郓城煤矿排水自动化系统技术方案初稿.docx
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郓城煤矿排水自动化系统技术方案初稿
郓城煤矿排水自动化系统
技术方案
龙矿集团郓城煤矿
2016年7月28日
1、工程现状
郓城煤矿井下设主排水泵房、扩容排水泵房，主排水泵房已安装7台MD420-96×10多扬程离心水泵，流量420m3/h，扬程935.1m，电机：
1800kW10kV（电机采用电抗器降压启动方式）；扩建排水泵房设计安装5台（目前已安装3台）MD420-96×11多扬程离心水泵，流量420m3/h，扬程983.3m，电机：
2000kW10kV（电机采用电抗器降压启动方式），扩建主排水泵采用底流泵注水方式，备用射流泵抽真空注水方式。
矿井主排水泵房7台水泵通过副井井筒内敷设的3条Φ325mm管路将井下水排至地面，扩建主排水泵房5台排水泵通过主井井筒内敷设的2条Φ325mm管路将井下水排至地面。
主排水泵房与扩建主排水泵房通过吸水井共用3个水仓，主排水泵房水泵采用底流泵注水方式启停，扩建主排水泵房水泵通过底流泵注水和射流泵组抽真空两种方式启停。
2、工程概况
矿井主排水泵房巷道变形严重，出水量较多，因此计划对主排水泵房进行扩刷、返修、灌注，届时将拆除主排水泵房内水泵主体及相关管路，为确保矿井排水系统正常运行，矿井排水自动化系统分两期实施。
本次排水自动化系统设计中一并完成12台水泵的集控方案设计，系统结构组成为三层结构，地面主、备工控机为远程自动控制层；现场集控台、PLC为就地集控操作层；各类传感器、电动阀门为设备层。
系统通过矿井工业EPON环网实现数据传输，实时监测矿井水仓水位、排水管网压力、出水总流量，水泵运行温度及电压、电流参数，实现对水泵、抽真空系统和电动阀门的自动监控，另外可根据生产需要在地面发出指令远程控制，可自动实现“避峰就谷”降低运行成本。
一期将实现矿井扩建主排水泵房5台水泵的手动、就地、远程、自动轮换和自动控制，系统结构组成为三层结构，地面主、备工控机为远程自动控制层；现场集控台、PLC为就地集控操作层；各类传感器、电动阀门为设备层。
系统通过矿井工业EPON环网实现数据传输，实时监测矿井水仓水位、排水管网压力、出水总流量，水泵运行温度及电压、电流参数，实现对水泵、抽真空系统和电动阀门的自动监控。
二期工程的主排水泵房7台主排水自动化集成安装待泵房返修结束具备条件后，由甲方通知乙方到场施工，在一期工程基础上实现矿井主排水泵的全面自动化控制。
3、设计原则
本技术方案在选择系统控制设备时，充分考虑了其先进性、可靠性、易操作性、可扩展性、高性价比及灵活性。
保证提供的是全新的、成熟的、技术先进且能使水泵控制系统安全可靠运行的完整设备。
3.1先进性
在选择各类控制设备时，充分考虑先进性，保证控制系统在投运三年内仍具有很强的系统扩展和升级功能。
采用先进的技术和设备，确保系统的功能、性能优质，运行可靠，在技术、管理方面居国内同行业最先进水平。
3.2可靠性
◇硬件控制系统：
系统中所选设备、线缆均须符合《煤矿安全规程》及矿用设备相关标准要求，选用国内外知名厂家、有良好的产品质量和完善的售后服务的产品，可保证系统长期、稳定运行。
◇软件程序方面：
软件采用结构化、模块化设计；
增加系统的各级保护功能，所有控制命令采用两级确认菜单，防止操作人员误操作；
加强故障检测报警及急处理功能；
全系统的自诊断，及时发现系统存在的隐患，提出处理方案，防患于未然；
联锁条件的判断处理；
具备Web发布功能；
增强上位监控机的易操作性。
3.3可扩展性
系统软件和硬件配置及系统结构具有前瞻性。
一方面，在考虑配置时，为二期工程的完善、提高留有充裕的扩展容量；
另一方面，系统必须具有灵活的网络结构。
将来系统的扩展在本期系统的基础上增加部分设备即可实现，无须变更本期系统的软件、硬件，不影响本期系统的运行。
3.4易操作性
人机界面设计充分考虑其方便、美观和实用，用户接口及界面设计充分考虑人体结构特征及视觉特征进行优化设计，界面美观大方，操作简单实用。
3.5高性价比
在进行系统结构设计和设备选型时多做比较分析，从而使得系统结构、设备选型、系统整体性能具有高性价比。
3.6设计依据及标准
（1）GB3836.1-2010爆炸性环境第1部分:
设备通用要求
（2）GB3836.2-2010爆炸性环境第2部分:
由隔爆外壳“d”保护的设备
（3）GB3836.4-2010爆炸性环境第4部分:
由本质安全型“i”保护的设备
（4）GB4942.2 低压电器外壳防护等级
（5）MT209煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求
（6）《煤矿安全规程》（现行版）
（7）《煤矿通信、检测、控制用电工产品通用技术条件》（MT209）；
（8）《设备可靠性试验》（GB5080.1～7）；
（9）《电气设备的抗干扰特性基本测量方法》（GB4859-84）；
（10）《信息化与自动化融合技术标准》
（11）Q/320412BSK001－2007《矿用阀门电动装置技术条件》
4、技术要求
4.1基本功能要求
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，并能实现泵阀的联锁启动，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。
（1）地面计算机统计出每天矿井的用电负荷情况，确定用电高峰、低谷时间，或者管理员设定谷峰时间，根据所监测的水位信号，设定出低水位、高水位和上限水位信号，综合判断水泵的开停。
（2）水位自动监控时根据水位的高低自动准确地发出开、停泵指令。
水位传感器选用高可靠性、高准确性的超声波液位计；当水位达到高位1值时，根据设定的避峰填谷用电时段进行监测和处理，具体是：
若处于用电低谷时，可以立即起动，若处于用电高峰，则暂缓起动。
当水位继续上升至高位2值时，则不论电网负荷如何（不考虑避峰填谷原则），必须起动水泵；若水位继续上升到高位3值时，则表明起动的水泵台数不足，必须起动备用水泵，以最大的排水能力来排除矿井涌水。
不论起动几台水泵，水位必须下降到低位时方可停泵。
（3）系统可自动或手动选择以实现备用泵的循环启动和停止。
（4）将本机工作方式转为“地面控制”时，各水泵由地面主机控制。
（5）当运行的水泵出现轴承超温、开关柜故障、流量不够时自动停止运行，并提示、报警。
4.2软件功能要求
（1）软件采用分层的模块化结构。
任何一层的任何一个模块的维护和更新以及新模块的增加都不影响其他模块的功能。
（2）软件有容错能力和防护性能。
（3）具有软件运行故障的监视功能。
（4）实现对现场集控设备电压、电流、温度、压力、流量、液位等信号的检测、传输及PLC分析控制，必要的故障报警和控制功能；完善、方便的人机通信控制功能；
（5）上位机可与矿井综合信息系统联网，上位机监控软件支持OPC数据交换功能。
（6）通过组态软件WEB网络发布功能，实现在地面多个办公终端、不同级别权限的查看与操作。
（7）预留通讯协议同时提供硬件接口设备。
4.3控制功能要求
该系统具备手动控制/自动控制/远程控制/检修控制等四种工作方式。
（1）手动控制：
手动控制由操作员通过操作就地/远控、启动/停止等按钮，并目视监测各种指示灯、就地仪表等实现。
（2）自动控制：
自动控制由PLC根据设定的逻辑程序控制相关设备的开、关实现，PLC连续监测相关的模拟量，当单台泵或多台泵处于检修控制方式时，系统可自动识别判断，跳过检修设备实现其它泵的自动轮换启动。
（3）远程控制：
远程控制由地面调度室操作员通过上位机程序实现水泵的远程启动/停止等操作，或由具备相应权限的管理人员通过专用WEB网址操作，实现水泵的远程启动/停止。
（4）检修控制模式下，可手动/远程启停单台设备、阀门，除检修控制外，其余三种方式均会在启动与停止过程中严格按照设定的逻辑流程工艺进行相关设备的电器与机械动作。
4.4水泵启、停逻辑要求
（1）开启主排水泵
第一步：
当水位满足主排水泵启动要求时，启动底流泵给主排水泵注水，延时5s后启动射流泵组，开始抽真空，当压力传感器显示负压后，关闭射流泵组电动阀门，启动主排水泵，当主排水泵出口压力达到9.8MPa时，开启主排水管电动闸阀（任意一路主排水管路，并实现排水管路轮换使用），主排水泵开始正常排水。
（2）关闭主排水泵
首先关闭主排水泵出水口电动阀，然后停止主排水泵，最后停止底流泵运行。
4.4数据处理功能要求
系统实施监测水泵各工况参数，包括水位、电流、压力、温度、真空度等。
在地面上位机上可实时显示各设备运行图。
并提供开放式的图形制作软件，用户可随心所欲描绘各种动态图形、静态图形，同时支持多种图形格式（Bmp、Jpg、Gif、Icon、Avi等等），图形画面具有链接功能，可以很方便地切换其它画面显示。
可显示实时曲线，可显示年、月、日各时间段的历史曲线和具体数据表。
水泵运行计量/时间/运行统计：
在地面控制站上应可分别对每台水泵的运行电耗、工作时间等进行统计，便于管理人员及时掌握每台水泵的工况。
4.5故障处理功能要求
电气保护：
取给电动机供电的高压开关柜的电气电流及相应的故障信号送入系统，判断电动机的工况；
超温保护：
电动机的定子和轴承设有温度传感器，系统接受其输出信号，当温度超出允许值时，使水泵停车；
流量、压力保护：
水泵起动后或正常运行中，如流量或压力达不到正常值，通过流量、压力保护装置使本台水泵停车，改为起动下台水泵。
实时报警/报警记录：
在现场控制台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。
4.6检测与保护
水泵自动控制系统的检测与保护主要分为两类：
模拟量数据和数字量数据。
4.6.1模拟量检测的数据主要有：
井下主变电所进线工作电流、水仓水位、电机工作电流、水泵轴温、电机轴温、电机温度、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力、排水管流量。
4.6.2井下工作电流检测：
在线实时监测井下电流情况，井下电流信号取自配电设备进线总开，电流信号为标准的0～5A电流信号。
4.6.3水仓水位检测：
选用矿用液位传感器，动态实时检测水仓水位。
将水位信号送至PLC控制机并由控制机送至地面监控主机，实现高水位起泵低水位停泵。
液位计供电电压24VDC，量程0～6m，两线制输出4～20mA模拟信号，具有现场LED数码显示。
液位开关量程0～6m，两线制输出无源节点信号。
4.6.4电机工作电流检测：
电动机的工作电流监测信号，由PLC控制系统从高压开关柜的综合保护器取信号，并参与水泵自动化控制，监测水泵和电机的运行情况。
4.6.5电机温度检测：
电机的绕组的测温元件个，用PT100进行检测。
4.6.6水泵吸水管真空度
供电电压24VDC，控制电压24vDC,量程-0.1～0MPa，两线制输出4～20mA模拟信号。
4.6.7水泵出水口压力
供电电压24VDC，控制电压24vDC,量程0～16MPa，四线制输出4～20mA模拟信号。
4.6.8排水管路流量检测：
选用矿用防爆流量计，动态实时检测主排水管路流量，将主排水管路流量信号送至PLC控制机并由控制机送至地面计算机，可实现低流量报警并停泵。
供电电压127VAC，四线制输出4～20mA模拟信号，具有现场LED数码显示，具有瞬时流量和累计流量显示，卡箍式安装，具有抗污染性。
4.6.9电动闸阀的工作状态与启闭位置
电压等级660V-AC，控制电压24V-DC,电动闸阀采用小功率多回路组合开关柜集中控制。
4.6.10电动球阀状态
工作电压24v-AC,控制电压24v-DC,由PLC控制柜集中控制和显示，同时能在集中操作台和井上调度室集中显示每台电动球阀的开关状态。
4.6.11液位开关状态
将液位开关状态信号送至PLC控制机并由控制机送至地面监控主机，实现超高水位起泵低水位停泵。
4.6其它功能
（1）自动轮换原则：
系统自动记录各台泵组的累计运行时间，并进行排序，下次启动时优先启动无故障、运行时间短的水泵投入使用，实现水泵的均匀磨损。
避免传统模式中工作泵使用频率高造成水泵磨损快、寿命短，而备用泵、检修泵由于长期的闲置造成无法使用。
（2）效率优先原则：
当执行多台泵组多趟排水管联合运行时，通过水泵特性曲线与管路特性曲线的比较，选择最佳匹配水泵与排水管数量，保证水泵在最佳效率点运行。
（3）可靠的早期预警系统：
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。
5、设备规范
排水自动化系统包括：
地面上位主机、传输设备、集控操作台、隔爆兼本安型PLC控制箱（内装S7-300系列的PLC）、网络摄像仪、接线盒和传感器等，系统框图如下所示：
5.1上位机部分
上位机为2台研华工控机，互为主备，软件选用组态软件，实现图形监控、动态图形显示、历史数据采集管理、状态趋势图、自诊断、报警等诸多功能；并提供多种数据接口（ODBC、OPC、DDE）实现数据的共享与传播。
为提高系统的性能，上位机与下位机系统通过以太网进行通讯。
提高系统的通讯速率及安全性，进而提高系统的实时性和稳定性。
5.2传输设备
传输设备主要由地面交换机，传输光缆和网络交换机组成，本次泵房集控系统的传输设备借用全矿井综合自动平台的环网交换机，不需要额外配置传输设备。
5.3现场集控设备要求
5.3.1集控操作台
集控操作台内置操作按钮，可以对每台水泵的进行一键开停的功能，内置本安型显示屏，可以显示水泵的运行画面、实时报警、实时曲线等数据。
5.3.2隔爆兼本安型水泵控制箱
隔爆兼本安型水泵控制箱为集控系统的主要设备，水泵的开停，各种模拟量的采集、各种设备的控制及逻辑处理都由此设备完成。
隔爆兼本安型水泵控制箱内置SIEMENSS7-300系列PLC，采用落地安装。
PLC分站控制柜使用660/127VAC电源，PLC的I/O模块采用24VDC电源，并自带变压、整流装置。
中间继电器型号由乙方按实际需要确定，用于PLC开关量输出的中间继电器线圈电压为24VDC，节点电压为127/36VAC，用于PLC开关量输入的中间继电器线圈电压为127/36VAC，节点电压为24VDC。
5.3.3水位传感器
超声波水位计选用集控超声波探头，具有反应速度高、测量精确等特点，从而对水泵的启停提供精确的信息。
5.3.4压力表
水泵的压力表分为负压表和正压表，分别测量水泵的负压和出水压力，压力表应具有就地显示功能和数据远程传输功能。
5.3.5管道液位传感器
矿用本安型管道液位传感器可适用于煤矿井下各种水泵、水检测，用于检测管道液体是否存在。
该传感器可根据管道内液位情况输出开关量号，有水时接点闭合，无水时接点断开，达到检测和监控液位的目的，该传感器装载真空管路上，当真空管路有水时，说明泵体已经充满水，抽真空过程成功，可以开启水泵。
5.3.6流量传感器
流量传感器实现对管道的流量进行监测，可以实现瞬时流量和累计流量的监测，信号输出应具备4-20mA和485两种模式。
5.3.7矿用隔爆型电动球阀
用于自动控制灌泵结构小巧，耐压高，直接螺纹连接动作灵活，有开向和关向限位对外提供一个开到位和一个关到位无源节点以及一组控制节点，供水压力范围0.2～2.0MPa，供水通径50mm，工作环境温度-5～+60℃。
5.3.8电缆及插接件
乙方提供柜内、PLC柜之间、各传感器与集控柜间的连接电缆及相应插接件。
电缆、电线连接器件应满足其相应使用环境的防护要求。
6、供货范围
设备清单及明细
排水自动化系统一期工程
一、集控设备
序号
设备名称
规格型号
单位
数量
1
监控主机
酷睿22.6GHz,500GB硬盘,4GB内存，22寸液晶显示器，键鼠
台
2
2
上位机组态软件
套
2
3
水泵系统集控软件
套
1
4
打印机
HP1108
台
1
5
交换机
8口
台
1
6
防爆网络摄像机
济南金丰源KBA12C2286F
套
5
7
矿用兼本质安全型稳压电源
济南金丰源KDW660/12B
套
5
8
矿用光端机
KTG2A
台
2
9
矿用本安电源
KDW15A
台
2
10
本安控制显示台
含按钮
套
2
11
矿用隔爆兼本安型液晶显示屏
套
2
12
水泵系统单机控制软件
套
1
13
矿用隔爆兼本安型PLC控制箱主站
含CPU、I/O模块、继电器等
台
1
14
矿用隔爆兼本安型PLC控制箱分站
含电源、I/O模块、继电器等
台
2
15
附件
网线、工具、插座、电缆标识牌等
套
1
二、现场设备
序号
设备名称
规格型号
单位
数量
1
矿用本安型超声波物位传感器
台
3
2
矿用本安型超声波流量计
台
2
3
矿用压力传感器
含矿用压力传感器嵌入式软件
台
5
4
矿用压力传感器
含矿用压力传感器嵌入式软件
台
5
5
矿用通信信号装置主机
含通信信号装置主机嵌入式软件
台
1
6
管道液位开关
含矿用液位传感器嵌入式软件
台
5
7
矿用防爆电动球阀
DN20
台
10
8
矿用防爆电动球阀
DN25
台
1
9
矿用防爆电动球阀
DN50
台
1
10
电流变送器
4-20MA输出
台
5
11
闸阀电动装置
DN250
台
15
12
闸阀控制箱
一控三
台
5
13
单模光缆
MGTSV-I-4B
米
300
14
控制电缆
MKVV8*0,75
米
500
15
控制电缆
MKVV16*0,75
米
800
16
电源电缆
MVV4*1.5
米
800
17
信号电缆
MHYV1*4（7/0.37）
米
1000
18
信号电缆
MHYV4*2（7/0,37）
米
500
19
矿用网线
MHYV4*2（1/0.97）
米
100
20
接线盒
JHH-2
台
10
21
接线盒
JHH-3
台
10
22
辅材
弯头、三通、手阀、管路等
套
1
排水自动化系统二期工程
一、集控设备
序号
设备名称
规格型号
单位
数量
1
水泵系统单机控制软件
套
1
2
矿用隔爆兼本安型PLC控制箱主站
含CPU、I/O模块、继电器等
台
1
3
矿用隔爆兼本安型PLC控制箱分站
含电源、I/O模块、继电器等
台
3
4
附件
网线、工具、插座、电缆标识牌等
套
1
二、现场设备
序号
设备名称
规格型号
单位
数量
1
矿用本安型超声波物位传感器
台
1
2
矿用本安型超声波流量计
台
3
3
矿用压力传感器
含矿用压力传感器嵌入式软件
台
7
4
矿用压力传感器
含矿用压力传感器嵌入式软件
台
7
5
矿用通信信号装置主机
含通信信号装置主机嵌入式软件
台
1
6
管道液位开关
含矿用管道液位传感器嵌入式软件
台
7
7
矿用防爆电动球阀
DN20
台
14
8
矿用防爆电动球阀
DN25
台
1
9
矿用防爆电动球阀
DN50
台
1
10
电流变送器
4-20MA输出
台
7
11
闸阀电动装置
DN300
台
28
12
闸阀控制箱
一控三
台
10
13
单模光缆
MGTSV-I-4B
米
350
14
控制电缆
MKVV16*0,75
米
1000
15
控制电缆
MKVV8*0,75
米
800
16
电源电缆
MVV4*1.5
米
500
17
信号电缆
MHYV1*4*7/0.37
米
1000
18
信号电缆
MHYV4*2（7/0,37）
米
500
19
矿用网线
MHYV4*2（1/0.97）
米
100
20
接线盒
JHH-2
台
10
21
接线盒
JHH-3
台
10
22
辅材
弯头、三通、手阀、管路等
套
1
7、其它要求
（1）中标厂家需要在合同签订后15日内按照合同清单进行供货，由于系统厂商不同招标列入的设备清单可能与中标厂家不符，中标厂家需要按照能够完全实现技术要求提供设备，不得在中标之后提出增置设备要求，中标一次包死如有增加设备厂家自行免费负责提供，否则按照违反合同要求处理。
（2）中标厂家需要对矿井主排水泵房、扩建主排水泵房日后接入的其他传感、控制设备做系统免费接入，不得以任何理由收取其他费用，地面中心站软件需满足今后接入矿井多个排水泵房远程控制，软件提供系统接口免费服务。
（3）中标厂家负责系统的安装调试工作，安装调试完成后提供全部技术资料，负责整理系统验收资料报矿方组织验收。
（4）系统安装调试完成后需提供不少于7天的技术交底培训工作，培训要有课件、有档案、有考试成绩。
（5）其他未尽事宜如有异议可以澄清函的方式要求矿方进行明确，如涉及合同执行可协商处理，如协商不成可按照程序提请法律仲裁解决。
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