矿井排水自动化监控系统.doc

矿井排水自动化监控系统
一、 概述
华丰煤矿属大水矿井，排水垂高大，矿井排水采取分段式集中排水方式，主排水设备控制系统仍采用继电器控制，水泵的开停及选择切换均由人工完成，系统不能根据水位或其它参数自动开停水泵，仅能实现就地的简单操作，大量的实时数据不能由地面调度人员及时监测和管理，系统运行状态以及出现故障时不能及时发现并处理，给统一调配、事故处理造成不便，而且每个泵房均设置专人专岗进行操作，生产效率、人员利用率低，人为事故率较高，直接影响井下主排水泵房的管理水平和经济效益的提高。随着计算机控制技术、通讯技术、自动化技术的迅速发展，以微处理器为核心的可编程序控制器（PLC）控制系统已逐步取代继电器控制，普遍应用自动化控制领域，为实现矿井排水系统的集中控制和管理提供了良好的技术手段，鉴于PLC控制系统的先进性和可靠性，华丰煤矿对井下中央泵房陆续进行了自动化改造。
二、自动化监控系统设计原理
（一）、现场设备参数
主排水泵为D型、MD型、PJ型离心式水泵，电机电压6KV、串电抗器启动，打真空方式为射流与真空泵。
(二)、自动化方案：
保留泵房内原水泵的控制系统，新增一套PLC控制系统与原控制系统并联，改造排水管路、抽真空管路手动闸门为带行程开关电动闸门，安装PLC控制柜及各类相关传感器，对主排水泵及其附属的抽真空系统与管道电动阀门等装置实施PLC自动控制及运行参数自动检测， 动态显示，并将数据传送到地面监控室，进行实时监测监控及报警显示。
（三）、系统设备及组成
中面泵房监控装置包括现场控制、网络传输、远程监控三部分，现场控制主要由PLC柜、就地控制箱和外围传感器组成；网络传输由传输介质、传输协议构成；远程控制由计算机（服务器）及控制软件构成。
各部分配置：
（1） PLC柜主要由可编程控制器、中间继电器、接触器、指示灯、按钮、触摸屏等组成，可编程控制器选用西门子S7-300系列，控制对象：管路电动闸阀、真空电动阀、电动机启动板；主要完成对信号的变换、放大，并由PLC运算、判断发出各种控制信号，并模拟显示水泵的运行工况。
（2） 就地控制箱主要由按钮、指示灯、现场采集模块，用于就地操作。
（3） 传感器包括水仓水位、管路流量、闸门位置行程开关，电机电流、电压、功率变送器，真空、压力变送器、温度巡检仪等组成。
（4） 网络传输采用工业以太网光纤环网，目前工业以太网作为一项比较成熟的技术已在自动化领域逐步普及，从企业决策层、生产管理调度层向现场控制层延伸，由于带宽的增加、冗余措施的加强和自诊断程序的完善，完全可以满足工矿企业自动化控制系统实时性的要求。
（5） 远程控制，由于矿井泵房及水泵数量较多，数据量较大，选用IBM机架式服务器。组态软件采用西门子WinCC，并结合STEP7 PLC程序编辑软件，可实现两台WINCC服务器热冗余，并进行WEB发布，在局域网如同本地操作员工作站一样浏览各控制系统的画面、归档数据，完成能够满足矿山自动化的需求。
三、系统功能
1、控制功能
自动化控制系统可根据水仓水位的高低、水泵的状态和用电峰谷等因素，合理调度水泵，自动准确发出启、停水泵的命令及控制管路上的电动闸门，控制水泵运行。
自动启动水泵的流程：开启真空电动阀→开起真空泵（射流泵）→检测真空度→真空度到达，启动水泵电机→开管路电动门→检测正压力、水泵电流→关闭真空电动阀、真空泵。
停泵流程：关闭电动阀门→停止水泵电机。
2、监视功能
系统的工作状态和数据监视有2种：
第一种是在各水泵系统就地控制箱上的显示灯，有下面信息的指示灯信号：高压柜合闸、高压柜短接电抗器、电动阀开到位、电动阀关到位、电动阀过转矩、电动阀开到位、真空度已到。
第二种是由PLC柜上的触摸屏和地面控制计算机组成的网络监控，在组态软件的监视画面上，详细地显示了PLC控制系统地各种工作状态和运行数据，使工作人员和管理人员不管是在现场还是在办公室都可以很方便地了解整个中央水泵系统的工作情况，为水泵系统的安全、可靠、稳定的运行提供了完整的、先进的技术保证。
3、保护功能
流量保护：当水泵启动后或正常运行时，如流量达不到正常值，通过流量保护装置，使本台水泵自动停车，自动转换启动另一台备用水泵。
电动机故障保护：利用PLC及触摸屏监视水泵电机过电流、漏电、低电压、故障，并参与控制。
电动闸阀保护：利用电动机综保监视闸阀电机的过载、短路、漏电、断相故障，并与水泵联锁控制；环行管路调节门具有自动关闭，人工开启功能，当出口闸门（立门）不能关闭时，环行管路调节门自动关闭。
真空起故障：泵排真空时间过长或泵启动后正压过低，将自动停泵。
低水位保护：水仓水位过低时，PLC自动控制水泵停泵。
超温保护：电机、水泵轴承温度过高，进行报警停泵。
禁止启动保护：设置禁止启动按钮，设备检修时可防止其他人员误操作。
四、水泵自动化系统应用体会
1、 启动时水泵真空度的判断是关键，水泵自动化系统控制成功的关健在于PLC对水泵启动时真空度的到达判断，由于泵启动需要的真空度根据水仓水位的高低是实时变化的值，不能用一个固定数值做为基准。在最初的设计中采用较多是采用电接点真空表，实践证明在水仓较高或较低水位时，很难成功实现自动开泵。通过改进，目前传感器较多是采用真空变送器， PLC通过水仓水位仪实时监测水仓水位，并计算泵启动所需的实际真空度，与真空变送器监测结果进行比较，当泵内真空达到要求时，加20至30秒的延时再启动水泵电机，取得了良好的结果，泵由于真空度到位判断失误造成启动失败的现象很少发生。
2、 水泵真空管路阀门的可靠性是水泵控制的薄弱环节，最初水泵真空管路阀门采用防爆电磁阀，由于矿井水含有杂质较多，防爆电磁阀通径小，造成打真空时间较长，易出现堵塞现象；采用射流泵打真空时，由于管路压力过大，防爆电磁阀易出现打不开现象或管路振动现象，而且电磁阀原理，工作需要长时带电，线圈工作寿命较短，以上问题严重影响了排水自动化系统的使用。通过改进，采用电动球阀替代电磁阀，具有高可靠性、通径大、低功耗、长寿命等优点，彻底解决了控制的薄弱环节。
3、 泵房视频监控也一直很难解决，华丰矿属于大于矿井，泵房一般泵数量在三台以上，最多的达9台，井下常用的固定摄像仪很难对整个泵房每台水泵进行直观的监视。目前市场出现了矿用防爆摄像仪云台一体机，集高清晰黑白摄像机、六倍变焦镜头、全方位云台于一身，实现能作水平、垂直、全方位旋转。并能直接接入工业以太网，实现网络远程控制，大大扩展了视频监控范围。
五、结论
华丰煤矿中央泵房自动化监控系统，通过检测水仓水位和其它参数，控制水泵轮流工作与适时启动备用泵，合理调度水泵运行。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、排水管流量等参数，并通过通讯模块与综合监测监控主机实现数据交换。该系统具有运行可靠、操作方便 、自动化程度高等特点，并可降低水泵的运行费用，具有良好的安全社会效益和推广前景。
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