前进煤矿井水泵无人职守远程控制系统设计方案终星奥样本.docx

1、前进煤矿井水泵无人职守远程控制系统设计方案终星奥样本湘煤集团南阳矿业有限公司迈进煤矿-250水平中央水泵无人职守远程控制系统设计方案湖南星奥信息技术有限公司-05-137项目实行方案摘要及起止时间271.概述矿井排水系统承担着排出井下涌水重要任务，是矿井安全生产核心环节，排水系统各种设备能否安全、可靠、有效运营，关系到整个矿井生产与安全。排水设备普通功率大，耗电量多，老式排水只能靠人工手动控制泵起停，无法运用排水设备与仓容，科学、合理调度排水量与排水时间。因而老式矿井排水方式普遍存在能耗大、效率低、生产成本高缺陷。基于以上因素实现矿井排水自动化控制和地面远程监控，可根据水仓水位起停水泵，提高水

2、泵有效运用率，大大减少生产成本；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，变事故发生后被动检修为积极定期检修，提高设备使用率；可以保证安全生产，改进工作环境，提高劳动生产率；可有效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；通过调节开停时间避开电力负荷高峰期，有效地削峰填谷，节约电费开支。1.1系统参数 迈进煤矿-250水平中央水泵房由4台型号为D450-60/84*3型水泵构成，功率355KW，电压为6KV，水泵流量450立方米/小时，水泵扬程为175.1米，排水管路为二趟，内水仓容量为733立方米，外水仓容量为1102立方

3、米。1.2所有权信息本技术方案所有权归属山湖南星奥信息技术有限公司，如果没有征求卖方批准和容许，不得复制、刊登和提供应其她任何人或单位。2.系统建设目的1、节约传播通道（光纤、通讯设备等）重复投资费用和维护费用；节约数据库、组态软件、软件开发等重复投资费用；搭建传播平台、数据平台和监控平台，一次投资，长期受益；2、在地面集中监测监控，井下减员，减少井下人员伤亡也许性；改进工作环境，提高安全系数，保障职工人身安全；数据共享，报警联动，减少由于矿井劫难所导致损失；3、实现无人值守和定期巡检，有效减少人员成本；实现设备自动控制，减少工人劳动强度；减少岗位用工，提高全员效率；4、减少人工操作失误，延长

4、设备使用寿命；提高对设备故障分析和判断能力，减少停机事故；加强对运送调度和管理，提高运送能力；5、为矿井自动化系统提供一种高速、安全、可靠管理平台；提高整体集成水平，发挥自动化系统综合管理效益；实现煤矿管控一体化，提高煤矿安全生产管理调度水平。2.1顾客需求分析煤矿井下水泵是煤矿生产重要设备之一，实现井下泵房远程控制与监测，是综合自动化建设重要构成某些。当前,在矿井泵房排水系统设计中 ,普通设立多台多级离心水泵 ,一组工作、一组备用 ,并设立了用于轮换检修水泵。这些水泵电压高、功率大、运营工况复杂，人工很难做到实时监控。此外，对于水泵启动前吸水管路充水（抽真空）、水仓水位监测、泵房内设备运营与

5、管理等工作 ,普遍采用人工操作方式。老式模式操作过程繁琐、劳动强度大、人为因素多、启泵时间长、自动化限度低，已不能适应当代化矿井管理规定 ,因而 ,有必要使泵房水泵实现自动化控制。2.2系统功能及特点1、实时在线监测水仓水位，当水位达到上限时可以报警，自动启动水泵；当水位达到下限时，发出声光信号，自动停泵；2、实时在线监测水泵各工况参数，涉及水位、流量、电压、电流、压力、功率、温度、真空度、闸阀启动度等；3、具备数据分析功能，对水泵效率、电耗、工况点等进行分析，保证经济运营；4、当水泵浮现故障时，可以及时报警，并可以自动启动备用水泵，不能满足排水能力时，依照涌水量状况自动拟定启动水泵台数。系统

6、应具备以水仓水位为主，结合分时计费和避峰填谷原则，拟定开停水泵时间。同步依照水位控制原则自动实现水泵轮换工作；5、具备远程、就地启动、停止功能；6、可现场、远程编程，完善修改系统功能；7、水泵房现场以计算机图形界面结合现场操作，最大限度简化操作与状态显示；8、集中控制器采用三菱公司FX2N系列PLC及先进过程控制软件，实现井下排水监控系统最优控制方略；9、井下排水监控系统报警，信息显示，报表记录解决可以所有融入整个矿井监控系统数据系统；10、具备完善系统保护功能；11、控制系统可以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自动化监控系统信息共享；12、具备较强兼容性和扩展性，为

7、下一步综合自动化集中控制做好扩展接口；13、具备实时现场工况监控功能，并能将现场运营状况图像保存，可随时查看各时间段设备运营状况3.系统设计原则和根据3.1设计根据（1）设计方案依照迈进煤矿安全生产泵房自动化监控实际规定而做出。（2）系统设备符合迈进煤矿生产环境条件，符合煤矿安全规程有关规定。3.2设计原则（1）、安全可靠性1）、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。2）、全方位监控电机、水泵、启动柜、真空系统等各环节，对系统浮现异常可以提前给出预警。3）、严格规范地按照规定程序对水泵进行

8、自动启、停。4）、选用可靠控制原器件，水泵房控制核心选用三菱公司可编程控制器FX2N系列，继电原件选用国产名牌器件。（2）、先进性1）、由于采用了光纤环网通讯传播技术使得数据传播更快捷、可靠。2）、采用了组态软件控制编程技术，不但使可靠性大为提高并且使程序更加具备通用性，也使系统二次开发及扩容变得更加规范、容易。3）、本系统遵循矿井综合监控系统原则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，与其他子系统实现数据共享。该控制系统是由地面操作员站、水泵控制分站二某些构成。控制系统对泵房内排水泵、射流系统、抽真空系统、管道电动阀门和水泵轴震动等装置实行了自动控制及运营参数自动检测，

9、通过检测水仓水位、电机电流、电机电压、闸阀启动度、流量、真空度等参数，控制水泵工作。控制系统面板上设有液晶触摸屏，就地实时以图形、图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时地反映系统工作状态以及水仓水位、电机工作电流、电机温度、水泵温度、排水管流量、水泵真空度等参数。通讯管理机将各种数据信息传送到地面生产调度中心和生产设备控制中心，地面操作员站进行实时监测监控及报警显示、故障历史查询、模仿量曲线显示和报表打印。该系统具备运营可靠、操作以便 、自动化限度高等特点。视频监控系统将现场运营工况以录像形式发送并保存到上位机，在上位机上以四画面形式显示各设备运营状况及吸水井液位变化。3.3引用原则煤矿安全

10、规程煤矿设计规范爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备规定GB 3836.4-83爆炸性环境用防爆电气设备通用规定 GB 3836.1-83矿用普通型电气设备 GB 12173-90煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术规定 MT 209-90工业自动化仪表工程施工及验收规范 GBJ 93-86工业公司通信设计规范 GBJ 42-81通用用电设备配电设计规范 GB 50055-934.系统总体设计煤矿排水系统承担排出井下所有涌水重要任务,是保证矿井安全生产核心环节,其各种设备可靠运营,关系到整个矿井安全,能否达到经济合理运营,关系到矿井经济效益。因而,应用当代自动化控制技术,实现

11、煤矿排水系统自动化控制,保证煤矿安全可靠、经济合理尤为3.1 系统构成本控制系统以PLC作为控制核心,触摸屏为显示和重要操作设备，通过PLC检测水泵设备和传感器等信号，控制水泵、真空泵等设备和电动阀门、电磁阀等执行器启动与关闭。PLC模仿模块通过传感器采集现场压力、流量、电压、电流等信号，并显示在上位机上，系统重要涉及控制柜、配电柜、传感器和执行器等四某些。 1、控制柜：为矿用普通型柜体，重要由PLC、触摸屏、中间继电器、信号变送器、以太网络互换机、开关电源、按钮和批示灯等元器件构成，具备信号采集、变换、解决、输出、显示、保护、故障报警和通讯等各种功能。触摸屏作用是就地实时以图形、图像、数据、

12、文字等方式，直观、形象、实时地反映系统工作状态以及水仓水位、电机工作电流、电机温度、水泵温度、排水管流量、水泵真空度等参数。2、配电柜（依照现场实际选配某些）：重要由断路器、接触器、热继电器等元器件构成，是电动阀门、真空泵、电动球阀等配电回路。3、传感器：重要涉及超声波液位计、超声波流量计、负压变送器、压力变送器、电机绕组及轴承温度传感器、水泵轴承温度传感器、电机电压及电流互感器、阀门位置行程开关和过转矩行程开关等。 4、执行器：涉及多功能控制阀、电动球阀等。5、视频监控系统：涉及摄像头、数字硬盘录像机、光纤、光端机、终端盒等4.1控制方式为了满足寻常运营、检修、故障解决等需要，具备两种控制模

13、式：就地、远程。操作人员可采用不同方式控制各水泵启动和停止：1)就地控制就地控制重要分为就地半自动控制与手动控制。就地半自动控制：半自动控制重要是指操作人员在井下值班室通过控制柜上触摸屏，实现一键启停水泵。当与地面通讯故障或者寻常检修故障解决时，操作人员可选取就地控制状态。2)远程控制远程控制重要分为远程半自动控制与远程全自动控制。半自动控制是指操作人员只需在地面控制中心操作鼠标键盘，一键启停水泵，以及故障解除等。并且通过计算机语音系统发布报警提示。全自动控制是指系统依照水位高低（顾客可以设立高低水位）实现自动开停水泵，具备避峰填谷（时间段可设立）、自动轮换、超限报警等功能。3)控制方式变换远

14、程和就地选取：可以通过就地控制柜上远程就地选取开关，来切换远程控制或就地控制。自动和手动选取：可以通过就地控制柜上自动手动选取开关，来切换自动控制或手动控制。当需要远程和就地半自动控制时，自动手动选取开关需打到自动状态；当需要手动控制时（PLC只监视不控制），屏蔽PLC输出点，操作员通过水泵原有自带控制系统控制。远控两种方式可以通过上位机选取。4.2控制对象（1）水泵系统 图4-1 水泵控制系统图（2）水泵配电控制柜：控制系统就地显示控制可采用液晶触摸屏完毕，可显示水泵电机电压，电流以及功率因数；通过批示灯显示水泵及附属设备工作状态；水泵开停及附属设备开停控制，能对水泵进行就地控制，可作为水泵

15、操作柜。显示屏具备RS485通讯接口，通过以太网或工业总线接口与上级监控系统完毕通讯，实现远距离监控。监测需要所有信号，经传感器检测，送入相应信号变送器变成原则420mA信号或15V信号，由变送器送入FX2N系列控制器配备I/O模块，实现对原始一次信号采集，实现对所监测信号采集与传播，涉及所需电气参数、水泵系统工作状态、故障等信号等。同步能接受上级监控系统传来各种动作指令和保护调试指令并可靠执行，实现远方操作或自动化运营控制、接受解锁命令后能修改参数设定等。（3）水位检测、流量检测：超声波水位计、超声波流量计信号接入。（4）射流系统：真空度检测、射流电磁阀控制、排气管路电磁阀控制等。（5）抽真

16、空系统：抽真空电机控制、排气管路电磁阀控制、真空度检测等。（6）有底阀水泵控制：灌水、开泵。（7）视频监控系统：现场设备监控、吸水井液位监控。4.3控制功能及规定4.3.1水泵操作单台水泵自动启动过程为：启动抽真空系统、检测真空度、启泵、检测水泵出水口压力、水泵出水口多功能控制阀自动启动。停机过程则为通过启动柜停止水泵，水泵出水口多功能控制阀自动关闭。4.3.2运营前状态检测开泵前必要检查待开水泵高压柜及电机综保供电与否正常。待开水泵各种显示与否正常，水仓水位显示与否正常，且应无端障显示。4.3.3启动系统依照水仓水位、上升速度状况启动水泵，井下泵房排水泵启动方式有三种：1、自动v 将工作方式

17、选取开关打在“自动”位置；v 当水仓水位高于上限水位时，计算机将自动选定射流管路和待开水泵，按照所设定运营程序，自动启动待开水泵。2、半自动v 工作方式选取开关打在“半自动”位置；v 选定排水管路；v 选定待开水泵，并拟定射流管路；v 按下待开水泵启动按钮，计算机将按照所设定运营程序，自动启动待开水泵。3、手动v 工作方式选取开关打在“检修”位置；v 选定排水管路，打开管路闸阀；v 选定待开水泵，并拟定射流管路；v 启动射流；v 观测真空表，确认泵体内已充水(否则不能进行下一步操作)；v 启动电机；v 水泵出水口多功能控制阀自动启动，并观测电机、水泵运转状况与否正常；v 关闭射流。4.3.4运

18、营1、水泵在运营期间，应经常进行如下观测，发现问题及时采用办法：v 电压不得超过额定值正负5，电流不得超过额定值；v 观测压力、真空和流量批示变化状况；v 观测模仿量显示和水仓水位变化状况；v 电机和水泵有无异状；v 检查进、出水管路，泵体、闸门、盘根密封等有无漏水现象。2、水泵在运营期间浮现下列状况之一时，应紧急停：v 水泵不上水；v 水泵或电机有异状；v 电机或电气设备冒火和冒烟；v 泵体严重漏水；v 平衡水失常；4.3.5正常停泵与启动相相应，正常停泵方式也有三种：1、自动：水泵在“自动”工作方式下运营，当水仓水位低于下限水位时，计算机将按照所设定停泵程序自动停止运营水泵。1、半自动：水

19、泵在“半自动”工作方式下运营，需要停泵时，司机应按下“停止”按钮，计算机也将按照所设定停泵程序自动停止运营水泵。3、水泵在“检修”工作方式下运营，需要停泵时，司机应按照下列顺序操作：v 关闭出水管路手动闸阀；v 关闭水泵出水口手动闸阀，禁止阀门在开通位置停机；v 待阀门关闭到位后，停电动机。4.3.6故障停泵1、水泵在“自动”和“半自动”工作方式下运营，当发生故障时，计算机将按照所设定停泵程序自动停止运营水泵。2、水泵在“检修”工作方式下运营，当发生故障需要停泵时，应按下列顺序操作：v 同步关闭管路手动闸阀，禁止阀门在开通位置停机；v 待阀门关闭到位后，停电动机；v 无论水泵在哪一种工作方式下

20、运营，当发生故障需要紧急停泵时，司机可按下“急停”按纽(带机械自锁)。3、故障停泵后，查明故障因素，及时向关于领导报告。4、按下“故障复位”按纽，使系统恢复正常，为启动备用水泵做好准备。4.3.7数据采集与检测系统采集与检测数据：模仿量为电机电流、电机温度、水泵轴温、闸阀开度、出水口压力、水仓水位、主排水管流量、真空度；数字量有：电动闸阀开关限位、电磁阀状态、电机运营返回、电机故障点、电动阀工作状态与开关限位、射流泵工作状态。图4-1水泵自动化控制程序系统图数据采集重要由PLC实现，PLC通过超声波水位计持续检测汲水小井水位，将水位变化信号进行转换解决，计算出单位时间内不同水位段水位上升速率，

21、从而判断矿井涌水量，自动投入或退出水泵。电机电流、水泵轴温、电机温度、排水管流量等传感器，重要用于监测水泵、电机运营状况，温度超限报警。PLC采集各种系统中各个设备状态开关量信号进行解决，控制每个水泵系统启停。4.3.8水泵自动轮换为了防止备用泵、电气设备和备用管路长期不用而导致设备受潮或浮现其她故障未经及时发现，当工作泵浮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排水安全，本系统程序设计了3台泵自动轮换工作，控制程序将水泵启停次数及运营时间和管路使用次数及流量等参数自动记录合计，系统依照这些运营参数按一定规律自动启停水泵，使各水泵及其管路使用率分布均匀，当水泵在启动或运营过程中浮现

22、故障时，系统自动停止故障水泵、投入新水泵排水，实现水泵自动轮换工作，同步系统自动发出声光报警，并在操作屏和地面操作站上动态闪烁显示，记录事故，达到有故障早发现、早解决。4.3.9自动控制系统控制设计选用了三菱FX2N系列为控制主机，该PLC为模块化构造，由数字量I/O、模仿量输入、通讯口等模块构成。PLC自动化控制系统依照水仓水位高低或者依照井下用电负荷高、低峰和供电部门所规定平段、谷段、峰段供电电价时间段等因素，建立数学模型，合理调度水泵，自动精确发出启、停水泵命令，控制水泵运营。为了保证井下安全生产，系统可靠运营，水位信号是水泵自动化一种非常重要参数，因而，系统设立在不同水舱两套超声波水位

23、传感器，PLC将接受到模仿量水位信号提成若干个水位段，计算出单位时间内不同水位段水位上升速率，从而判断矿井涌水量，也本系统可以同步检测井下供电电流值，计算用电负荷率，依照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启动水泵，用电高峰和电价高时停止水泵运营，以达到避峰填谷及节能目。4.3.10动态显示就地动态模仿显示选用操作屏，地面操作站系统动态模仿显示采用组态王组态软件开发，系统通过图形动态显示水泵、真空泵、电磁阀和电动闸阀运营状态，采用变化图形颜色和闪烁功能进行事故报警，直观地显示电磁阀和电动闸阀开闭位置，实时显示水泵抽真空状况和出水口压力值。用实时趋势图方式和数字形式准的确时地显

24、示水仓水位，并在启停水泵水位段发出预告信号和低段、超低段、高段、超高段水位分段报警，用事先录制语音提示形式提示操作人员注意。采用图形、趋势图和数字形式直观地显示趟管路瞬时流量及合计流量、水泵轴温、电机温度等动态值，超限报警，自动记录故障类型、时间等历史数据，并通过每台水泵流量计算出水泵有效功率，以提示巡检人员及时检修或更换水泵系统功能画面参照图4-2工程案例：-250水泵自动化控制程序系统图4.3.11通讯接口PLC通过485通讯合同与操作屏进行通讯，将水泵机组工作状态与运营参数传至操作屏，完毕各数据就地动态显示；通过井下光纤，将水泵机组运营状态、参数传至地面生产指挥调度中心或机电控制中心，在

25、地面生成图形、趋势图和数字形式等直观界面信息，开放通讯合同，在地面监控中心有上位机，上位机通过OPC接入全矿井安全生产自动化控制网，管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备所有检测数据及工作状态，又可依照自动化控制信息，实现井下主排水系统三遥，并为矿领导提供生产决策信息。操作屏与监测监控站均可动态显示主排水系统运营模仿图、运营参数图表，记录系统运营和故障数据，并显示故障点。 4.3.12 视频监控 在井下水泵房和吸水井液位位置装有摄像头，实时拍摄现场水泵运营状况及吸水井液位变化，通过光纤点对点形式以图像形式显示在上位机界面上，系统配备数字硬盘录像机，可以将各时段运营录像保存在硬盘里，监控系统图

26、如下：4.3.12系统功能及特点1PLC控制程序采用模块化构造，系统可按程序模块分段调试，分段运营。该程序具备构造清晰、简捷、易懂，便于模仿调试，运营速度快等特点。 2.传感器检测到压力、流量、电压、电流等信号发送给PLC进行数据解决，计算出水泵运营实时效率。3PLC自动检测水位信号，计算单位时间内不同水位段水位上升速率，从而判断矿井涌水量，自动投入和退出水泵运营台数，合理地调度水泵运营。 4系统依照水位和压力控制原则，自动实现水泵轮换工作。系统运营时对每台泵运营时间进行累积，每次重新启动泵时，系统优先启动运营时间少水泵。5系统具备通讯接口功能，PLC可同步与操作屏及地面监测监控主机通讯，传送

27、数据，互换信息，实现水泵自动监控功能。6系统可依照投入运营泵组位置，自动选取启动射流泵，若在程序设定期间内达不到真空度，便有报警输出。当射流泵浮现故障时，可以投入消防水进行注水。7在操作屏上动态监控水泵及其附属设备运营状况，实时显示水位、流量、压力、温度、电流、电压等参数，超限报警，故障点自动闪烁。具备故障记录，支持历史数据查询等功能。9系统保护功能有如下几种：超温保护：水泵长期运营，当轴承温度或定子温度超过容许值时，通过温度保护装置及PLC 实现超限报警。流量保护：当水泵启动后或正常运营时，如流量达不到正常值，通过流量保护装置使本台水泵停止运营，自动转换为启动另一台水泵。 电动机故障：运用P

28、LC及触摸屏监视水泵电机过电流、漏电、低电压等电气故障，并参加控制。电动闸阀故障：由闸阀限位、开度批示检测故障，并参加水泵联锁控制。10系统控制具备自动、半自动和手动检修3种工作方式。自动时，由PLC检测水位、压力及关于信号，自动完毕各泵组运营，不需人工参加；半自动工作方式时，由工作人员选取某台或几台泵组投入，PLC自动完毕已选泵组启停和监控工作；手动检修方式为故障检修和手动试车时使用，当某台水泵及其附属设备发生故障时，该泵组将自动退出运营，不影响其他泵组正常运营。PLC柜上设有该泵禁止启动按钮，设备检修时，可防止其她人员误操作，以保证系统安全可靠。系统可随时转换为自动和半自动工作方式运营。1

29、1.系统具备实时监控功能，可以远程观测现场各水泵运营状况，并保存在数字硬盘。5.重要设备技术参数接入设备选用要考虑诸多因素，特别重要几点涉及：原则化、可靠性、可扩展性等。1.原则化：接入设备从设计、技术和设备选取，为保证不同PLC厂家设备、不同应用、不同合同连接，必要在最后接入工业以太网时支持国际原则网络接口和合同，以提供高度开放性。2.高可靠性：接入设备自身不应对通讯网络（PLC 总线、工业以太网络）可靠性产生影响。 3.可升级和可扩展性：随着技术不断发展、新原则和功能不断增长，接入设备必要可以进行固件升级，已提供更先进、更多功能。4.高性能：接入设备应具备独立数据解决能力，可以不依赖于既有

30、PLC处理器解决能力，同步接入设备不应对既有PLC系统性能导致较大影响，保证控制逻辑正常解决，保证生产安全。5.接入设备不应导致网络通信瓶颈，为保证监控实时性，接入设备与PLC设备连接一侧通讯速率应不低于该类PLC之间互连所采用总线最低通信速率。5.1控制分站含PLC、触摸屏、工业以太网互换机、电源、输入、输出模块、等元器件，判断发出各种控制信号，监控水泵运营工况。实现水泵房无人值守、远程监控，PLC输出信号应用中间继电器隔离；PLC I/O接口应有不少于20%备用量；控制柜为矿用普通型，PLC选用三菱公司FX2N系列PLC。显示屏尺寸不不大于10英寸。控制柜应外形美观、装配牢固、分区明显、维

31、护以便。控制柜电源箱内置控制变压器；为防止凝露现象以及潮湿气流腐蚀内部电器设备，PLC柜内设立温湿度控制装置，以保证电气设施干燥；控制柜可通过以太网模块接入工业以太干网，实现水泵监控子系统与全矿井监控系统信息共享。5.2传感器5.2.1 超声波液位计特点 最大量程可达40m 固体料位测量可达25m。 最小辨别率1mm。 LCD/LED大显示屏。 智能信号解决技术。 全塑料防腐外壳：防护级别IP67。 专利换能器构造：小量程物位计法兰安装时，对法兰接管长度无规定。 简朴按键设定参数：无需等待容器排空或加满，无需附加遥控器。 灵活安装方式 ：螺纹（法兰）、固定孔（支架）。 探头可加长：适应寒冷地区室外密闭容器安装，防止结霜。 配有高低位双继电器：四线制提供此功能。 家刘和直流供电形式可选：四线制和分体机主机提供此功能。5.2.2 浮球液位开关磁钢浮子式水位信号器基本上是由浮子、导管、干簧管以及外管等构成。干簧管是把两片铁镍合金簧片封闭在玻璃管内,常