柳林寨崖底井下排水设计

寨崖底矿寨崖底矿 1 水泵房自动化排水系统水泵房自动化排水系统 1 寨崖底矿寨崖底矿 1 水泵房自动化排水系统水泵房自动化排水系统 一 一 泵房现状及设计依据泵房现状及设计依据 柳林寨崖底矿 1 水泵房目前有 3 台水泵机组 全部设备采用人员手动控制 主要 设备及参数为 主排水水泵型号为 D155 30 6F 流量 155m h 扬程 180m 三台都有 底阀 电机功率为 132KW 电机控制开关为 QBZ3 660R 矿用隔爆型真空软起动柜 手 动闸阀公称通径 DN150 公称压力 1 6MPa 水仓分为内 外两个水仓 1 号机组主排 内水仓 2 3 号机组排外水仓 泵体排气方式为旁路水管向泵体注水 1 水泵房目前水泵机组基本可以满足每日的排水要求 但是就目前设备选型及人 员操作来看具有多处隐患点 如人员操作不规范造成设备故障率较高 排水记录无法 反映矿井涌水量 泵房参数无法远程监测 阀门为手动式影响紧急操作 无报警系统 而且泵房排水任务较重 进一步加大了事故风险 因此为了提高安全性及煤矿自动化 数字化水平 对 1 泵房进行自动化改造的相关设计 泵房自动化排水系统是根据煤矿矿井的实际情况 在现有设施基础上进行自动化 改造 以使设备在无人干涉的情况下自动运行和自我诊断的一套系统 通过工业计算 机的监视控制 对设备的运行状态 运行过程进行自动检测 自动控制 使设备达到 最佳工作状态和故障自动处理 报警 从而达到有效地节约能源 降低劳动强度 降 低运行成本 提高安全性和延长设备使用寿命等目的 系统综合了工业控制技术和现 代软件技术 保证了系统的稳定性和可靠性 水仓 投入式液位仪 超声波液位仪 超声波流量计 电动闸阀 压力传感器 温度传感器 1 出水2 出水 水水泵泵启启停停控控制制 阀阀门门启启停停控控制制 系系统统运运行行参参数数 隔爆兼本安型 PLC控制器 寨崖底矿寨崖底矿 1 水泵房自动化排水系统水泵房自动化排水系统 2 图 1 泵房井下改造示意图 二 二 自动化系统解决的问题自动化系统解决的问题 目前存在的问题及自动化改造中的解决方案目前存在的问题及自动化改造中的解决方案 1 1 从日常运行记录来看 排水任务较重 手动闸阀极不方便操作及检修 员工在操作时工作量较大 因此极易造成操做流程错误 对水泵及底阀造 成损坏 在自动化改造中全部更换为 11 台电动闸阀 型号为MZ941H 16 DN150 公称压力为 1 6MPa 可实现控制箱就地控制及地面监控中心远 程控制 极大方便泵房司机的操作及日常检修 2 2 当前靠人员手动操作 存在启停泵及启闭阀门的操作流程错误 易造 成水泵管网的水锤效应 对水泵泵体及底阀造成破坏 加大设备故障率 在自动化改造中使用 PLC 控制系统 可以做到对水泵工况的流程标准化控 制 并且可以实时监控水仓各参数 如水位 电机和水泵轴承温度 管网 压力等参数 从而实现参数异常即刻停泵等保护措施 达到延长设备使用 寿命的目的 利用 PLC 控制系统及超声波流量计 可以实时监测矿井涌水量 并根 据矿井用电量水平 设计对电网的 移峰填谷 式开泵排水流程 从而避 开用电量高峰期 达到安全性和资源利用率的高效结合 3 3 选用 KXJ1 127 隔爆兼本安型 PLC 控制器 该控制器集成有德国西门 子 S7 1200PLC 具有工业自动化领域开放式的以太网标准 PROFINET 技术 设备可从现场级一直连接到管理级 实现系统范围内的通讯 并支持全矿 范围内的工程与组态 PROFINET 是一种全面的通讯标准 在系统配置中 对控制指令 现场的运行状态反馈 紧急故障报警状态采用实时以太网一 类通道 数据响应小于 20 毫秒 保障关键数据的实时性 控制器的工作 模式为 自动 手动 远程 近控 可以根据工作需要合理组合 4 4 目前水泵房运行由井下司机操作 全矿调度室无法实时了解泵房情况 因此自动化改造中 增加地面上位机监控系统 上位机采用主备双系统结 构 当任一台工业计算机发生故障时 另一台备用机均可以起到主机的监 控作用 从而确保系统运行的安全可靠性 上位机直接与泵房 PLC 控制器 进行 PROFINET 通讯 允许远程编辑 调整设备的运行状态和运行参数 达到远程控制效果 上位机系统提供动态工艺流程图和操作画面 控制回 路显示画面 报警画面 生产过程参数历史记录 报警记录等操作画面 寨崖底矿寨崖底矿 1 水泵房自动化排水系统水泵房自动化排水系统 3 可以便捷的进行远程控制 数据实时监测及历史追溯工作 5 5 采用具有矿用阻燃特性光缆构成的光纤通信模式 成熟的光纤通信系 统保证了现场工业控制器及上位计算机之间的通信要求 并且具有极大的 抗干扰及远距离通信实时迅速的特点 响应时间为毫秒级 可以满足工矿 企业的远程监控要求 6 6 三台水泵为有底阀水泵 因此启泵前要向泵体注水排出空气 目前主 要由旁路水管将主管路水注入水泵 当主管路无水时 利用矿山静压水管 向泵体注水 考虑到泵房离地面较近以及容易改造等原因 沿用旁路水管 注水的启泵模式 将旁路水管 2 个手动球阀改为 1 个手动球阀 1 个电动 球阀 并预留矿井静压水管接口 方便停工检修 另外在主排水管路上加 装压力传感器监测主管路压力 当压力低于定值时井下声光报警 地面控 制室上位机图文报警 此时当泵房工作模式为自动时 PLC 控制器自动开 泵补水 主管路水压恢复后停泵 此设计可以保证开泵前主管路常有水 从而完成向泵体注水功能 工业以太网TCP IP 上位操作画面 超声波液位仪 正负压传感器 投入式液位仪 超声波流量计 电动闸阀 矿用隔爆兼本安型PLC控制器 高压开关柜 水泵电机 矿用隔爆型就地控制箱 预预留留上上位位远远程程控控 制制接接口口 图 2 自动化系统整体设计网络组态结构 三 三 自动化系统特点自动化系统特点 寨崖底矿寨崖底矿 1 水泵房自动化排水系统水泵房自动化排水系统 4 系统基本特点 系统基本特点 1 隔爆兼本安型 PLC 控制系统选用先进的德国西门子 S7 1200PLC 控制器 配 PROFINET 以太网通讯接口 方便组网 利用光纤通信接入地面上位控制中心 极大的提高了系统的实时性及数据处理速度 2 实现对排水泵的远程启停控制和运行状态的远程监测 可以在地面控制中心 对排水泵运行参数进行修改 有效监测各种故障信息 3 系统能够通过检测水仓水位和其它工况设置 自动控制水泵轮换工作与适时 启动备用泵 使各水泵及其管路的使用率分布均匀 减少了故障率 并根据 煤矿用电情况 设置 移峰填谷 式运行机制 4 系统具有多重可靠性措施 设置系统故障连锁状态及应急预案 维护量非常 少 能够达到减人提效 无人值守的目的 5 系统可扩展性强 可随时增加节点 为后续泵房的改造预留接口 最终可以 将4个泵房完全集中控制 为数字化矿井建设添砖加瓦 6 上位机系统可以达到数据实时显示 存储以及远程传输 并自动生成系统运 行报表 上位操作站具有丰富的图形 图表画面 直观 形象 实时地反映 系统工作状态 操作快捷方便 7 设置声光报警及上位图文报警功能 做到事故立刻发现 自动处理 及时保 护 避免煤矿遭受大的损失 四 四 系统控制功能系统控制功能 1 1 无人值守自动控制无人值守自动控制 PLC 控制器设置有 远程 自动 控制功能 选择此档位的时候 控制系统通过 自动检测水仓水位及相关参数 达到自动控制水泵适时启动 合理调度轮换工作 远 程监控 及时报警 可实现减人提效 无人值守的目的 自动控制的设计性能有 水位自动监测水位自动监测 采用超声波水位仪及投入式水位传感器两套设备同时工作互为 参考的监测模式 根据工况要求编制逻辑选择程序 防止水位传感器故障造成 的严重后果 并实时报警 水泵运行控制 水泵运行控制 水泵运行前需要进行水位检测 供电参数检测 水泵循环使用 记录及管网压力检测 水泵注水完毕等检测工作 全部符合要求时才会对水泵 进行运行控制 水泵自动开停控制 水泵自动开停控制 监视水仓水位的变化 在高水位 并且处于电网低负荷时 寨崖底矿寨崖底矿 1 水泵房自动化排水系统水泵房自动化排水系统 5 间段 则开启一台水泵排水 当处于电网高负荷时间段 水位处于上限之下时 可以暂缓开泵 当水位达到上限时 陆续启动多台水泵排水 低水位时陆续停 泵 从而达到对电网的 移峰填谷 的目的 并分时记录出水流量及总量 方便 煤矿安排生产及监测井下涌水量 水泵自动轮换 水泵自动轮换 控制程序将水泵启停次数及运行时间和停车时间等参数自动记 录并累计 根据这些运行参数按一定顺序自动启停水泵 使各水泵的使用率分 布均匀 同时将故障泵自动退出轮换工作 其余各泵继续按一定顺序自动轮换 以达到有故障早发现 早处理 以免影响矿井安全生产的目的 系统自动报警 系统自动报警 当系统设备出现故障时 及时向工作人员提供声光报警 阻止 事故的发生 2 2 现场半自动控制现场半自动控制 PLC 控制器打到 近控 自动 档位 可以切换到半自动控制方式 在此方式下 操作人员可以在 PLC 控制器上一键启停任意一台水泵 此模式可以灵活选择水泵的运 行时间及方便检修 3 3 就地手动控制就地手动控制 PLC 控制器及阀门控制器等设备的工作方式切换到 近控 手动 位置时 可以 人为现场控制单台阀门的启闭 控制及检测水泵的运行及停止工况 该模式下可用于 设备的检修维护 4 4 保护功能保护功能 超温保护超温保护 水泵 电机轴承温度超过警戒值时 提供超限报警并停泵 电机保护电机保护 利用电机电流 电压 水仓水位 启泵后无出水压力等参数参 与保护 电动阀门保护电动阀门保护 检测电动阀门的故障信号 并参与水泵的连锁控制 五 五 系统监控信号系统监控信号 系统采集的监控信号系统采集的监控信号 开关量输入信号 开关量输入信号 水泵的开停状态 故障状态 远控状态 每个阀的开状 态 关状态 过扭矩 故障状态 远控状态 就地控制箱的控制指令 检修指 令 测量水位的报警状态 泵体注满水的水流开关信号 开关量输出信号 开关量输出信号 控制水泵电机的启 停信号 控制电动闸阀的开 闭信 号 控制电动球阀的开 闭信号 模拟量输入信号 模拟量输入信号 水仓水位 主排水管压力 水泵启动后出水压力 电机 轴承温度 水泵轴承温度 管网排水流量 阀门开度值 寨崖底矿寨崖底矿 1 水泵房自动化排水系统水泵房自动化排水系统 6 模拟量信号一览表 模拟量信号一览表 序号项目数量信号说明备注 1水池水位44 20mA 本安超声波 2 压力 2 2管路静压力34 20mA 本安 3出水压力34 20mA 本安 4电机电流34 20mA本安高压开关柜提供 5电机电压34 20mA本安高压开关柜提供 6水泵温度6PT100 4 20mA本安前后轴温 7电机温度6PT100 4 20mA本安前后轴温 8出水流量24 20mA 本安超声波检测 2 9阀门开度值114 20mA本安 六 六 性能参数性能参数 技术参数技术参数 PLC 控制器供电电压 AC127V 50Hz 球阀控制电压 AC127V 50Hz 电动阀门供电电压 AC660V 50Hz 工作环境 1 环境温度 10 40 2 相对湿度 95 25 3 适用于煤矿非采掘工作面 具有瓦斯 煤尘等爆炸性危险的场所 4 防护等级 IP55 5 无剧烈振动 七 七 上位机系统说明上位机系统说明 概述概述 上位机位于地面控制室中 采用主备双系统结构 确保系统运行的安全可靠性 当任一台工业计算机发生故障时 另一台备用机均可以起到主机的监控作用 两台计 算机互为备用 一台为工程师站 一台为操作员站 其中工程师站允许远程编辑 调 试设备的运行状态和运行参数 操作员站进行日常的远程监测及控制 两台计算机作 为主排水集中控制系统的上位机系统 通过光纤网络与泵房 PLC 控制系统通信 形成 完整的自动化控制系统 上位系统通过图形动态显示水泵 电机 电动球阀和电动闸阀的运行状态 采用 改变图形颜色和突出闪烁功能进行事故报警 直观显示整个水泵房排水设备的工况 另外用直观图形以及趋势图 棒状图和数字形式准确显示水仓水位 设置低段 超低 段 高段 超高段水位分段报警 用不同音响形式提醒工作人员注意 采用图形 趋 寨崖底矿寨崖底矿 1 水泵房自动化排水系统水泵房自动化排水系统 7 势图和数字形式直观地显示各趟管路压力 水泵轴温 电机轴温 出水流量 设置有 报警显示页面自动记录故障类型 时间等历史数据 并提醒工作人员及时检修 避免 水泵和电机损坏 上位机具有大容量硬盘 储存的历史数据可以随时打印检索 上位机功能及画面设计上位机功能及画面设计 1 1 操作功能操作功能 系统具备模拟动画显示功能 可以形象 直观 全面的反映主排水的运行状况 可以在上位机设定高 低水位的区间和水泵运行时间 实现主排水的集中控制 操作 人员可以在地面调度室直接对水泵进行启动和停止操作 达到远程集中控制的效果 并且可从单元控制画面调出任一变量 模拟量或离散量 的详细信息 对各模拟回路 可以手动改变设定值 输出值 控制方式 对离散量可以手动操作设备的开启和停止 操作人员可以输入系统的控制数据 通过不同的界面 设定每台水泵工作参数 根据 操作权限的不同 通过密码的方式来保证系统的安全 不同权限的操作人员 具有不 同的安全等级 可以修改不同的数据 2 2 报警管理功能报警管理功能 通过报警画面或者通过系统中的报警声音 提示操作员报警正在发生 报警内容 包括 a 报警时间 b 过程变量名 c 过程变量说明 d 过程变量的当前值 e 报警设定值 f 过程变量的工程单位 g 报警优先级别 主要报警主要报警 a 设备自身诊断报警 b 温度 压力超限报警 c 其他检测参数超限报警 d 系统通讯中断报警 寨崖底矿寨崖底矿 1 水泵房自动化排水系统水泵房自动化排水系统 8 e 各类设备故障报警 3 3 报表功能报表功能 报表数据的收集是按照用户定义的时间间隔 自动进行 报表软件将自动产生所 有的标题和表头 设置报表备份功能 报表的数据来自历史数据库 可以调用以前记 录的任何一天的报表数据 设定报表包括 a 故障报表 b 设备信号状态报表 c 设备维护报表 各类报表既可以通过屏幕查看 也可以按时自动打印输出 4 4 检测维护功能检测维护功能 维修工程师的专用界面 通过密码的形式进入 内部以表格的形式 对所有现场 设备的运行数据进行记录 注释 统计运行累计时间 而且随时刷新运行数据 现场 采集的数据不经过任何处理 按照 1 1 的比例系数 直接反应其原始数据 可以跟踪 记录每个设备的工作情况 详细的显示系统的网络结构 控制系统的配置 地址 每 台设备之间的关系 采用不同的分组画面单独显示泵房现场设备的控制电路 关键测 试点的数据 为技术维护工程师提供参考的依据 八 八 施工安装施工安装 电控设备安装在干燥 通风 无腐蚀性气体的的峒室内 放置于支架之上 设备 后侧离墙面至少保持 0 2 米的距离 设备之间保持 0 5 米的直线距离 便于散热和走 线 为满足整套电控设备的 EMC 要求 保证系统安全稳定运行 设备安装时考虑如下 方面 电气设备必须有效接地 各种传感器才有屏蔽电缆 模拟信号的电缆屏蔽层应该单端接地 信号电缆和动力电缆必须分开敷设 间距大于 0 5 米 管路施工应由煤矿相关部门配合及现场指导 寨崖底矿寨崖底矿 1 水泵房自动化排水系统水泵房自动化排水系统 9 寨崖底矿寨崖底矿 1 水泵房自动化排水系统水泵房自动化排水系统 10 系统报价 寨崖底 1 泵房排水自动化系统设备清单及报价 序号名称 型号 规格 数量单位单价 元 总价 元 备注 1 PLC 控制器 KXJ1 127 隔爆兼本安2 台 4700094000 西门子控制器 1200 2 工业控制计算机带显示器研华双核 500G 硬盘 2 套 700014000 3 工控软件易控128 点 1 套 35003500 4 矿用阻燃光缆 GTSV 4B1单模 4 芯1000米4 54500上海新蓓5 光电转换器 IMC101单模单口2台8001600Moxa 6 水位传感器 超声波 KGU5B 超声波2 台 3500070000 常州三恒7 水位传感器 液位 GUY5 A 压力2 台 35007000 常州三恒 8