水泵系统方案常州自动化所.docx
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水泵系统方案常州自动化所
井下中央水泵房
自动控制系统
设
计
方
案
天地（常州）自动化股份有限公司
煤炭科学研究总院常州自动化研究院
1、序言
高产、优质、安全、节能、省力，减少岗位人员，最终达到降低成本，提高劳动生产率以获取最大利润是今后煤炭企业在竞争中生存的基础，煤矿要发展、要生存，必须走安全、高产、高效、实现矿井自动化之路，通过自动化建设实现减员增效、降低成本，提高劳动生产率，而井下排水自动控制系统是煤矿自动化的一个重要组成部分。
实现井下排水系统的自动化控制：
第一可依据水仓水位起停水泵，提高水泵有效利用率，降低成本。
第二可减少看护人员，相应减少工资投入，并可充实设备维护检修队伍，提高维护质量，减少事故发生，变发生事故后的被动检修为主动的定期检修，提高设备的使用率。
第三可以保证煤矿的安全生产，改善工作环境，提高劳动生产率。
第四可有效的保护水泵电机等设备，延长使用寿命，减少事故停机时间，提高排水能力。
随着计算机控制技术及以微处理器为核心的可编程序控制器的普遍应用，结合矿井排水系统的特点，在确保先进性与可靠性的基础上，采用矿用本质安全型工业控制计算机庞大的软硬件资源，通过各种先进可靠的传感器、保护装置、电动闸阀、电动球阀等设备组成矿井主排水自动控制系统。
该自动控制系统达到准确及时的掌握各种设备的工作状态、减少排水系统操作人员工作量，降低劳动强度，结合水仓水位变化充分提高煤矿井下主排水系统效率，使水泵排水系统能够安全可靠、节能高效、经济合理的优化运行。
对于进一步实现全矿井生产系统得自动化、科学化、网络化管理具有十分重要的意义。
矿井下的涌水由井下各个岩层渗出水组成，涌水沿各巷道排水沟流入水仓积存。
井下中央水泵房排水系统是煤炭矿井的关键系统之一。
本方案从实际出发，在井下水仓配备一套适合于煤矿井下环境的自动控制系统（简称系统），以实现排水自动化控制。
2、水泵控制系统概述
2.1技术参数表
参数名称
参数值
单位
备注
水仓数量
2
个
水仓深度
未知
米
射流泵数量
5
台
真空泵电机数量
无
台
真空泵电机功率
无
千瓦
真空泵电机电压
无
伏
主排水泵电机数量
5
台
主排水泵电机功率
1980
千瓦
主排水泵电机电压
10000
伏
单台电机控制开停的接点数量
1
个
主排水泵扬程
917
米
主排水泵上水方式
5台射流泵抽真空上水
射流泵
入水管路管径
DN40
毫米
真空管路管径
DN40
毫米
真空泵
真空管路管径
无
毫米
出水管路管径
无
毫米
注水管路管径
无
毫米
主排水泵
上水管路管径
未知
毫米
排水管路管径
未知
毫米
管路连接图
无
系统排水方式
集中式
其他
系统防爆
2.2水泵基本参数
水泵：
流量453m3/h扬程917m五台，正常时二台工作，二台备用，一台检修，最大涌水量时，三台同时工作。
电机：
YB710－41980kW10kV五台（电机采用直接起动方式）。
真空射流泵五台，每台真空射流泵对应一台排水泵。
3趟排水管路，两个水仓，排水泵出口设电动闸阀。
1.2环境温度：
10~40℃相对湿度95%。
主排水管网图（仅供参考）
2.3技术要求
2.3.1控制要求
要求具有遥控/本地自动控制／本地手动控制/就地手动控制四种工作方式。
自动启泵过程：
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。
水位传感器应选用高可靠性、高准确性的超声波液位计；当水位达到高位1值时，可以立即起动。
当水位继续上升至高位2值时，则不论电网负荷如何，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。
当水泵起动台数≥3时，系统报警。
自动停泵过程：
当水仓水位低到低位限值时，程序自动发出停机指令，首先关闭出口电动闸阀，防止水锤冲击水泵，电动闸阀关闭到位后自动停止水泵电动机，此时电动闸阀全闭，为下次开泵作准备。
平时由值班人员手动完成水泵的运行、备用、检修选择，选择自动后由程序自动完成起动、停止控制，在系统故障时可由值班人员在就地控制箱上实现水泵的起停控制。
工作泵的选择及备用泵的切换：
根据水仓水位信号，开、停预选水泵，并能自动轮换开、停水泵，以防止备用泵长期不用而使电机受潮或有其它故障而未及时发现，做到有故障早发现、早处理。
当工作水泵故障时，系统可以自动切换到备用水泵，保障矿井的安全；同时切除的水泵可以进行检修，不影响其余水泵的运行。
2.3.2保护功能
1，电气保护：
给电动机供电的高防开关具备电源过电压、欠电压、失压、过电流、漏电、过负荷速断等完备的电气保护功能由甲方在供电系统中提供。
同时将电流、功率、电压信号及相应的故障信号送入系统，由系统计算、判断电动机的工况；
2，超温保护：
电动机的三相定子和两端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，应使水泵停车；
3，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。
2.3.3数据采集及显示功能
完成对各单机控制系统的所有参数的采集，在集控箱可显示：
电机电流及电压、水仓水位信号、出水管压力和流量、电机及轴承温度、水泵正常运行信号、接地故障、电机定子及轴承超温等各种报警信号（声光显示），并对相关事件记录。
2.3.4通讯功能
系统提供以太网（RJ45）接口，提供标准的RS485电平接口。
2.3.5设备要求
控制箱（台）的设计和制造除满足有关规程和技术标准外还应防爆
通信、信号和控制用的电缆应采用铠装阻燃电缆或矿用阻燃塑料电缆，必要时应选用阻燃屏蔽型电缆。
排水管路的流量应选用隔爆型超声波流量计；
真空度控制器应选用本安产品；
压力变送器应选用精度高、稳定性好的隔爆型或本安型变送器；
防爆电动球阀应选用通径为DN40、PN40，双向密封、法兰连接的防爆动球阀；
电动闸阀、电动球阀应选用具有煤矿安全标志认证的产品。
3、方案设计
3.1设计原则及技术标准
电气设备的设计和制造符合以下标准：
（1） IEC标准（国际电工委员会）
（2） ISO标准（国际标准化组织）。
（3） GB3836.1-2000爆炸性气体环境用电气设备 第1部分：
通用要求
（4） GB3836.2-2000爆炸性气体环境用电气设备 第1部分：
隔爆型“d”
（5） GB3836.4-2000爆炸性气体环境用电气设备 第1部分：
本质安全型“ｉ”
（6） GB4942.2 低压电器外壳防护等级
（7） MT209煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求
（8）《煤矿安全规程》（2006版）
3.2系统组成
3.2.1地面上位机部分
上位机部分由：
两台西门子SIMATICRackPC847B工控机及WinCC组态软件组成，用以实现水泵控制系统的地面监控与数据上传功能。
该上位机通过目前已经具有的矿井网络系统将信息上传至全矿井综合自动化平台，全矿井综合自动化平台对相关信息数据进行整合分析后在WEB网页上发布，使管理人员能够及时掌握系统安全运行状况。
3.2.2中央泵房监控站部分
水泵房现场监控站由：
一台KJD30矿用本安型工业控制计算机、多台KDK8矿用多功能控制驱动器（依据水泵数量及被控设备数量而定）、多台KCC2智能I/O接口、KDW16A电源箱及各种总线式传感器组成。
监控站除实现单台/多台水泵的手动/自动控制功能外，同时具备完善的水位、压力、流量、温度等的监测保护和声光报警功能。
现场监控分站具备本安型以太网接口和国际标准的OPC软件接口，可就近接入井下环网交换机，无需任何设置非常方便的将信息上传至地面上位机。
3.2.3传感器部分
系统传感器有：
多台矿用本安型水位传感器（依据客户要求或水仓数量定）、多台超声流量传感器（依据客户要求或出水管道数量定）、多台真空压力传感器（依据客户要求或水泵数量定）、多台压力传感器（依据客户要求或水泵数量定）。
3.2.4系统结构
上位机系统安装于地面集控室，向上通过环网及WinCC组态软件自带的OPCServer软件接口向综合自动化平台提供实时数据，向下通过环网及OPCClient与井下本安监控站进行实时通讯。
井下KJD30本安型监控站安装在泵房控制室内，完成控制现场各传感器信息的采集与处理，通过高性能控制软件设定的自动控制流程实现自动控制功能。
多台KDK8多功能控制驱动器串接在一根总线上与KJD30本安监控站通讯，KDK8多功能控制驱动器具有手动/自动功能，手动方式下通过其自身的转换开关实现单台水泵的起/停控制，每台KDK8可实现单台水泵的手动控制（需要依据现场实际被控设备而定，也可能一台水泵需要多台KDK8），自动方式下接收KJD30本安监控站下发的控制命令实现多台水泵的自动控制。
现场的各种返回信号（高爆开关、电动闸阀等返回点）接入KDK8的开入口转换为总线信号送给KJD30本安监控站。
KCC2本安型智能接口也挂接在总线上，它将现场的各种模拟量信号或开关量信号转换为总线信号送给KJD30本安监控站。
3.3系统功能
3.3.1控制功能
根据水仓水位自动开启、停止水泵的运转，对运行中的各种状态参数进行实时监控，同时通过接口将数据上传至地面服务器。
1）根据所监测的水位信号，可设定出低水位、高水位和上限水位信号及危险水位。
低水位时停泵；高水位时水泵一台运行；上限水位时两台水泵同时运行；危险水位时起动三台水泵同时运行。
2）每台水泵可设置“运行”、“备用”、“检修”三种工作方式，该方式可直接通过触摸屏进行设定。
A、水泵系统采用射流泵抽真空上水方式启动：
起泵工作流程：
水位高射流入阀开与真空阀启动水泵电机关闭射流发与真空阀打开水泵出水阀
当水位达到高位将自动打开射流泵入水管路电磁阀。
同时打开射流泵真空管路电磁阀，当射流泵入水管路的水进入射流泵后将变成高压水经射流泵出水管路流出，此高压水会将射流泵真空管路里的空气带走，射流泵真空管路是与水泵及水泵上水管路相通，所以经过一定时间后水泵上水管路及水泵内就形成了相对的真空，此时真空电接点压力表动作输出接点信号。
系统接收到真空压力表的信号后将自动启动水泵电机，同时关闭射流泵真空管路及射流泵入水管路电磁阀，电磁阀关闭后打开水泵出水管路电动闸阀进行排水。
1若电动闸阀打开后一定时间内水泵压力未达到设定值（一般是因为水泵或上水管路漏气导致）系统将会自动停止水泵运行并关闭电动闸阀同时报警。
B、水泵系统停止运行：
当水仓水位达到低位时将先自动关闭排水管路电动闸阀，电动闸阀关闭到位后（若一定时间内未关到位则按故障方式停止）停止水泵电机。
C、系统设置低限水位、高限水位、上限水位和危险水位四种水位线。
当水位达到高限水位时，系统自动启动“运行泵”；达到上限水位时，系统自动启动下一个“运行泵”；达到危险水位时起动“备用泵”。
水位低于上限水位时自动停止“备用泵”；低于高限水位时停止一个“运行泵”；当达到低位时自动停止另一个“运行泵”。
3）根据实际需要也可切换到手动控制方式。
此方式下操作人员可通过手动控制按扭人工手动控制各台水泵电机的起停及各电动闸阀开关。
4）当出现水位超限、开关故障、压力下降、流量下降等故障时系统将自动停止运行，并提示、报警。
3.3.2显示及数据记录功能
（1）动态显示：
实时动态模拟显示系统的整体运行状态，如水仓水位、水泵流量、水泵压力、电流及电动机、电动闸阀等的各种工作状态。
（2）实时报警：
可实时显示系统的故障信息，并发出报警。
（3）曲线显示：
系统具有水位、流量、电流、压力等模拟量的实时及历史曲线显示。
（4）数据历史记录：
可将系统的各种参数状态、故障及开停时间统计等信息记录到历史数据库中。
3.4系统技术性能及特点
（1）先进性：
系统为当今工业控制系统的领先产品，地面控制主站采用计算机进行优化控制，控制分站为国内领先的本质安全型控制器。
系统可对整个控制过程进行集中监控，能实时采集和显示现场各生产环节设备的运行状态，具备数据处理及与全矿井综合控制系统联网功能。
（2）可靠性：
总线具有自诊断功能和故障处理能力，保证系统的可靠运行。
系统软件接口均采用国际标准OPC接口，稳定性高连接方便。
（3）可扩展性：
系统的软硬件留有充足的扩展余量，以保证将来的技术和产品升级。
（4）易操作性：
用户无须进行任何编程，只需按照系统提示进行相应的端口配置即可。
（5）总线各设备采用接插电缆连接，易于安装和拆卸。
（6）监控站具有12寸大液晶屏，图形动画显示，具有各种曲线图表及数据/故障记录，方便用户查询。
（7）选择的计算机和系统软件留有备用容量和以太网接口，可以方便地实现系统扩展（如增加其他保护装置等）和接入全矿井综合自动化平台。
3.5系统主要设备的技术参数
3.5.1KJD30矿用本安型工业控制计算机
KJD30矿用本安型工业控制计算机是矿用本质安全型设备，适用于有瓦斯、煤尘爆炸危险的环境,作为各种设备的自动控制装置，它具有逻辑控制、视频图像显示及远距离数据传输等功能，可以适应各种控制对象，满足不同复杂程度的控制要求。
3.5.1.1结构特征
KJD30矿用本安型工业控制计算机外形及电气结构如下图所示
1-提手2-键盘按钮3-送话器4-视频出线嘴5-急停按钮6-LCD液晶屏7-RS485C航空插座8-RS485B航空插座9-RS485A航空插座10-电话按钮11-3C总线A12-鼠标按钮13-3C总线B14-电源插座15-RS232插座16-RS485D插座17-以太网插座18-喇叭
KJD30矿用本安型工业控制计算机外形结构图
3.5.1.2技术参数
（1）防爆型式：
矿用本质安全型，标志为“ExibⅠ”。
（2）使用环境
环境温度：
0℃～40℃；
空气相对湿度：
不大于95%（+25℃）；
大气压力：
80kPa～106kPa；
无显著振动和冲击的场合；
煤矿井下有瓦斯煤尘爆炸危险、周围无腐蚀性气体的环境。
（3）工作方式：
连续工作。
（4）外形尺寸及重量
a）KJD30J：
外形尺寸（宽×高×深）:
524mm×479mm×202mm。
重量：
21kg
b）KJD30Z：
外形尺寸（宽×高×深）:
524mm×489mm×302mm。
重量：
30kg
（5）主要技术指标：
操作系统：
WINCE.net；
CPU：
三星处理器S3C2410A，采用ARM920T内核；
主频：
200MHz；
SDRAM：
64Mbyte；
闪存：
64MByte的NANDFLASH及256Kbyte的NOMFLASH；
SD卡存储器：
支持现有的SD卡。
（6）供电电源
a）KJD30J由二组直流本安电源供电
A组DC15V，本机工作电流不大于800mA；
B组DC15V，本机工作电流不大于500mA。
b）KJD30Z由A、B、C、D共四组直流本安电源供电：
A组DC15V，本机工作电流不大于800mA；
B组DC15V，本机工作电流不大于500mA；
C组DC24V，本机工作电流不大于100mA；
D组DC18V，本机工作电流不大于80mA。
（7）接口类型和数量
a）KJD30J：
1个以太网口；
1个RS485口；
1个CAN总线口；
b）KJD30Z：
1个以太网口；
4个RS485口；
2个CAN总线口；
1个扩音电话口。
（8）信道
a）以太网通讯介质采用双绞线，速率10Mbps，最大传输距离100m。
b）RS485通讯介质采用矿用阻燃屏蔽信号电缆，信号电缆分布参数为：
R≤12.8Ω／km；L≤0.8mH／km；C≤0.06μF／km。
速率1200bps,最大传输距离10km。
c）CAN通讯介质采用矿用阻燃屏蔽信号电缆，信号电缆分布参数为：
R≤12.8Ω／km；L≤0.8mH／km；C≤0.06μF／km。
d）扩音电话通讯介质采用矿用阻燃屏蔽信号电缆，信号电缆分布参数为：
R≤12.8Ω／km；L≤0.8mH／km；C≤0.28μF／km。
最大通信距离2km。
（9）显示
a）12.1”TFTLCD彩色液晶显示屏；分辨率不大于800×600。
b）显示方式:
PC信号
（10）主要功能
a）信息交换：
通过通信接口接收、处理并与其他设备交换。
b）显示功能：
工艺设备的运行状态，生产工况参数，设备故障状态等以及工业电视视频图像切换显示。
c）联网功能：
可通过以太网接口与其它设备联网。
d）语音通讯（KJD30Z）：
通过3C总线与沿线设备通话，扩音响度≥80dB/m（A计权）。
3.5.2KDK8矿用多功能控制驱动器
KDK8型矿用多功能控制驱动器是矿用隔爆兼本质安全型设备，适用于有瓦斯、煤尘爆炸危险的环境。
为矿用本质安全型设备提供本质安全型电源，并能转换本质安全型和非本质安全型的输出控制触点。
可采集该设备的输入、输出口状态，并发送到总线上，也可接收总线上的信号，控制设备的输出状态。
多功能控制驱动器是矿用本安型控制机等设备的配套产品。
3.5.2.1结构特征
如下图所示，KDK8的箱体分为隔爆腔、接线腔和本安腔三大部分。
隔爆腔内部有一个插箱，电路板都可循导轨方便地推入和拉出。
接线腔通过喇叭嘴将外部电缆引入。
本安腔与外部除CAN总线接口和电源输出为插座形式连接，其余都为喇叭嘴形式；腔内有一块本安电路板（主板），用于接收总线命令和向总线发送信号。
外型尺寸（长×宽×高）：
764×313×659（mm）；重量：
约180kg
6
7
2
8
3
4
9
5
1、接线腔2、接线腔出线口3、吊钩4、电源开关5、底座6、本安腔7、观察窗8、复位按钮9、隔爆腔
KDK8多功能控制驱动器
3.5.2.2技术参数
（1）防爆型式：
矿用隔爆兼本质安全型，标志为Exd[ib]I。
（2）使用环境条件
环境温度：
0～40℃；
空气相对湿度：
不大于95%（+25℃）；
大气压力：
80kPa～106kPa；
无显著振动和冲击的场合；
煤矿井下有瓦斯煤尘爆炸危险、周围无腐蚀性气体的环境。
（3）电源
a）输入：
单相交流660/380/220/127V，50Hz；各电压等级对应最大工作电流见表1。
电压变化范围：
75%～110%；
频率：
50Hz；
b）输出：
交流电源：
一路220V/200W，带漏电过流保护功能，当漏电流大于60mA（可调整）时自动断开，当输出电流值高于1.2A（可调整）时自动断路。
直流电源:
两路15V直流本安电源；
一路18V直流本安电源；
一路24V直流本安电源；
（4）信号输入与输出
a）本安输入：
8路本安开关量（无电位接点）信号输入。
1路检测信号输入：
高电平应不小于3V（电流不小于2mA）；低电平不大于0.7V。
1路控制信号输入：
110～500Hz方波信号，高电平应不小于4V；低电平不大于1V，脉宽不小于0.3ms。
b）非安输入：
8路非安开关量（无电位接点）信号输入。
c）本安输出：
1路检测信号输出,负载拉出电流2mA时不低于10V；低电平不大于0.7V。
d）非安输出：
8路继电器接点信号输出，输出接点容量为交流220V/5A（阻性负载）。
（5）通讯：
提供两组CAN信号，波特率为2500bit/s，传输距离2公里，每公里的电缆参数应符合C≤0.06μF、L≤0.8mH、R≤12.8Ω/km。
（6）控制方式
a）自动控制：
接收CAN总线的相关命令并控制8路继电器接点输出；
b）手动控制：
通过8个旋钮开关控制8路继电器信号输出。
（7）主要功能
a）提供一路220V交流电源，带漏电过流保护功能；
b）提供两路15V，一路18V，一路24V直流本安电源输出，并在本安腔面板显示各路电源的工作状态。
c）信号采集功能：
采集8路非安开关量输入信号、8路本安输入信号和本机状态信号，并传送到总线。
d）控制输出功能：
8路本安信号输入、8路拨码开关、控制信号、总线控制命令和继电器接点输出之间具有对应的逻辑关系。
（8）接线嘴数量：
18个
（9）工作方式：
连续工作。
3.5.3KCC2总线式通用接口
KCC2总线式通用接口主要作为信息采集和传输装置，为本质安全型产品。
该通用接口采用CAN总线无主传输方式，具有多种输入和输出方式，通用接口联检后能与煤矿安全监控系统配套使用。
3.5.3.1技术参数
（1）防爆型式：
矿用本质安全型，标志为“ExibⅠ”。
（2）环境条件
a．环境温度：
-20℃～+40℃
b．平均相对湿度：
不大于95％（+25℃）
c．大气压力：
80～106kPa
d．煤矿井下有瓦斯、煤尘等爆炸危险的环境
（3）电源电压：
直流9V～20V;
（4）工作电流：
≤40mA
（5）传输：
a．制式：
CAN总线无主方式传输
b．速率：
2.5Kbps
d．最大距离：
2km（信号电缆分布参数为：
C≤0.06μF/km、L≤0.8mH/km、R≤12.8Ω/km。
）
（6）输入输出信号：
KCC2总线式通用I/O接口开关量输入时为无源光耦输入，开关量输出光耦CE极输出，模拟量输入时信号与通用I/O接口共地输入，而模拟量输出时为三极管CE极输出。
a．开关量输入信号：
高电平时，信号幅度应不小于2.5V，电流应不小于2mA；低电平时，信号幅度应不大于1V；
b．模拟量输入信号：
1V～5V，误差±2.5%;
200～1000Hz，误差±5%。
c．开关量输出信号：
高电平时，信号幅度应不小于2.5V，电流应不小于2mA；低电平时，信号幅度应不大于0.5V；
d．模拟量输出信号：
PWM频率范围：
2.97kHz～10.4kHz,误差±2.5%，可通过CAN总线选择。
4、检测与保护
水泵自动控制系统的检测与保护信号：
水仓水位、排水管路流量、真空压力、水泵压力等。
4.1水仓水位检测：
选用矿用本安型水位传感器，动态时实检测水仓水位，将水位信号送至控制机并由控制机送至地面计算机，实现高水位起泵低水位停泵。
4.2排水管路流量检测：
选用隔爆型超声流量变送器，动态时实检测主排水管路流量，将主排水管路流量信号送至控制机并由控制机送至地面计算机，可实现低流量报警。
4.3真空压力检测：
选用耐震型真空电接点压力表，当吸水管路真空度达到起泵条件时，压力表将输出接点信号给控制机，控制机以此发出开泵信号。
4.4水泵压力检测：
选用高可靠性压力传感器，动态实时检测水泵内部压力，当压力低于设定值时自动停泵。
5、系统设备清单：
序号
设备名称
型号
单位
数量
备注
1
工业控制计算机
SIMATICRackPC847B
台
2
西门子
2
组态软件
WINCC6.0
套
2
西门子
3
本安控制计算机
KJD30Z
台
1
天地常州
4
多功能控制驱动器
KDK8
台
5
天地常州
5
智能I/O接口
KCC2
台
5
天地常州
6
本安电源
升级会员 