中间水平水泵房自动化控制系统

1、主斜井与副斜井主斜井与副斜井 中间水平水泵房自动化控制系统中间水平水泵房自动化控制系统 目录目录 1、排水设备自动化控制系统要求与目标、排水设备自动化控制系统要求与目标.3 1.1 自动排水控制系统要求.3 1.2 系统技术目标.3 2、自动排水控制装置关键技术、自动排水控制装置关键技术.5 2.1 电液控闸阀.5 2.2 射流泵工作原理.7 2.3 水介质电动球阀.9 2.4 小功率多回路组合开关柜.10 2.5 智能化本安型系统控制柜.11 2.6 传感器及信号采集.11 3、控制方式与原则、控制方式与原则.14 3.1 系统控制方式.14 3.2 控制原则.14 3.3 远程控制界面.1

2、5 3.4 保护与故障诊断.16 4、系统实施方案、系统实施方案.16 4.1 系统管网布局.16 4.2 电控系统布局图.17 4.3 元件列表.18 1、排水设备自动化控制系统要求与目标排水设备自动化控制系统要求与目标 煤矿井下水泵房共有 3 3 台主排水泵台主排水泵，为了提高主排水的可靠性，实现排水 的自动化，要求对井下水泵房的 3 台主排水泵及出水口的电动闸阀进行监控。 检测水仓水位、水泵进水管真空度、水泵出水口正压、电流、电量、流量、扬 程、功率等工作状态、故障状态以及维护状态，并能实现主排水泵的各种参数 上传地面，实现无人值守。 现场基本参数：现场基本参数： 正常涌水量：150m3

3、/h，最大涌水量为：200 m3/h 排水高度：160m 排水管路 2 趟 6（DN150） ，6.4MPa 水泵：MD155-30*8 水泵房尺寸：3 米3.6 米3 米（长宽高） 控制洞室：5.5 米4 米3 米（长宽高） 水泵房与控制洞室的距离为 45 米。 1.11.1 自动排水控制系统要求自动排水控制系统要求 本系统为主排水自动控制系统，利用工业以太网环网，将主排水自动控制 系统就近原则的接入到矿井工业以太环网中（需要矿方事先预留接口） ，最终可 以在全矿矿井综合自动化调度集成平台对水泵的运行工况进行监测并可以远程 控制。 工程建设要求最终能够达到减人提效，集中监测、监控矿井排水系统

4、的工 序节点，可灵活地设置监控模式，并可进行实时的高质量的数据传输，方便存 储数据和检索历史数据。 1.21.2 系统技术目标系统技术目标 本控制系统用于水泵房的集中分布控制；在井下中央变电所设 PLC 集中 控制站，采集各种信号，按照工艺流程控制各台水泵及相应的闸阀，显示各种 工作状态。整个集中控制系统由 PLC 集控及监控部分、就地控制部分和现场 设备三大部分组成，其布局如图 1 所示。 1、采用集中控制器对水泵房设备运行实行在线监控，自动、手动控制水 泵的启停及闸阀的开、关及开度，并具有自诊断功能，可实现水泵房的无人值 守。 2、控制系统通过以太网接入矿井工业以太干网，实现水泵监控子系统

5、与全 矿井的监控系统信息共享，满足全矿井自动化控制的要求。 图 1 矿井自动排水控制系统示意图 3、集中控制器采用 S7-300 系列 PLC 及先进的过程控制软件，综合考虑矿 井各种安全信息，实现井下排水监控系统的最优控制策略；井下排水监控系统 的报警，信息显示，报表统计处理全部融入整个矿井监控系统的数据系统。 4、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。 5、根据水位控制原则，自动实现水泵的轮换工作。 6、结合水仓水位和全矿电力负荷信息，以“移峰填谷”原则确定开、停水 泵时。 7、系统具有多种通讯协议可选，可与系统互联互通，软件修改可在控制室 完成。 8、水泵

6、监控子系统有三种工作方式， “自动” 、 “手动” 、 “检修” 。 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：

7、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、开液压阀等自动控制，并完 成运行停止。 检修：可操作任一水泵电机，闸阀，电电 动阀的开关，相互动作互不闭锁。 9、实施监测水泵各工况参数，包括水位、 电压、电流、压力、功率、真空度等。 10、实现远程编程、现场编程、完善修改 系统功能。 11、具有较强的兼容性和扩展性。 2、自动排水控制装置关键技术、自动排水控制装置关键技术 2.1 电液控闸阀电液控闸阀 闸阀是离心式水泵排水系统中必不可少的 元件。结构如图 2 所示。井下自动排水系统用可控闸阀要适应井

8、下环境，具有 安全防爆、运行可靠的能力。在大型排水泵站中由于水泵功率大，扬程高，流 量大，所要求的闸阀通径也大，闸阀体积和重量也相应的增加，通径 DN250 的 闸阀重量在 300Kg 左右。因此，可控闸阀研究成为自动化排水系统的关键问题。 图 2 闸阀结构示意图 研制一种轻便、灵活，控制方便，工作可靠，又适应井下特殊的工作环境的可 控闸阀是本课题一项重要任务。如前所述，井下水泵房的工作过程对闸阀的设 计和操作都有特殊的要求。闸阀的设计应该能够满足这个特殊性，因此，闸阀 的设计应该满足以下原则： 首先，功能要求： 闸阀密封性能的好坏直接影响水泵的启动性能。根据水泵的性能特点和 流体力学的原理，

9、离心式水泵的启动、运行、停止都有特殊的要求。从流体力 学的中的相关知识可知，水泵在零流量时，功率最低。所以，为了使水泵低启 动功率，要在启动前使闸阀关闭。另外，在无底阀的排水系统中，为水泵灌水 （抽真空）也要求闸阀关闭。 闸阀开启时，要缓慢开，避免管路中流速、压力变化剧烈。水泵启动后， 工作点要平稳地从起始点过渡到额定工作点，在这个过程中要避免开阀水锤。 闸阀要在水泵停前缓慢关闭。水泵在停转时，管路压力、流量同样不能 变化过于剧烈，以避免引起停泵水锤。 在人工操作排水系统中，以上要求都是工人按操作规程完成。在自动排 水系统中，闸阀同样要按以上工作方式要求下实现适合自动化的操作。 其次，矿山中使

10、用的特殊要求： 符合“煤安”标准，具有防爆 功能； 电气控制，能够与自动控制系 统连接，便于集中控制； 体积小、重量轻，便于运输、 安装、维修； 符合水泵“缓开缓闭” 的要求， 关闭状态密封性能良好，不能出现 “跑水” 、 “漏水”现象。 承压能力强，能够满足高扬程 的排水系统应用。 结合以上原则并且针对电动闸阀存在以下问题：体积、重量庞大，增加 图 3 电液控闸阀 其安装难度和增加配套设施（如管路等）的受力。原有的闸阀的体积和重量都 比较大，实现电动后由于增加了设备，相应也就增加体积和重量。这个问题在 使用防爆电动机组成的使用于井下的防爆电动闸阀尤为突出。价格昂贵。由 于防爆电动机的价格远高

11、于普通的电动机，再加上由齿轮组成的大传动比减速 器使得电动闸阀的价格比较高昂。控制复杂，故障率高。电动阀门需电气驱 动装置、动力传动装置和位置传感装置。这些装置的配套使用，维修困难，给 安装和使用造成不便。我公司设计出电动液控闸阀结构，去掉原闸阀（图 2 所 示）上丝杆，将旋转运动更换为直线运动。电动机正转(朝某方向)旋转时，油 缸杆伸出,关闭闸阀；反转（朝另外一个方向旋转）时，油缸杆收回，闸阀打开。 该电动液控闸阀结构紧凑，能够有效控 制闸阀的开关速度和关闭力，避免发生 水锤和楔死现象。所以根据不同的管径我们采用不同通径的电液闸阀，降低维 修率，提高矿井的生产率。其模型如图 3 所示。 2.

12、2 射流泵工作原理射流泵工作原理 水泵房排水设备一般安置在水井液面以上，所以水泵启动前的灌水一般采 用吸入式。为了减小井水吸入阻力，提高泵站运行效率，吸水管路不宜设置底 阀。无底阀吸入式灌水，要采用专门的引水设备，对水泵排水腔和吸水管路进 行抽真空，使水泵运行前充满水。引水设备一般为真空泵或射流泵。真空泵运 行效率高,水泵启动快,但需要提供专门的驱动设备。射流泵结构简单，操作方 便，根据矿井的地下环境和条件，射流泵的应用更为普遍。其结构包括：喷嘴、 吸入室、混合管、扩散管，如图 4 所示。 射流泵的工作原理是水射流时的“虹吸现象” ，如图 5 所示。高压水以流量 Q1由喷嘴高速射出时，连续挟走

13、了吸入室 2 内的空气，在吸入室内造成不同程 度的真空，被抽升的液体在大气压力作用下，以流量 Q2由管 5 进入吸入室内， 两股液体（Q1+Q2）在混合管 3 中进行能量的传递的交换，使流速、压力趋于拉 平，然后，经扩散管 4 使部分动能转化为压力能后，以一定的流速由管道 6 输 送出去。 图 4 射流泵结构 射流泵工作时要有高压水源，使喷嘴处产生高速水流，通过虹吸现象 使吸入室产生真空，将低处的水吸入水泵内，再启动水泵。射流泵应连接 于水泵的最高处。在开启射流泵前，要把水泵压水管上的闸阀关闭。射流 泵具有结构简单、占地少、安装容易、工作可靠、维护方便等优点，是一 种常用的引水设备，适合井下排

14、水设备使用。 Q2 Q1Q1+Q2 P 2/y P 1/y 123 4 56 图 5 射流泵工作原理 图 6 射流泵引水 研究表明：射流泵的基本工作机理就是湍流混合、射流卷吸过程；流动的 速度与流动比有关；当射流泵的喉管和喷嘴的尺寸已定后，流动的速度只与工 作射流和被吸流体的速度比有关；为了保持高效运行，射流泵应当在一个适当 的流量比范围内运行。 2.3 水介质电动球阀水介质电动球阀 通过对射流泵的工作原理分析，可知只有大流量系数的阀才能实现离心泵 的抽真空。同时在井下水集聚过程中，会把煤粉、炭块等各种杂物混合在水仓 中，如采用常规的针形阀会导致阀的卡滞、锈蚀，因此为实现抽真空的实现必 须使用

15、大流量系数的水介质电动球阀。 大流量系数的水介质电动球阀工作原理：大流量系数的水介质电动球阀由 角度电动执行器、转动球阀、防爆外壳、齿轮传动机构、工作状态指示电路和 控制部分组成，如示意图 7 所示。角度电动执行器和齿轮传动机构放置在防爆 外壳转动球阀固定在防爆外壳底座上,转动球阀的阀杆向上伸入防爆外壳。该阀 杆的端部固装一的扇形齿轮，该扇形齿轮与齿轮传动机构减速轮系的最末齿轮 相啮合，齿轮传动机构减速轮系的首齿轮与角度电动机输出轴的主动齿轮相啮 合。该扇形齿轮转动的左、右极限位置固定有左、右限位块，该左、右限位块 与阀杆控制球阀开启、关闭位置相对应。工作状态指示电路指示球阀的工作状 态：球阀

16、旋转开启，绿色指示灯亮；当开启到设定口径时，黄灯亮；当输入信 号为高电平时球阀旋转关闭，当关闭到位时，红灯亮。 （a） 关闭状态 （b） 打开状态 图 7 水介质电液球阀 2.4 小功率多回路组合开关柜小功率多回路组合开关柜 由于矿井生产在电控方面要求相当严格，许多厂家为了达到隔爆要求多回 路的电控柜做得体积都特别的大，这样就造成了电控柜在安装、运输以及成本 方面的诸多不利，鉴于这种情况我公司克服种种困难，研制出小功率多回路控 制柜，具备漏电、过载、过负荷、缺相等矿用基本保护功能，并具有过电流、 相间不平衡等保护功能并具有自复位功能，产品样图和实物分别如图 8、9 所示。 图 8 小功率多回路

17、组合开关柜样图 防爆外壳 控制线入口 转动球阀 图 9 小功率多回路组合开关柜实物 2.5 智能化本安型系统控制柜智能化本安型系统控制柜 PLC 采用西门子 S7-300 及其扩展组件，包括数字量的输入、输出模块；模 拟量的输入、输出模块以及带有标准接口的通信模块，保证了系统运行的稳定 性和高可靠性，并具有以下特点： 具有高标准的开放性，易管理的自动化控制系统，提供多层次多标准的 符合国际标准的以太网接口（RJ45） ，能够实现系统最大限度的信息共享； 冗余上位机（上位机接 OPC 方式时和分布式的 WEB 网络发布） ； 采用西门子的 PLC，并能实现双冗余； PLC 具备支持 ProfiN

18、et 的以太网模块； PLC 与力控组态软件数据通讯延时不能大于 0.5 秒。 项目研究的控制系统用于煤矿井下水泵房主排水系统的集中分布控制；在 井下泵房集控室设 PLC 集中控制站，采集各种信号，按照工艺流程控制各台水 泵及相应的闸阀，显示各种工作状态。集中控制整个系统。按运行功能则由以 下几部分组成：数据自动采集、泵阀自动控制、系统无人值守自动控制等。 2.6 传感器及信号采集传感器及信号采集 传感器是整个控制部分的核心部件，对于他们的要求：安全性能高；精度 高；抗污染能力强；实时性好。 传感器包括各种数据采集传感器和各类阀所带开关量信号组成，数字采集 传感器主要有液位传感器、压力传感器、

19、负压传感器、流量传感器。在产品的 选用上保证高安全性、高可靠性、高实时性，完全满足煤矿生产的要求。 图 10 超声波水位计及其安装位置 水泵房 图 12 超声波水位传感器机械电气安装图 图 11 超声波水位传感器外形图 图 13 本安浮球开关及其安装位置 图 15 出口压力检测设备的安装位置 图 14 压力传感器实物 3、控制方式与原则、控制方式与原则 3.1 系统控制方式系统控制方式 本装置具有就地控制方式和远程控制方式。就地控制方式又可以分为就地 手动控制和就地自动控制。远程控制方式也可分为远程手动控制和远程自动控 制。 手动控制方式是模拟原来手工操作的方式，按照矿井无底阀水泵排水的操 作

20、过程，在自动排水的电控柜上按射流泵球阀开，则使射流泵打开，观察负压 表，当负压值达到吸水高度时，按排水电机启动按钮，则水泵启动，观察水泵 出口压力表，当压力值达到排水高度时，按水泵出口电压闸阀开按钮，则实现 水泵的正常排水。如果停泵则按照反向操作。 自动控制方式是以水位传感器检测水位的设定值为启动泵的信号，当水仓 水位达到设定排水高度时，控制柜自动按照排水启动的工艺过程一次启动各个 元件，直到正常排水。当水位达到最低设定水位时，控制柜按照逆向操作过程 停泵。 3.2 控制原则控制原则 井下自动排水控制系统几大控制原则： 安全控制原则 可实现矿井水仓水位始终在安全线以下来适应用水量 变化的原则；

21、 图 16 流量传感器原理 节能控制原则 结合水仓水位和全矿电力负荷信息，以“移峰填谷” 原则确定开、停水泵时间； 等寿命控制原则 根据水位控制原则，自动实现水泵的轮换工作，延 长泵的使用寿命； 3.3 远程控制界面远程控制界面 本控制系统人机交换界面是基于组态软件自主开发的，具有主画面、单台 泵画面、运行状态检测画面、历史数据画面等多种友好人机界面。针对不同情 况做出相应的操作画面，便于远程/就地手自动动操作的任何一台可控制型设备， 如电磁阀的开启、关闭，水泵的起动、停止，电动闸阀的开启、关闭如图 17 所 示。 图 17 矿井自动排水控制系统主画面 图 18 系统操作界面 （2）针对不同的

22、操作人员可权限设置，一般操作员只允许对记录进行查看， 不允许进行控制性操作，只有授权人才能进行控制操作，任何人不可以对程序 进行修改。 图 19 用户权限设置 3.4 保护与故障诊断保护与故障诊断 本控制装置通过传感器的检测信号可实现多种的保护与故障诊断功能。如 通过流量传感器可以检测水泵的运行状态，以判断水泵是否正常。通过压力传 感器检测水泵出口压力，以判断是否在排水。通过负压传感器检测抽真空的情 况，以判断负压回路是否有漏气等情况。并通过报警界面方便机电人员进行检 修等。 图 20 系统报警模拟画面 4、系统实施方案、系统实施方案 4.14.1 系统管网布局系统管网布局 煤矿主排水泵房三台

23、水泵排水系统，建立如下管网布局图，如图 21 所示。 专专 专专 专专 专专 专 专 专专专专专专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专专 专 专 专 专 专 专专 专 专 专 专 专 专 专 专专专 专专 专 专 专专专 专专专 专 专 专 专 专 42008 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 MM M M M M M 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 专 图 21 管网布局图 4.24.2 电控系统布局图电控系统布局图 主排水泵房自动化实施后的电控布局图，如图 22、23 所示。 图 22 单台泵电控布局图 1 .3.1 1 1 1 12 123 1 2 3U6 6 0 V I 15 A 1 A C 66 0 VAC 6 6 0V ()()() ()()() 图 23 水泵房电控布局图 该环节是排水设备综合自动化控制系统的中心环节。它由 PLC、中间继电 器及接触器等组成,前