北宿煤矿泵房远程集控系统设计方案.doc

兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 1 / 35 目 录 1 概述.3 1.1 可靠性.3 1.2 安全性.4 1.3 经济性.4 1.4 扩展性.4 1.5 操作性.4 1.6 主要特点4 2 标准和规定.5 3 基本参数及结构.6 3.1 泵房主排水目前概况6 3.2 泵房排水系统适用环境6 3.3 基本结构7 4 系统概况.7 4.1 设备管理7 4.2 现有工作方式.8 5 技术要求.10 5.1 基本要求10 5.2 系统功能11 6 系统设备组成.13 6.1 可编程控制箱: 13 6.2 就地控制箱14 6.3 现场设备及检测部分.14 6.4 主要传感器14 6.5 上位机及软件部分17 6.5.1 组态软件18 6.5.2 编程软件.18 6.6 系统可靠性.18 6.7 设备改造18 6.7 plc 点位表19 7 控制模式.19 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 2 / 35 7.1 自动工作方式.19 7.2 自动工作方式.21 7.3 自动控制功能.21 7.4 手动控制功能.22 7.5 单机自动控制.22 7.6 就地手动控制.22 7.7 现场编程.22 7.8 组网功能.22 7.9 水泵运行计量/时间/运行统计 22 7.10 实时报警/报警记录 .23 8 控制主站.23 8.1 plc 配置及功能特点.23 8.2 控制站特点.24 8.3 监控系统具有的功能25 8.4 主要监控设备.26 8.5 控制主站工作环节27 8.5.1 自动注水环节27 8.5.2 闸阀操纵环节27 8.5.3 水位自动监控环节28 8.5.4 参数传示环节28 8.5.5 故障保护环节28 8.5.6 电动机的自动控制环节29 9 网络29 9.1 现场级控制网络.29 9.2 分站间数据交换.29 9.3 远程监控网络.29 10 管理系统30 10.1 综合管理功能30 10.2 控制策略30 10.3 系统可靠性保障30 11 网络.31 12 扩展功能.31 13 设备清单.32 14 示意图32 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 3 / 35 1 概述概述 煤矿井下排水泵房是煤矿生产的主要设备之一，实现井下泵房的远程控制与监 测，是综合自动化建设的重要组成部分。目前,在矿井泵房的排水系统设计中 ,一般 设置多台多级水泵。这些水泵电压高、功率大、运行工况复杂，人工很难做到实时 监控。此外，对于水仓水位监测、泵房内设备的运行与管理等工作 ,普遍采用人工操 作方式。传统模式操作过程繁琐、劳动强度大、人为因素多、启泵时间长、自动化 程度低，已不能适应现代化矿井管理的要求，因此，有必要使泵房水泵实现自动化 控制。 煤矿中央水泵房自动化设计是以系统安全、可靠、先进为设计原则，实现在安 全生产指挥调度中心对泵房内所有设备进行网络监视和控制，从而做到泵房无人值 守、设备安全可靠运行。 目前，在矿井中央泵房的主排水系统设计中，根据矿井涌水量和有关规定，一 般设置多台多级离心水泵，一组工作、一组备用，另外，还要设置用于轮换检修的 水泵。这些水泵电压高、功率大、启动复杂。出于同样考虑，多敷设两条或两条以 上排水管路。对于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。 至于这些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。 该方式操作过程繁琐、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，因此，有必要对中央泵房水泵进行自动化改造。 1.1 可靠性可靠性 集控系统充分考虑到井下实际工况，选用了先进的技术、成熟的设备和传感器。 主控站和分站核心部分采用德国西门子公司的西门子公司的 plc 300 系列产品系列产品。该产品多年成 功应用于煤矿井下，目前我国煤矿绝大部分提升机电控、皮带机集控、水泵集控等 等，都采用西门子公司产品。控制网络采用光纤传输光纤传输，具有稳定、可靠的特点，抗 干扰能力强。在控制网络瘫痪时，具有井下集控和就地控制方式的应急措施。 因故障查找或处理故障原因，需临时启动设备时，能将不必要的保护信号通过 上位机临时屏蔽临时屏蔽，一切正常后恢复。 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 4 / 35 1.2 安全性安全性 所用设备完全满足最新版煤矿安全规程（2010 版）的要求，井下控制设备 采用隔爆型或本安型。水泵配置各种按安全规程规定的传感器，并设有起动时语音 预告、故障报警，配置电铃打点信号。 1.3 经济性经济性 在满足系统要求的情况下，采用性价比高的设备，达到降低成本的目的。 1.4 扩展性扩展性 考虑到将来系统的可扩展性，可方便的将未来的输煤设备融入到现行系统中来， 并可扩展对系统实现更远距离的监控。所有主站和分站采用工业以太网传输，可以 任意接入井下工业以太环网（1000m 网）。 1.5 操作性操作性 本集控以集中控制操作为主，实现对整个排水系统的运行控制和数据监测。既 可远程集中控制，也可就地集中控制和单台设备就地控制。 1.6 主要特点主要特点 （1）plc 控制程序采用模块化结构，系统可按程序模块分段调试，分段运行。该 程序结构具 有清晰、简捷、易懂，便于模拟调试，运行速度快等特点。 （2）系统根据水位和压力控制原则，自动实现水泵的轮换工作，延长了水泵的使 用寿命。 （3）系统根据电网负荷和供电部门所规定的平段、谷段、峰段，以“避峰填谷”原 则确定开、停水泵时间，从而合理地利用电网信息，提高矿井的电网运行质量。 （4）plc 自动检测水位信号，计算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，自动投入和退出水泵运行台数，合理地调度水泵运行。 （5）在显示屏上动态监控水泵及其附属设备的运行状况，实时显示水位、压力、 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 5 / 35 温 度、电流、电压等参数，超限报警，故障画面自动弹出，故障点自动闪烁。具有 故障记录， 历史数据查询等功能。 （6）系统具有通讯接口功能，plc 地面监测监控主机通讯，传送数据，交 换信 息，实现遥测遥控功能。 （7）系统保护功能有以下几种。 超温保护：水泵长期运行，当轴承温度或定子温度超出允许值时，通过温度保 护装置及 plc 实现超限报警。 电动机故障：利用 plc 及触摸屏监视水泵电机过电流、漏电、低电压等电气故 障，并参与 控制。 电动闸阀故障：由电动机综保监视闸阀电机的过载、短路、漏电、断相等故障， 并参与水 泵的联锁控制。 （8）运行操作方式：远程控制、就地自动控制、就地手动控制、启动柜面板控制， 选择 4 种操作方式之一。 （9）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。 （10）具有打印功能：实时或按时间段打印相关设备的运行参数（如运行时间、 电机电流等）和运行状态（如开停状态、故障类型、故障发生时间等） 。主要数据保 存至少三年，对数据进行综合处理，满足报表统计、曲线图、柱状图显示并能打印 输出。 2 标准和规定标准和规定 本技术规格中使用的标准如下。但不限于此： 爆炸性环境用防爆电气设备通用要求 ；gb3836.14-2000 爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备 ； 煤炭工业矿井设计规范 相关制造厂商技术资料； 煤矿安全规程 （2010 版） ； 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 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 6 / 35 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 可编程仪器的数字接口ansi488 3 基本参数基本参数及结构及结构 3.1 泵房主排水目前概况泵房主排水目前概况 北宿煤矿目前井下有 4 个排水泵房，这次需要改造的是一水平-220 排水泵房。 泵房设备主要技术参数如下： (1) 三台多级离心泵 规格型号：200d43*9 扬程 387m 流量 288m3/h (2) 三台隔爆型三相异步电动机 电机型号：jr 440kw 2975r/min 电压 6000v (3) 配套三台高压真空开关柜 电机型号：kgs1-08d 10kv 50hz (4) 矿井最大涌水量 90 m3/h 矿井正常涌水量 81 m3/h (5) 矿井水仓深度 4.6m 水仓容量 3700m3 (6) 三台手动闸阀 (7) 排水闸阀 6 个 手动球阀 12 个 3.2 泵房排水系统适用环境泵房排水系统适用环境 海拔高度不大于 1200m； 工作温度 060 存储温度 -4085 工作湿度 595% 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 7 / 35 工作环境 无滴水及震动 保护等级 ip54（不低于） 防爆类型 矿用一般型 环境温度 -5+40； 3.3 基本结构基本结构 排水装置有水泵,电动机,进水管,排水管,阀门和其他附件组成。从能量观点出发,可 将装置分成两部分:泵机组-由水泵和电动机组成。其中水泵的作用是把机械能传递给 水,使水获得能量，电动机则把电能转换为拖动水泵的机械能,依次泵机组起着能量转 化的作用；另一部分是管路-由进水管,排水管和管路上各种阀门管件组成,水在管中 流动时消耗的能量用于克服阻力损失和提高自身的位能。后者是排水装置的最终任务。 e-1 v-6 v-8 11 12 4 5 3 13 1 2 9 10 6 7 8 图 3.2 15电动球阀；6电动闸阀和逆止阀；7泵体；8 超声流量计； 9压力传感器；10负压传感器；1112真空泵；13射流阀。 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 8 / 35 4 系统概况系统概况 4.1 设备管理设备管理 近几年以来，随着矿井的开拓和采区的延伸，主要水泵设备管理越来越成为矿 井大型设备管理的难点： 1）每个水平排水泵房均设专人专岗，水泵操作采用工人手工操作，劳动强度大， 企业达不到减员增效的目的，而且人为因素的可靠性差； 2）水泵工作状态由人为因素控制，设备磨损状态、工作时间、机械状态很难掌 握； 3）对水泵及电机的运行参数缺少监测，不能实现水泵系统的故障判别和报警， 不利于水泵系统的安全可靠运行；设备检查检修管理依靠人为感知和经验判断，人 为因素较大，标准性差，设备检查检修滞后于生产需要； 4）矿井涌水量由人为历史数据统计计算，可靠性差； 5）地面调度不能及时清楚地了解水位变化及水泵的运行情况，难以实现科学调 度，造成系统能耗高，效率低，水泵系统运行成本费用高。尤其是多水平水泵分散 独立控制模式下，对于多水平水泵同时向地面排水以及水泵联合排水的可预知性差， 造成了矿井排水费用猛增； 因此，当前的多水平水泵排水系统状况与国家倡导的提高矿井综合自动化水平 和节能减排的社会大环境远远不能相适应。故实施矿井井下多水平优化排水、实现 井下多水平排水自动化控制与管理，成为我们研究的一个迫在眉捷的课题。 4.2 现有工作方式现有工作方式 目前泵房为手动操作方式，值班人员根据水仓水位，决定泵的启停。对设备运 行状况的监测，全靠值班人员的巡检来完成。目前泵房内没有配置用于检测的传感 器及其它装置。 水泵的工作流程为： 一、开泵前的准备工作： 1、 开泵前必须检测待开水泵的防爆电动阀门控制箱，防爆控制按钮的供电是否正 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 9 / 35 常。 2、 开水泵进行起动前的检查： （1）轴承润滑油油量是否适当，油质是否洁净。 （2） 防护罩、进出水管路、联轴器的连接螺栓及轴向间隙是否妥当，接地装置 是否完整，各部螺栓是否齐全、紧固。 （3）盘根松紧适度，盘车 23 转，检查水泵转动是否灵活。 （4）水仓水位处于高水位。 二、起动： 1、将隔爆高压真空磁力起动器面板上的选择开关打在“远控”位置； 2、选定排水管路； 3、打开出水管路电动阀门； 4、观察真空表，真空度应小于0.05mpa,并确认吸水管路及水泵充满水（否则不得 进行下一步操作） ； 5、按双联控制按钮的“启动”按钮，起动电机； 6、打开起动水泵的出水口电动阀门； 三、运行： 1、水泵在运行期间，操作人员应经常进行以下巡视，发现问题及时采取措施： （1）电压不得超过额定值的5，电流不得超过额定值。 （2）观察压力表、真空表的变化情况。 （3）观察水仓水位的变化情况。 （4）电机和水泵有无异响和异状。 （5）检查进出水管路、泵体、闸门、盘根、密封等有无漏水现象。 （6）常检查滑动轴承、油环是否转动，能否带上油来，以防止轴瓦因缺油而烧坏。 2、水泵正常运行的标志： （1）流量大于 155m3/h； （2）电流大于 30a； （3）出水口压力大于 2kpa； （4）真空度小于0.05mpa； 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 10 / 35 （5）电压 6kv5。 3、水泵在运行期间出现下列情况之一时，应紧急停泵： （1）水泵不上水； （2）水泵或电机有异响和异状； （3）电机或电气设备冒烟； （4）泵体严重漏水； （5）平衡水失常。 四、正常停泵 1、关闭出水管路电动阀门； 2、关闭水泵出水口电动阀门，严禁阀门在开通位置停机； 3、待两阀门有一个关闭到位后，按双联控制按纽的“停止”按纽，水泵电动机停运。 五、故障停泵： （1）水泵在“自动”工作方式下运行时，当发生故障时，计算机将按照所设定的停 泵程序自动停止运行水泵。 （2）水泵在“检修”工作方式下运行时，当发生故障需要停泵时，应按下列顺序操 作： 同时关闭管路和水泵出水口的电动闸阀，严禁阀门在开通位置停机； 待阀门关闭到位后，停电动机； 不论水泵在哪一种工作方式下运行，当发生故障需要紧急停泵时，司机可按下 “急停”按钮(带机械自锁)。 故障排除：按“故障复位”按纽，使系统恢复正常。 5 技术要求技术要求 5.1 基本要求基本要求 1、每台水泵应具备三种操作方式：就地手动、集中手动和远方集 中方式，三种方式均可对水泵实现启/停操作，且相互闭锁。 2、能根据水仓水位变化自动控制排水泵启停。 3、能控制各泵轮流工作,使每台磨损程度均等。 4、能根据水仓水位、供电峰谷段时间划分等情况,合理调度水泵运 行，节省运行费用。 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 11 / 35 5、能检测水泵及其电机的工作参数。如:水泵流量、压力、轴温、水仓水位、 电机温度、电机启动与工作电流等。 6、具有故障报警、自动保护等功能。 7、泵房的监测、控制信号都能夠远传至地面，并与地面监控系统联网。并将信号送 矿调度室。 8、地面监控主机采用高性能工控机和国外著名组态软件 ifix；能实现远程控制,操 作记录及故障情况的报表生成、存储、打印及显示。 5.2 系统功能系统功能 1、实时在线监测水仓水位，当水位达到上限时能够报警，自动开启水泵；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，包括水位、流量、电压、电流、压力、功率、温 度、真空度、闸阀开启度等。 3、具有数据分析功能，对水的效率、电耗、工况点等进行分析，确保经济运行； 4、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，不能满足排水能 力时，根据涌水量情况自动确定开启水泵台数。系统应具有以水仓水位为主，结合 分时计费和避峰填谷原则，确定开停水泵时间。同时根据水位控制原则自动实现水 泵的轮换工作。 5、具有远程、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，最大程度简化操作与状态显示。 8、集中控制器采用 siemens 公司的 s7-300 系列 plc 及先进的过程控制软件，实现 井下排水监控系统的最优控制策略。 9、井下排水监控系统的报警，信息显示，报表统计处理能够全部融入整个矿井监控 系统的数据系统。 10、具备完善的系统保护功能。 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 井的自动化监控系统信息共享。 12、具有较强的兼容性和扩展性，为下一步综合自动化集中控制做好扩展接。； 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 12 / 35 13、水泵监控子系统需满足以下三种工作方式： 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。 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、开启电 动闸阀等自动控制，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。相互动作互不闭锁。 14、水泵控制系统控制过程需满足以下六个工作环节： 自动注水环节：排水泵的灌注引水方式采用射流泵或抽真空泵，以 2 趟排水管路 水压力为能源。由真空表监测真空度。 闸阀操作环节：本系统水泵的闸阀为电动阀门。电动阀门可采用手动/电动两种 方式控制，在电动状态下，通过 plc 对阀门进行集中控制和监视；在手动控制 方式下，可在阀体上对各阀操作。 水位自动监控环节：水位自动监控环节的任务是根据水位的高低自动准确发出开、 停水泵命令。本系统采用超声波液位传感器。 参数传示环节：在控制柜的液晶显示器上可模拟显示水仓水位、水泵压力及电动 机、电磁阀和液压闸阀的各种工作状态。所有的检测参数及工作状态均可由井下 plc 通过传输网络传送给地面计算机，由计算机分析处理，在显示器上模拟显示， 并做出曲线、报表，以利于地面管理人员作出正确判断，向井下程控器发出控制 命令。 故障保护环节：电动机故障：plc 监视水泵电机欠压、过流、短路等故障，由开 关柜提供保护并参与控制。 闸阀故障：由各闸阀厂家提供故障型号并参与控制。 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 13 / 35 电动机的自动控制环节：该环节是排水设备综合自动化控制系统的中心环节，根 据水位情况自动开停水泵。 另外，为了防止因备用泵长期不用而使电机受潮或有其它故障而未被发现，当紧 急情况需要投入而不能投入以至影响矿井安全，系统按“轮换工作制”来控制，以 达到有故障早发现、早处理。系统根据水泵的开启次数自动按一定顺序轮换开启 水泵。当某台或其所属阀门故障或检修时，该泵退出轮换，其余各泵仍按轮换工 作制运行。 6 系统设备组成系统设备组成 排水泵房设备组成要求监控装置包括：控制柜（箱） 、配电柜、就地控制箱、传 感器等。 6.1 可编程控制箱可编程控制箱: 含控制箱、触摸屏、工业以太网交换机、电源、输入、输出模块、等元器件， 判断发出各种控制信号，监控水泵的运行工况。实现水泵房的无人值守、远程 监控，plc 的输出信号应用中间继电器隔离； plc 的 i/o 接口应有不少于 20%的备用量； 控制箱为防爆型，plc 选用 siemens 公司的 s7-300 系列 plc。显示器尺寸 10 英寸。控制柜应外形美观、装配牢固、分区明显、维护方便。 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的 监控系统信息共享。 （1）主要功能和特点：）主要功能和特点： 1、可以采集或接入各种参数、保护信号（开关量和模拟量） ，并具有扩展性。 2、可以方便定义和修改所有被测模拟参数的报警值、保护动作值。 3、实现多路控制输出，启动或停止有关设施（有的输出带延时，且延时时间可调） 。 4、实现采集数据、参数、运行状态的就地显示，并可上传地面中心站。 5、实现故障位置、原因、类型等的就地显示，并可上传地面中心站。 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 14 / 35 6、具有检修时的安全闭锁功能。 7、具有运行方式选择及防止非规定操作人员随意操作的保护措施。 8、与地面断开后系统仍能正常运行在就地或自动方式下。 9、控制装置可接收各类传感器信号。 10、提供电流和温度的时实监测。 11、具有以太网接口功能。 （2） 主要核心元件主要核心元件 序号序号名称名称规格和型号规格和型号 单单 位位 数量数量生产厂家生产厂家 1ps 10a 电源个1德国西门子 2530mm 导轨条1德国西门子 3cpu315-2dp个1德国西门子 4存储卡 2m个1德国西门子 5cp343 以太网模块个1德国西门子 632 点 di个1德国西门子 732 点 do个1德国西门子 88 点 ai个3德国西门子 940 针端子个2德国西门子 1020 针端子个3德国西门子 6.2 就地控制箱就地控制箱 含西门子 200 系列 plc，中间继电器、转换开关、按钮、指示灯、端子排和导 线等元器件； 作为闸阀和水泵的就地单台起停、方式转换使用； 6.3 现场设备及检测部分现场设备及检测部分 现场设备及传感器包括传感器和电动闸阀等组成。 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 15 / 35 传感器包括超声波液位计、投入式液位计、负压传感器、正压传感器、超声波 流量计、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、排水流量、水泵轴温、电机温度及设备工作状态等。 闸门位置行程开关、闸门过转矩行程开关由闸门厂家给出。 6.4 主要传感器主要传感器 1、lcz-803 型超声波流量计型超声波流量计 （1）用 途：以“速度差法”为原理，用于测量圆管内流体的流量。它采用先进的数 字电路和纠错技术，使仪表更能适应工业现场的环境。计量准确，经济方便，产品 达到国内先进水平，可广泛应用于石油、化工、冶金、电力、给排水等领域。 （2）技术特点：多脉冲技术与独特的信号数字化处理技术，增强仪表抗干扰能力， 使仪表测量信号更稳定、计量更准确。高集成度优化电路，降低功耗，提高可靠性。 智能化标准信号输出，人机界面友好、多种二次信号输出，供用户任意选择。多种 传感器测流方式，可根据不同的管路环境和不同的介质温度选择最佳方案；外夹式 非接触管外测量，安装方便、快捷；插入式无滴漏带压安装、精度高、免维护、工 作可靠。便携式体积小、耗能低、多种记忆功能，最适合没有交流供电条件的环境； 管段式小管径测量精度可高达 0.5 级。 （3）技术指标： 测量介质：水、污水及其它均质流体，悬浮物含量小于 10 g/l，粒径小于 1 mm 测量管路材质：钢管、铸铁管、非金属管、可焊接或压接的管材料、可实现法兰 连接的管路 测量管径：154 000 m。 测量流速：0.0112 m/s 测量精度：1.5%。 环境温度：主机10+45； 探 头：常温 0+50，高温 0+150 2、正压（负压）变送器、正压（负压）变送器 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 16 / 35 gyd 本质安全型压力变送器采用由先进的微机械刻蚀加工工艺制成的扩散硅膜片组 成的压阻式力敏器件为核心器件，用静电滚压工艺焊接在玻璃和金属密封支架上， 再焊 上 316l 不锈钢隔离膜片，并经充硅油作传压介质，形成完整的基芯组件。由 先进的电子放大电路以及温度补偿电路组成的电路板，封装于不锈钢外壳内，并灌 注 特种硅胶，保证了抗振动、抗冲击和耐环境腐蚀性能。 环境温度：-10+50 相对湿度：3585% 大气压力：86106kpa 测量范围：1mpa ； 10mpa 供电电压：6v.dc24v.dc 输出信号：420ma.dc 基本误差：0.5%f.s. 回程误差：不大于 0.25%f.s. 重 复 性：不大于 0.25%f.s. 恒流性能：当负载电阻在 0500 范围内变化时，输出值变化量不大于 0.25%f.s. 超 负 荷：变送 器能承受测量上限 125的压力 型号规格： 外形尺寸：27x120mm 重 量：0.2kg 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 17 / 35 3、电流（电压）变送器、电流（电压）变送器 电量变送器是一种将被测电量参数(如电流、电压、功率、频率、功率因数等信 号)转换成直流电流、直流电压并隔离输出模拟信号的装置。产品符合国标 gb/t 3850-1998 。电量变送器通用技术条件 引用标准及规则：gb/t 138501998 准 确 度 等 级：0.5 级 工作温度：-10 55 相 对 湿 度：93% 贮藏条件：温度 - 40 70，相对温度 2099%，无凝露 特点: 采用电磁调制隔离原理，有效克服直流漂移 线性测量范围：0120%标称输入 din 标准导轨安装 多种输出类型任选，多种结构类型任选 smt 贴片生产加工工艺制造 型号及技术参： （1）型号应包括：变送器主型号、输入/输出规格（输入/输出范围值） 、精度等级等。 例如：te- baa1u-5a/420ma-0.5。 （2）电流变送器：输入电流值大于 5a 后，交流须外加互感器，直流须外加分流器。 （3）电压变送器：输入电压值大于 500v 后,交流须外加互感器,直流须外加分压电阻,测 量范围可达 1kv。 技术参数： 输入方式：电磁调制隔离原理，接线式输入 测量范围：0120%标称输入 响应频率:直流：030khz 交流，最高定做 100khz 隔离电压1.5kvdc ，1 分钟 输入阻抗：r=50mv / ix ( ix被测电流)； 共模抑制比：160db（50hz） 隔离电容:接线输入产品输入、输出间隔离电容：20pf（在 1khz 条件下测量） ； 过载能力：10 倍标称输入值，持续 5 秒； 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 18 / 35 无故障工作时间：平均无故障工作时间3 万小时； 额定环境温度：0+50； 消耗功率：微功耗。 6.5 上位机及软件部分上位机及软件部分 工控机采用研华系统 ipc610h 型号； plc 编程软件采用西门子公司的 step7 v5.4 sp3； 触摸屏组态软件采用西门子公司的 wincc flexible 上位机组态软件采用 ifix4.5； 显示器选用 22液晶屏。 6.5.1 组态软件组态软件 采用 ifix4.5 组态软件。计算机监控软件采用工业组态软件开发，软件具备 opc 接口，可以方便接入综合自动化平台， plc 控制软件采用专用软件开发，对设备进 行逻辑控制。所有监控程序在地面完成修改无需现场修改。 上位机组态软件选用性能优越的工业组态软件，工作于 windows xp sp2 系统平 台，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。 6.5.2 编程软件编程软件 采用西门子 step 7 编程软件。plc 控制软件采用专用软件开发，对井下皮带机 设备进行逻辑控制。 所有监控程序在地面完成修改无需现场修改。 6.6 系统可靠性系统可靠性 上位机采用双工控机热备的形式。其中一台作为主机，作为操作人员日常工作 中的控制器操作各流程设备。另一台工控机作为从机，提供主工控机的后备控制。 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 19 / 35 当主工控机出现故障时可以将系统的控制操作无扰动的切换到从机，从而保证上位 机的可靠运行。 6.7 设备改造设备改造 若要实现兴元煤矿井下中央泵房自动化系统的可靠运行，以满足自动化控制需 对以下设备进行改造、更换，具体说明如下： 1、出水口闸阀和配水闸阀换成手/自动的电动闸阀。 2、注水球阀和排气球阀换成手/自动电动球阀。 6.7 plc 点位表点位表 序 号 控 制 与 检 测 内 容通讯 数字量 输入 数字量 输出 模拟量 输入 模拟量 输出 备 注 1simens_plc 与调度室通讯1 2电动机定子温度检测313 3电动机轴温检测313 4泵体温度检测313 5各水泵出水水压检测313 位置9346各水泵出水管路电 动闸阀启停934 7总水管电动闸阀位置834 8总水管电动闸阀启停424 位置82 选 19出水管路选择 （控制电动闸阀）启停4 10水仓1 11自控/手动3 12网控/就地3 13开停传感器（运行返回）3电机 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 20 / 35 小计：1241712 7 控制模式控制模式 7.1 自动工作方式自动工作方式 系统具备网络控制、就地自动控制、就地手动控制、启动柜面板控制 4 种操作 方式。故每台泵设置 2 个选择开关进行方式选择，第一个为手动和自动选择，第二 个为网络控制和就地自控选择。当选择为手动操作时，操作方式和流程与现有规程 相同；当选择为自动操作时，其操作规程如下： 一、运行前状态检测 开泵前必须检查待开水泵的高压柜、低压柜及电机综保的供电是否正常。待开 水泵的各种显示是否正常，水仓水位显示不小于 2 米，且应无故障显示。 二、启动： 系统根据水仓水位的情况启动水泵，当水仓水位高于上限水位时，系统自动选 定排水管路、待开水泵，按照泵房水泵运行流程图所设定的运行程序，自动启 动待开水泵。其主要步骤为： 1、监测真空表，当满足要求时可继续操作。 2、启动电机 3、打开所启动水泵的出水口电动闸阀，并观察电机、水泵运转情况是否正常。 三、运行 (一) 水泵在运行期间，应实时进行以下检测观测，发现问题及时采取措施： 1、电压不得超过额定值的正负 5，电流不得超过额定值； 2、检测压力、真空和流量指示的变化情况； 3、检测水仓水位的变化情况； 4、电机和水泵有无异状； (二) 水泵在运行期间出现下列情况之一时，应紧急停泵： 1、水泵不上水； 2、水泵或电机超温； 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 21 / 35 四、停泵 正常停泵，当水仓水位低于下限水位时(约 2 米)，控制器将按照泵房水泵运 行流程图所设定的停泵程序自动停止运行水泵。 需要停泵时，按照下列顺序操作： 1、关闭出水管路电动闸阀； 2、关闭水泵出水口电动闸阀，严禁阀门在开通位置停机； 3、待阀门关闭到位后，停电动机。 4、故障停泵。 当发生故障时，计算机将按照泵房水泵运行流程图中所设定的停泵程序自 动停止运行水泵。 7.2 自动工作方式自动工作方式 plc 自动化控制系统根据水仓 水位的高低、井下用电负荷的高、低峰和供电部 门所规定的平段、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，自动准确发出启、停水泵的命令，控制 3 台水泵运行。 为了保证井下安全生产，系统可靠运行，水位信号是水泵自动化一个非常重要 的参数，系统设置了水位传感器，水位传感器设于水仓的排水配水仓内，plc 将接 受到的模拟量水位信号分成若干个水位段，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，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，控制在用电低峰时开启水泵，用电高峰时停止水泵运行， 以达到避峰填谷及节能的目的。 7.3 自动控制功能自动控制功能 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， 并将参数传给本机；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。低水位 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 22 / 35 时停泵；高水位时水泵一台运行、一台备用、一台检修；上限水位时二台泵运行， 另一台备用或检修。 （3）每台水泵设置地面控制、井下控制、自动、手动和检修五种工作方式，工 作方式可直接在本机上设定或由地面主机设定。当水位达到高位或不在高位而处 在用电低谷时间内，将自动启动运行泵，当达到低位或不在高位而处在用电高峰 时间内时自动停泵。当水位达到上限水位时，自动启动“运行泵”及“备用泵”，直 到水位低于高位时停止“备用泵”只运行“运行泵”， 当达到低位或不在高位而处 在用电高峰时间内时自动停泵。 （4）系统可自动或手动选择以实现备用泵的循环启动和停止。 （5）将本机工作方式转为“地面控制”时，各水泵由地面主机控制。 （6）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。 7.4 手动控制功能手动控制功能 根据实际需要也可以从自动控制方式切换到手动控制方式。此方式下操作人 员在操作台上人工手动控制。 7.5 单机自动控制单机自动控制 地面监控主机将工作方式切转到单机自动时，可在地面监控主机上单独控制 系统中的各设备。 7.6 就地手动控制就地手动控制 各设备工作方式打到就地位置时，可直接在就地控制箱上起停水泵及相应的 电动闸阀。此方式主要用于设备检修时。 7.7 现场编程现场编程 用户可在现场通过面板上的键盘对程序或参数进行修改。 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 23 / 35 7.8 组网功能组网功能 该控制器挂接在网络交换机上，通过交换机可以与全矿综合自动化系统连接。 7.9 水泵运行计量水泵运行计量/时间时间/运行统计运行统计 在地面控制站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。 7.10 实时报警实时报警/报警记录报警记录 在现场 plc 控制器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。 8 控制主站控制主站 8.1 plc 配置及功能特点配置及功能特点 本系统采用 siemens 公司的 s7-300 系列可编程控制器。s7-300 是模块化 中小型 plc 系统，它能满足中等性能要求的应用。 -模块化，无排风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握等特点使得 s7-300 成 为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解决方案。它具有如下 特点： simatic s7-300 的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维护 。 高速的指令处理 0.60.1ms 的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应 用领域。 浮点数运算 用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算 方便用户的参数赋值 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 24 / 35 一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值，这样就节省了入 门和培训的费用。 人机界面 (hmi) 方便的人机界面服务已经集成在 s7-300 操作系统内。因此人机对话的 编程要求大大减少。simatic 人机界面(hmi)从 s7-300 中要求数据，s7- 300 按用户指定的刷新速度传送这些数据。s7-300 操作系统自动地处理数据 的传送。 诊断功能 cpu 的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和 特殊系统事件 (例如：超时，模块更换，等等)。 口令保护 多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许 的复制和修改。 操作方式选择开关 操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操 作方式。这样就防止非法删除或改写用户程序。 - simatic s7-300 具有多种不同的通讯接口： 多种通讯处理器用来连接 as-i 接口、profibus 和工业以太网总线系统 通讯处理器用来连接点到点的通讯系统 多点接口(mpi) 集成在 cpu 中，用于同时连接编程器、pc 机、人机界面 系统及其他 simatic s7/m7/c7 等自动化控制系统。 - 这是一个经济而有效的解决方案；方便用户的 step7 的用户界面提供了 通讯组态功能，这使得组态非常容易、简单。 - cpu 支持下列通讯类型： 过程通讯 通过总线(as-i 或 profi- bus)对 i/o 模块周期寻址(过程映象交换) 数据通讯 在自动控制系统之间或人机界面(hmi)和几个自动控制系统之间，数据 通讯会周期地进行或被用户程序或功能块调用。 兖州煤业公司北宿煤矿一水平泵房改造接入 技术方案 徐州中国矿业大学科技发展总公司 25 / 35 8.2 控制站特点控制站特点 （1）选用先进的控制器，系统的实时性好，可靠性高，数据处理速度快。 （2）可扩展性强，便于系统的扩展及管理网络的发展。 （3）维护方便，运行费用低。系统扩展方便，可随时增加节点。本系统可根据 生产需要随时增加控制接点，控制器和网络可靠性高，维护工作量小。 （4）总结各矿中央泵房集控系统的经验教训，特别采取了增加设备可靠性的措 施。系统投入运行时，plc 对软起动装置、高压开关状态进行扫描分析，运行过 程中对传感器监控，故障时报警。 （5）根据水位控制原则，自动实现水泵的轮换工作，大大延长了水泵的寿命； （6）该监控装置可根据电网负荷信息，以“移峰填谷”原则确定开、停水泵时间， 从而提高了矿井的电网质量；本监控装置采用超声水位计连续检测水仓水位，超 声水位计输出 420ma 信号送 plc，plc 经运算判别，自动开停水泵。 （7）在正常水位时，各台泵能自动轮换工作，在危险水位时，自动投入必要数 量的水泵运行，并自动控制相应管路上的阀门。系统以水仓水位为主，结合分时 计费和“移峰填谷”原则，确定开停水泵时间，从而达到节能、节耗目的。 8.3 监控系统具有的功能监控系统具有的功能 系统由控制部分、检测部分、执行部分组成。由于系统控制要求复杂，又考 虑到中央泵房和中央变电所硐室环境条件，控制部分和控制核心选用高性能可编 程序控器。检测部分分为两部分： 一是模拟量检测部分。其主要由水仓水位传 感变送器、流量传感变送器、高压柜综保单元、压力变送器、负压变送器、温度 传感变送器等组成，此部分用于中央泵房主排水系统运行参数的检测。二是开关 量检测部分。将高压启动柜中的真空断路器状态、电动阀的工作状态与启闭位置、 等开关量信号接入 plc，可检测系统运行状态。而执行部分则由就地控制箱及所 控制的对象组成，可完成对水泵、电动闸