矿山中央排水泵房远程测控系统设计.pdf

第 6 4卷第 6期 有 色 金 属 ( 矿山部分) 2 0 1 2年 1 1 月 d o i ： 1 0 3 9 6 9 J i s s n 1 6 7 1 4 1 7 2 2 0 1 2 0 6 0 0 2 0 矿山中央排水泵房远程测控系统设计 王 文 杰 ， 周 叶 ( 北 京矿 冶研 究总 院 ， 北 京 1 0 0 1 6 0 ) 摘要 ： 中央排水泵房对矿 山的安全起着 重要 的作 用 。传统泵 房采用 手动操作 ， 劳 动强度大 ， 反应 不够迅速 ， 远程测试与控制水平亟待提高 。从管道系统设计 、 硬件系统设 计和 软件 系统 设计三个 方面进行 论述 ， 并 对关键参 数和关键 设备进行说明 。系统信息化 、 自动化水平高 ， 为矿 山企业对设备 的数字化 、 远程 化管 理提供 了参考 。 关键词 ： 排水泵房 ； 远程测控 ； P L C； 自动化 中图分类 号： T D 7 4 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 4 1 7 2 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 7 1 0 3 De s i g n o f r e mo t e me a s u r e me n t a n d c o n t r o l s y s t e m f o r t h e ma i n p u mp i n g s t a t i o n o f a mi n e W ANG We n j i e ，ZH0U Ye ( Be i j i n g Ge n e r a l Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Mi n i n g 8 L Me t a l l u r g y，Be i j i n g 1 0 0 1 6 0 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：M a i n p u mp i n g s t a t i o n p l a y s a n i mp o r t a n t r o l e o n mi n e s a f e t y Tr a d i t i o n a l l y，p u mp s i n t h e s t a t i o n a r e h a n d o p e r a t e d。wh i c h e n t a i l e d h i g h 1 a b o r i n t e n s i t y a n d r e a c t e d s l o wl y Re mo t e me a s u r e me n t a n d c o n t r o l l e v e l s h o u l d be i mpr ov e d Pi p i n g，ha r d wa r e a n d s of t war e s y s t e m d e s i gn a r e di s c u s s e d，an d k e y pa r a me t e r s a s we l l a s ke y e q ui p me n t s a r e d e s c r i b e d Th i s s y s t e m h a s a h i g h l e v e 1 o f i n f o r ma t i z a t i o n a n d a u t o ma t i o n ，wh i c h p r o v i d e s a r e f e r e n c e f o r m i n i n g e nt e r pr i s e s i n r e mo t e a nd di gi t a l e qu i p me nt ma na ge me nt Ke y wo r d s ：p u mp i n g s t a t i o n；r e mo t e me a s u r e m e n t a n d c e n t r e l ；PL C；a u t o m a t i o n 根据 金属非金属矿山安全规程 要求 ， 井下主 要排水设备， 至少应 由同类 型的 3台泵组成。工作 水 泵 应能 在 2 0 h内排 出一昼 夜 的正 常涌 水量 ； 除 检 修泵外， 其他水泵应能在 2 0 h内排完一昼夜的最大 涌水量l_ 1 。水泵通 常功率大 ， 电压 高， 操作 比较繁 琐 ， 需要根据涌水量的变化， 随时启动备用水泵 ， 工 人劳 动强 度大 ， 自动 化 控 制 水 平有 待 提 高 。主排 水 泵房设备是否正常运行 ， 直接影响着矿山的正常开 采、 财产及人员生命安全， 因此加强对水泵房的远程 监控 ， 提 高排 水系 统安 全水平 ， 对 矿 山安全 生产起 着 重要作用 ， 也是矿山企业亟待解决的问题之一 2 。 以某铁锌矿的中央水泵房为例 ， 共设 3台水泵 ， 每 台水泵 配 1台 6 k V 2 8 0 k W 电机 ， 设计 采用 远程 测控 系统 ， 通 过光 纤与 地 面监控 中心 系统 通讯 ， 实现 对井 下 中央水 泵 房 的远 程监 控 。 作者简介 ： 王文杰( 1 9 7 9 一) ， 男 ， 硕士， 工程师 ， 采矿 工程专业 。 1 系统 工作 原 理 通过现场 P L C控制可 以实现水泵房系统 的现 场近控和网络远控两种控制方式 的转换 ， 通过 以太 网接 口接入矿山信息化系统。采用网络远程控制方 式时 ， 通过传输线路接收地面控制中心的控制指令 ， 自动启动或停止各 台水泵。采用现场控制方式时 ， 通过现场开停指令输入， 自动启动或停止各台水泵。 水泵启动、 停止 由 P L C完成、 P L C 自动巡检 。可对 每 台 水 泵 进 行 单 台 就 地 控 制 ， 完 成 开 、 停 水 泵 工 作L 4 。本文从管道系统设计、 硬件 系统设计和软件 系统设计三个方面进行论述 。 2 管道 系统设计 为 了减 小启 动 时水锤对 管路 的 冲击 和 突然增 大 的 电流对 电 网的冲击 ， 在泵 启动 前 ， 需先 将排 水 闸阀 关闭， 待泵体内充满水后 ， 再缓慢开启排水闸阀。同 样 ， 在关 闭泵 之前 ， 需 将 排水 闸阀 逐渐 关 闭 ， 然 后 再 关闭电源。本次考虑到 自动化控制的实现 ， 引入 了 射流泵和电磁一 液动缓闭闸阀。泵启动时， 用射流泵 有 色 金 属( 矿山部分) 第 6 4 卷 抽走泵体及吸水管内的空气 ， 使泵 内充满水 ； 电磁一 液 动缓 闭 闸阀 ， 启动 泵 时“ 先 慢后 快 ” ， 停 止 泵 时 “ 先 快后 慢” ， 能有效 地减 少水锤 的 冲击 。具体 布置 如 图 1所示 。 ， ， ， 。 3 辟厂 目 A 5 l 面 一一 D 甲 T 一 一 水仓 6 1 离心泵 ； 2 电机； 3 射流泵 ； 4 过滤网； 5 一压力表 ； 6 电 磁 液动缓闭闸阀； 7 逆止阀 ； 8 真空仪 ； 9一 电磁阀 图 1 管道 系统布置 Fi g 1 Pi pi ng s ys t e m a r r a ng e me nt 3硬 件 系统设 计 3 1系统 拓扑 结构 测控 系统共有 三层 结构 ： 底层测 控 网络 、 现 场监 控平台和井上监控中心。底层测控网络 由传感器和 执行机构组成 ， 负责信号的上传和命令的执行 ； 现场 监控平台由 P L C、 振动信号采集仪 、 显示屏等组成 ， 其内部的程序负责水泵房的 自动化运行； 井上监控 中心 由工 控 机 、 UP S不 问断 电源 和数 据 库 等 组 成 ， 运 行着上 位机 监控 软 件 ， 能对 排 水 泵进 行 远 程监 控 并对设备运行数据进行保存 。测控系统拓扑结构如 图 2所示 。 井 l 监控中心 l c ! l 现场监控平臼 信号输入 电机 l 排水泵 l i 排水 管 l 1 水仓 l 1 j l 嚣 l l 控制信号输出 乜磁 液动 缓闭 闸阀 继 电器 流 泵 图 2 测控 系统拓扑结构 Fi g 2 Top o l o g i c a l s t r uc t u r e o f me a s ur e me nt a n d c o nt r ol s y s t e m 3 2关键 测控设 备 1 ) S I MAT I C S 7 3 0 0测控 系统 水 泵 电 机 S I MAT I C S 7 3 0 0是一 种 中小 型测控 系统 ， 适 用于复杂的工业 现场。C P U3 1 4 c 一2 d p内部集 成 部分 I o 接 口， 扩 展 时 可 以根 据 需 要 配 置 I O 模 块 ； C p 3 4 3 通 讯模 块 ， 可 使 P L C与 井 上监 控 中 心 实 现 以太 网通讯 ， 速 率 1 0 1 0 0 Mb p s自适 应 ， 能 够满 足准确传输大量数据的需要。具体设备选型如表 1 所示 。 表 1 P L C 系统 选 型 Ta b l e 1 PLC s y s t e m s e l e c t i o n 2 ) 电磁一 液动缓闭闸阀 该阀依靠 自身管 内介质压力作动力源， 在 P L C 电控设备的配合使用下， 可实现 自动控制、 远程控制 及 机 电一 体化 。 水 泵启动 时 ， 当水 泵达 到正 常运转 后 ， 阀 门 自动 先 慢后 快开 启 ； 关 泵 时 ， 阀 门开 始 先 快 后 慢 进 行 关 闭， 当即将完全关闭时， 水泵 自动停止运转 ； 突然停 电时 ， 阀 门利用 管 道 回流 介 质 自动 先 快 后慢 进 行 关 闭 ， 这种 先快后 慢 的关闭 动作 ， 能够有 效地 减小水 锤 对 管 网的破坏 。 4 软 件 系统 设 计 4 1 P L C程序设 计 1 ) 主测 控程 序 主测 控 程序 主 要是 根 据水 位 情况 进 行 控制 的 ， 共设 有 3 个 水位 点 ， 分别 是 水 泵关 闭水 位 H。 、 水 泵 启动 水位 H 和预警水 位 H ， 具体 数据 根 据现 场实 际情 况进行 设置 ， 如 图 3所示 。 主测 控程 序 的 设 计 思 路 是 当水 位 到 达 H 点 时 ， 启动工作组水泵 ； 当水位到达预警水位时， 再启 动备 用 水 泵 ， 全 力排 水 ； 当水 位 到 达 H。点 时 ， 水仓 水位 很低 ， 水泵 全部停 止运 转 。 主测 控程序 控制 流程 如 图 4所示 。 2 ) 水 泵开机 程序 水泵 在收 到启动命 令 后 ， 首先 关 闭排水 闸阀 ， 启 第 6期 刘 畅等 ： 基 于 AHP的尾矿库灾害风险评估方法研究 9 l 参 考 文 献 梅国栋 ， 王云海 我 国尾 矿库事 故统计 分析 与对策 研究 J 中国安全 生产科 学技术 ， 2 0 1 0 ，6 ( 3 ) ： 2 1 1 2 1 3 Br o wn C A ，Gr a h a m W J As s e s s i n g t he t h r e a t t o l i f e f r o m d a m f a i l u r e J Wa t e r Re s o u r c e s B u l l e t i n ，1 9 9 8 ， 2 4 ( 6 ) ： 7 2 77 王 涛， 侯克鹏 ， 郭振世 ， 等 层次分析 法( AHP ) 在尾矿库 安全 运行分析中 的应用 J 岩土工程 ，2 0 0 8 ，2 9( 增 刊)：6 8 0 6 8 6 郭金玉 ， 张忠彬 ， 孙庆云 层次分析法的研究与应用 J 中国 安全科学学报 ， 2 0 0 8 ，1 8 ( 5 ) ： 1 4 8 1 5 3 S a a t y T L Ho w t O ma k e a d e c i s i o n：t he a n a l y t i c a l h i e r a r c h y p r o c e s s E J I n t e r f a c e s ，1 9 9 4 ，2 4 ( 6 ) ：1 9 4 3 高 扬 ， 牟德一 航空安全评估中的层次分析法一AHP J 中 国安全科学学报 ，2 0 0 0 ， 1 0 ( 3 ) ： 3 8 4 1 李全 明， 王云海 ， 张兴凯 ， 等 尾矿库溃坝灾害因素分析及 风险 指标体 系研究 J 中国安全生产科学技术 ，2 0 0 8 ， 4 ( 3 ) ：5 0 5 3 王 兵 ， 王飞跃 ， 金永健 ， 等 尾矿 坝溃坝模 型研究及 应用 J 中国安全科学学报 ，2 0 0 8 ， 1 8 ( 4 ) ： 1 6 9 1 7 2 9 谢旭 阳， 王云海 ， 张兴凯 ， 等 尾矿库 区域预警指标体系的建立 口 中国安全科学学报 ， 2 0 0 8 ， 1 8 ( 5 ) ： 1 6 7 1 7 1 1 0 李玉明， 张嘉勇 ， 赵礼兵 基 于层次分析法建立瓦斯 事故评价 模 型 J 煤炭技术 ，2 0 0 6 ， 2 5 ( 9 ) ： 6 6 6 7 H 樊晓一 ， 乔建平 ， 陈永波 层次分析法在典型滑坡危险度评价 中的应用 J 自然灾害学报，2 0 0 4 ， 1 3 ( 1 ) ： 7 2 7 6 1 2 荆全忠 ， 姜 秀慧 ， 杨鉴淞 基 于层次分析法 ( AHP ) 的煤矿安 全生产 能力指标体系研究 J 中国安 全科学学 报，2 0 0 6 ， 1 6 ( 9 )： 7 4 7 9 1 3 田文旗 ， 薛剑光 尾矿库安全技术与管理 M 北京 ： 煤炭工 业出版社 ， 2 0 0 6 1 4 3 朱君星 ， 李 彩丽 不确定型层次分析法在尾矿库 安全评价 中 的应用 J 金属矿 山，2 O 1 o ( 8 ) ： 1 6 7 1 7 0 1 5 邓 彤 ， 谢贤平 ， 杨如馨 国 内外尾矿 库灾害 防治经验教训及 对策措施 J 有色金属科学与工程 ， 2 0 1 1 ， 2 ( 2 ) ： 7 0 7 3 1 6 何衍兴 ， 梅甫定 ， 申志兵 我 国尾矿库安全现状及管理措施探 讨 3 3 安全与环境工程 ， 2 0 0 9 ， 1 6 ( 3 ) ： 7 9 8 2 1 7 门永生 ， 柴建设 我国尾 矿库安全现状 及事故防 治措施 刀 中国安全生产科学技术，2 0 0 9 ， 5 ( 1 ) ： 4 8 5 2 ( 上 接第 7 3页) 5 2排 水泵 参数 主要有水泵真空度 、 壳体振动和前 、 后轴承温度 等参数。水泵真空度是在泵启动时作为是否开启闸 阀的依据 ； 若轴承损坏 、 润滑冷却不足等将会使泵体 的 轴承温 度 上升 ， 若 超 过一 定值 ， 必须 停 机检查 。 5 3 管 道 参数 主要 有 排水 管压力 和 流量 。压力 和 流量 主要用 来 评价 管道 输送 是否 正常 。 5 4水 仓水 位参 数 水仓水位是测控 系统的主要控制信号 ， P L C控 制器会根据水位的变化判定是否增加或减少水泵 。 为 了对水 位 变化 进行 准确 掌 握 ， 系统 选 用 浮 球 式 液 位传感器 ， 其输出量为模拟量 ， 能连续地监测水位 。 6 结 语 该系统与传统 的手动操作 的排水泵房相 比， 具 有 以下 优点 。 1 ) 提高了水泵 的自动化和信息化水平 ， 方便 了 矿 山设 备 的管理 。 2 ) 能 根据水 位 的 变化 ， 及 时 投 入 或停 止 备 用水 泵 ， 反 应迅 速 ， 确 保矿 山 的安 全生 产 。 3 ) 能记录水泵机组运行 的关键参数 ， 使管理者 能够对 设 备 的健 康 状 态进 行 评 估 ， 做 出更 有 针 对性 的检 修安 排 。 4 ) 节 省 了劳动 力 ， 提 高了水 泵 的工作效 率 ， 减 少 了企 业 的运 营成 本 。 参 考 文 献 中国标准 出版社第二编辑室 金属非金属矿 山安全 规程相关 标 准汇编 M 北京 ： 中国标 准出版社 ，2 0 0 9 孙大鹏 ， 金 强 矿井 主排水泵 自动控制的研究 J 矿山机械 ， 2 0 07 ，3 5 ( 4 )： 1 3 8 1 3 9 宋玉峰 矿井排水 自动化监控 系统研究 J 机 械管理开发 ， 2 0 1 0，2 5 ( 1 )： 5 7 5 9 王 华 ， 王言堂 ， 刘 猛 矿井 中央水泵房 自动 化排水 系统 的设 计 J 煤 矿机 电，2 0 1 0 ( 5 ) ： 2 7 3 2 程智勇 ， 郭文秋 主排水泵房远程监控集控系统的研究与应用 口 山东煤炭科技 ，2 0 1 0 ( 4 ) ： 1 5 6 1 5 7 崔和平 电动机振动原因及故障处理方法 J 中国新技术新 产 品 ， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 2 7 O 口 嘲 嘲 嘲