方便的更换测流点。特别适用于腐蚀性较强的液体流量测量工作。防爆式仪表选用磁力感应式键盘操作，不
