排水泵配套集控系统设计方案文档格式.docx
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《企业供配电系统节能监测方法》GB/T16664-1996
《通用用电设备配电设计规X》GB50055-93
《矿山电力设计规X》GB50070-94
等……
2.2系统设计目标
项目建设的总方针是立足信息化大前提，保证系统的先进性、安全性、可靠性，安装、使用和维护方便简单，将****煤业XX主排水泵配套集控系统建设成为技术先进、稳定可靠、利用率高的煤矿排水监控系统，为矿井安全、高效、节能生产做好基础。
系统设计目标如下：
◆将PLC控制系统、计算机网络通信技术和排水控制系统结合，实现以“集中控制为主，远程监测为辅”的控制模式，保证系统技术方面的先进性。
◆保证自动排水系统运行的连续性和可靠性，系统连续可靠运转时间达到360天/年以上。
◆系统立足建设无人值守泵房的总目标，同时提高节能效率和管理水平，减少操作人员和工人的劳动强度，为今后矿井生产综合自动化打下良好基础。
◆实现地面对主排水系统设备的多点位信息传输和集中监测监控。
具有在线监测、分析及完善的保护和报警功能。
◆调度监测中心计算机可以对排水系统的运行管理、事故跟踪与处理、打印各种运转日志报表。
◆采用国际流行的组态软件，动态画面美观，修改灵活，数据保存时间长。
历史数据可以长期保存（3~5年）。
◆排水系统自身具备标准的以太网接口，提供标准TCP/IP协议数据。
系统采用B/S结构，运行的主要参数可以通过局-矿信息局域网络，在矿调度室浏览。
三、主排水泵集控系统结构
根据****煤业XX的综合自动化规划及水泵房自动排水系统规划，本控制系统采用1套现场监控主站，现场监控主站PLC采用西门子S7300系列。
现场监控主站对5台主排水泵、真空泵及配套7台电闸阀监测、显示、控制，并将其通过工业以太网传送至矿井调度室。
本次为****煤业XX设计的主排水泵集控系统硬件通讯部分依托光纤工业以太网，除能完成水泵的单机控制外，还可通过工业以太网传输接口模块与设置在中央变电所的网络交换机连接，由井上调度中心监控所有排水泵等被控设备。
监控系统上位控制主机使用网络平台将主排水系统及配套设备的状态信息和实时数据传送给调度室监控主机。
调度监控主机使用组态软件实时动态显示主排水系统及配套设备运行状态和详细参数。
PLC通过通讯接口和通讯协议，与触摸屏进行全双工通讯，将水泵机组的工作状态与运行参数传至触摸屏，完成各数据的动态显示；
同时，操作人员也可利用监控主机或就地显示控制箱将操作指令传至PLC，控制水泵运行。
PLC同时将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统分站传至地面生产调度监控中心主机，与全矿井安全生产监控系统联网，管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态，又可根据自动化控制信息，实现井下主排水系统的遥测、遥控，并为矿领导提供生产决策信息。
就地显示控制箱与监测监控主机均可动态显示主排水系统运行的模拟图、运行参数图表，记录系统运行和故障数据，并显示故障点以提醒操作人员注意。
系统网络通信结构如下：
****煤业XX用主排水配套集控系统网络通信结构
自动排水控制系统结构
排水系统组成
四、配电系统设计
根据矿上实际情况及要求：
五台水泵，实现二拖五的软启方法，我公司为此设计如下：
一拖二加一拖三软启组成五台水泵供电系统。
4.1、一拖二系统
主路设备：
高压电磁起动器4台（1~6），软起动装置一台（内置真空接触器CJ1）。
如下图所示：
其中1、2号起动器带有保护功能，当对应电机软起动过程结束后，相应起动器闭合，对应电机处于正常工作状态；
4、5号开关由软起动装置提供AC220V控制电压，在软起动相应电机时闭合，软起动过程结束后分断，并且不具有保护功能，软起动过程中的保护功能由软起动装置本身提供。
各开关与软起动装置容量的选择根据所带电机负载及工作制来确定。
4.2、一拖三系统
6KV高压电磁起动器6台（1~6），6KV软起动器一台（内置真空接触器CJ1）。
其中1、2、3号起动器带有保护功能，当对应电机软起动过程结束后，相应起动器闭合，对应电机处于正常工作状态；
4、5、6号开关由软起动装置提供AC220V控制电压，在软起动相应电机时闭合，软起动过程结束后分断，并且不具有保护功能，软起动过程中的保护功能由软起动装置本身提供。
4.3、工作方式
包括：
远控、近控；
分别起动、顺序起动；
软起动、硬起动
4.4、软起动流程：
以A电机软起动过程为例，当符合相应起动条件时（如按下远、近控起动按钮）→PLC输出控制软起动器内置真空接触器CJ1（以下简称CJ1）吸合→开关4吸合→对软起动装置发送软起动信号→A电机软起动过程开始→软起动装置旁路继电器动作→PLC输出控制开关1吸合→对软起动器发送停止信号→复位CJ1和开关4→3秒等待时间（软起动在停车3秒内不响应起动命令）→下一回路软起动等待时间→下一回路软起动重复上述过程。
4.5、软起动装置主要组成部分：
软起动器机芯（采用以色列SOLCON高压软起动本体），西门子PLC（S7-200CPU226），组态工控机（NTOUCH彩屏全中文显示），真空接触器，控制回路变压器。
操作按钮：
软起动装置6个参数按整定钮，工控机操作6个按钮，急停按钮，软、硬起动转换开关，远控近控钮子开关（腔体内），分别、顺序起动转换开关。
4.6QJGR—250/6型隔爆中压软起动器
1．控制特性
QJGR中压软起动器能降低电机的起动电流，提供平滑、无极的电机加速和减速，从而极大的减少了电机起动时造成的电流冲击和机械冲击，其采取电流闭环控制，自动检测电机电流，可根据现场要求，预制不同的起动参数，实现最优化的起动。
QJGR中压软起动器的电压斜坡控制、电流斜坡控制（限流起动）、初始电压控制、脉冲起动、起动控制曲线（泵控曲线）、双调节起动特性描述如下：
软起动器能降低电机的起动电流，提供平滑、无极的电机加速和减速，从而极大的减少了电机起动和停止时造成的电流冲击和机械冲击，其采取电流闭环控制，自动检测电机电流，可根据现场要求，预制不同的起动参数，实现最优化的起动。
软起动器的电压斜坡控制、电流斜坡控制（限流起动）、初始电压控制、脉冲起动、起动控制曲线（泵控曲线）、双调节起动特性描述如下：
a）
软起动器具有电压斜坡控制，能使电机电压慢斜坡升至全压。
下图2为电压斜坡控制曲线。
图2：
电压斜坡曲线
b）软起动器起动电流限制决定电动机起动期间的最大电流。
调整X围为100-400%Ie（可以扩展为100-700%Ie）。
下图3为电流限制起动曲线。
图3：
电流斜坡（电流限制）起动曲线
c）初始电压决定电动机的初始起动转矩（转矩与电压的平方成正比）。
调整X围为10-50%Un（可以扩展为5-85%Un）。
提供足够大的初始电压，就能提供足够大的起动转距，保证风机的正常起动。
d）提供多条起动、制动曲线（泵控曲线）供选择
软起动器非常适用于水泵、风机、压缩机等泵类负载的起动和停止，提供4条泵控起动（制动）曲线（见图4和图5中曲线0、1、2＆3）和1条转距控制曲线（见图4和图5中曲线Torque）供选择。
曲线0:
标准曲线（缺省），为最稳定、最合适的电动机起动、停止曲线。
曲线1、2、3:
在加速期间，在达到峰值扭矩之前，控制程序将自动控制电压斜坡上升或降低，降低峰值扭矩。
曲线Torqre:
转矩控制曲线
图4：
起动曲线
e）软起动器具有双调节功能，即能存储2套起动参数，可在外部控制该参数的调用。
图5：
双调节
f）具备脉冲起动（突跳起动）功能，可用于起动高磨擦，短时要求较高起动转矩的负载。
脉冲初始电流设置为70-700%Ie，脉冲起动时间设置为0-10秒。
由于脉冲初始值采用电流设置，将能比设置电压（如90％Un）获得更大的起动转距，而且精度更高了。
2．电压采样
使用电子式电压互感器（EPT）进行6KV电压测量，该技术通过光纤来完成传输和隔离，提高系统安全性和可靠性，保证电压测量值的精度，保证电信号转换和数据传输的准确与快速。
由于测量到的电压信号参与到软起动器内部控制，该电压信号的精度及数据传输速度及可靠性对软起动器的控制起到非常非常重要的作用。
那些采用传统的分压电阻或电压互感器（PT）采样方式，将无法做到高、低压完全隔离，如果分压电阻出现问题或PT二次短路，可能导致高电压侵入低压控制系统，严重危及人员和设备安全，而且其采样值的精度、传输速度均不及EPT。
图6：
EPT电压采样
3．低压电机测试功能
为避免调试高压电机过程中一些人为的误操作引起意外事故，
软起动器具备低电压机进行预调试功能。
该调试功能使用一个低压电来进行软起动所有功能的模拟测试，测试时无须专用测试工具和设备；
由于产品设计合理，测试和维护方法简单易学，用户经过简单培训后，就可以掌握测试及部件更换维修的方法，这给用户以后的维护和检修工作带来很大方便；
产品超过保修期后，在没有特殊情况时，不需要厂家到现场服务，大大减少了用户的维修使用成本。
4．光纤集中控制
软起动装置内部控制信号采用光纤通讯，而且是采取光纤集中控制方式，控制单元只需要一根光纤就能控制每相功能单元。
相比那些需要用多根光纤控制的软起动器，可靠性大为提高，而且大大提高了系统抗电磁干扰能力。
5．模块化设计
软起动器为模块化设计，功率单元能方便的从安装板上移出，进行检修或更换，平均无障碍时间MTBF大于75000小时，平均修复时间MTTR小于4小时。
软起动器功率元件为固态晶闸管，功率损耗极小，当电动机起动完成后切换到旁路运行，功率元件退出。
6．人机界面
操作显示面板为LCD显示包括中文、英文等4种语言可供选择，能显示软起动器运作状态、运作参数（包括电流、电压）、故障报警等，可进行起、停、保护等参数的设定。
面板上还有8个LED指示灯，分别显示软起动器的控制电源状态、起动状态、运行状态、软停状态、停止状态、测试状态、双调节状态和故障状态，同时可以储存故障信息。
图7：
软起动器操作面板
7．软起动器内的数据存储器能保持设置的参数、操作状态等，即使掉也不失去。
8．软起动器配置主路接触器，选择高压真空接触器，该真空接触器的容量满足起动的要求。
9．软起动器具备击穿电压、瞬间过电压，对地及相间工频25KV/1min，雷电冲击60KV，TVS瞬时过电压吸收保护。
10．软起动器上设置有本地/远程转换开关，可实现本地和远程控制功能切换。
11．软起动器控制回路能接入多路开关量输入点：
起动、停止和急停控制，复位及联锁停机信号等。
软起动器还能输出多路开关量：
运行信号、故障信号、旁路位置信号等，能将跳闸信号输出进线断路器跳闸。
所有开关量输入、输出信号都经过端子外引，输入输出接口见下表2。
表2：
软起动器输入，输出端子接口表
序
号
TB2
端子
标号
型式
功能
说明
备注
1
5-6
EXTERNAL
EMERGENCYSTOP
输入
软起动器紧急
停车输入
常闭点，220VAC/5A
从DCS或操作台来
2
14-
15-16
REMOTECONTROL
CONTACT
软起动器起停控制
常开保持点（或常开加常闭脉动点），220VAC/5A
EXTERNALMOTOR
PROTECTIONTRIP
外部保护信号输入
从外部保护装置来
IMMEDIATERELAY
AUXILIARYCONTACT
输出
软起动器运作状态输出
常开（或常闭）点，220VAC/5A
送至监控装置
FAULTRELAY
软起动器故障状态输出
DOORSWITCH
软起动器门限位开关状态输出
REMOTERELAT
软起动器本地/远程状态输出
LINECONTACTOR
（RC1）AUXILIARYCONTACT
软起动器网侧接触器状态输出
BY-PASSCONTACTOR
（C2）AUXILIARYCONTACT
软起动器旁路接触器状态输出
注：
该表仅供参考，实际接线以正式图纸为准。
12．本设备具备多种电动机起动保护，包括：
过流/欠流、欠压/过压、缺相、反相、不平衡电波、接地、晶闸管短路、软起动器超温、电机过载、电机堵转、起动次数过多、起动超时等保护项目。
软起动器详细保护如下表所示：
表3：
软起动器保护功能说明表
名称/说明
调整X围
启用保护
起动时
停车时
起动次数太多：
在一个较短的时间内，防止过多起动
-1小时允许起动次数：
1-10（可调）
-起动周次：
1-60分钟（可调）
-禁止起动时间：
1-60分钟（可调）（起动太多次数后）
＋
－
起动时间太长：
为防止停滞情况，如果电流在设定时间内没有降低到调整值以下。
将关闭起动器
-调整时间：
1-90秒（可调）
过电流保护：
当电流超过850%IFLA时，在不到一个循环时间内（0。
01秒），将脱扣起动器。
（“中间继电器”置为为“安全销”）如果电流在设定延迟时间内超出设置水平，将制动电动机（没有脱扣）
-脱扣电流200-850%电动机FLA（850%电动机FLA起动期内）：
-安全销延迟0。
5-5秒（可挑）（850%电动机FLA时没有延迟）
电动机过载：
当运行指示灯亮时，反时限电子过载，O/L电路包括一个温度存储存器，可以计算热量与电动机耗散之差。
当寄存器满时起动器脱扣。
在电动机停止15分钟后温度寄存器复位。
-电动机FLA在75-150%之间（可调），
工厂设置为115%-500%FLA时的脱扣时间可调整为1-10秒可以选择脱扣曲线
欠流：
如果电流在所选延迟时间后低于U/C脱扣水平，将脱扣起动器。
电流不足时，在预定时间周期后，可以预设自动重新起动，以重新检查电流不足状态。
应用：
水泵空转、传送带或齿轮损坏、风机空气入口关闭
-脱扣电流20-90%IFLA（可调）
-脱扣延迟2-40秒（可调）
欠压/失电压：
如果电压在所选延迟时间后低于U/V脱扣水平，将脱扣起动器。
使用可编程自动预设。
-脱扣电平：
60到-90%UN（可调）
-脱扣延迟：
1-10秒（可调）
电压降为0时，起动器将立即脱扣。
过电压:
如果电压在所选延迟时间后升高到O/V脱扣水平以上，将脱扣起动器。
110-125%（可调）
断相：
当一个或俩个断路超过1秒时，将脱扣起动器。
使用可编程自动预设
错误连接/SCR击穿：
如果发生以下情况，起动器跳闸
-电动机没有正确连接到起动器负载端子上
-发现电动机线圈内部断线
-一个或多个SCR击穿
-光纤导线插入不正确
外部故障1&
2:
俩个NO触点的输入当任何一个触点闭合时，起动器都将在2秒钟后跳闸
电流不平衡:
起动信号发出后，如果电流不平衡超过预设”UNBALANCETRIP”值以上”UNBALANCEDLY”，将脱扣起动器。
X围:
10到100%延迟:
1-60秒（可调）
接地故障电流:
起动信号发出后，如果接地电流超过预设
“GNDFAULTTRIP”值以上
“GNDFAULTDLY”将脱扣起动器。
10到100%。
延迟:
电源接通但不起动:
检查电源电压连接，如果电源连接到HRVS-DN上超过30秒，没有起动信号，将脱扣网侧接触器断开，并发故障信号。
旁路打开:
如果旁路接触器在”起动结束”后没有闭合，将向故障继电器发出关闭网侧接触器信号。
（断开网侧接触器）
注:
+表示投入，-表示退出
13.软起动器具有RS485通讯接口，通讯协议为MODBUSRTU。
能在后台实现电机参数设置，数据读取和复位操作。
14.软起动器结构
a）软起动器为一体化设计，用户只需要接入输入，输出高压电力电缆和控制电缆，便可投入运行。
所有设备在出厂前都运行整体设计，并出具测试报告。
b）二次回路控制用铜芯导线全部使用线鼻子连接，线鼻子均镀锡，其接线端子都有明显线号标记，线号与二次接线图一致。
c）壳体进线方式为电缆侧出，采取高压电力电缆连接。
d）软起动装置能保证安全地进行:
正常运行、检查和维护，引出电缆的接地，引出电缆或其他设备的绝缘实验，安装后的相序校核。
五、集控系统
5.1系统实施
5.1.1系统监测信号
模拟量检测的数据主要有：
水仓水位、电机工作电流、电机工作电压、水泵轴温、电机温度、2趟排水管流量；
数字量检测的数据主要有：
水泵高压启动柜真空断路器状态、电动阀的工作状态与开关位置、真空泵工作状态、电磁阀状态、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力、系统集控/就地/检修/工作模式。
数据自动采集主要由PLC实现，PLC模拟量输入模块通过传感器连续检测水仓水位，将水位变化信号进行转换处理，计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，控制排水泵的启停。
电机电流、水泵轴温、电机温度、排水管流量等传感器与变送器，主要用于监测水泵、电机的运行状况，超限报警，以避免水泵和电机损坏。
5.1.2系统控制的信号
系统可以控制主电机的开停，真空泵开停，并控制电动闸阀的打开与闭合。
PLC的数字量输入模块将各种开关量信号采集到PLC中作为逻辑处理的条件和依据，控制排水泵的启停。
同时检测井下供电电流值，计算用电负荷率，根据矿井涌水量和用电负荷，控制在用电低峰和一天中电价最低时开启水泵，用电高峰和电价高时停止水泵运行，以达到避峰填谷及节能的目的。
5.1.3现场实施
控制系统中有7个电动闸阀和真空泵的配电控制回路；
各台数排水泵及所对应的3台电动闸阀的配电控制回路应相互独立。
变电所内的低压开关，为7台电动闸阀以及真空泵配电、在每台主水泵前放置1台控制箱，控制对应的主水泵以及配套的3台电动闸阀的运行；
在真空泵附近放置1台控制箱，控制真空泵的运行。
系统控制柜采用本安型，实现对水泵的自动控制，就地设本安紧停按钮（非自复位）。
在水仓分别设水位传感器，以监测水仓水位。
系统预留水窝排水泵控制和监测接口，可以实现手动排水或PLC实现水窝的自动排水。
5.2系统功能
系统建成后可以实现自动采集、现实水泵的各种运行参数；
根据水仓水位、生产工作制及负荷情况控制水泵自动工作。
根据监测到的信号判断水泵的工作情况，故障时能及时发出报警信号，并根据工作类型停泵；
可自动、手动控制水泵的启停及电动闸阀的开、关及开度。
在矿井地面调度监控中心可完成对水泵控制的各种操作。
系统能与矿井综合调度系统无缝连接，实现数据的共享。
系统设自动、手动操作控制方式，在自动控制中可实现无人值守全自动运行或在上位机上通过鼠标键盘完成操作，在手动控制中可实现自动控制故障或退出集控时在机房操作箱上操作。
具体表现以下几个方面：
1、自动控制功能
系统根据工况设定，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起动，对运行中的各种参数进行实时控制，通过接口向上传送数据。
1）地面计算机统计每天矿井的用电负荷情况，确定用电高峰、低谷时间，并将参数传给本系统控制主机机；
或在本机上根据统计出的时间进行设定。
2）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。
3）每台水泵设置运行、备用和检
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