煤矿主排水泵计算机远程监控系统设计.doc

煤矿主排水泵计算机远程监控系统设计

摘　要: 　针对煤矿主排水泵的特点和当前测控技术发展,本文介绍了一种基于模块化的煤矿井下
主排水系统计算机监控系统。该系统实时采集水泵系统的运行参数自动控制水泵的启、停和切换
故障机组,具有语音报警、报表输出及水泵性能测试等功能,对实现煤矿主排水泵的自动化管理具
有参考价值。
关键词: 　煤矿;主排水泵;计算机监控
　针对煤矿主排水泵的特点和当前测控技术发展,本文介绍了一种基于模块化的煤矿井下主排水系统计算机监控系统。该系统实时采集水泵系统的运行参数自动控制水泵的启、停和切换故障机组,具有语音报警、报表输出及水泵性能测试等功能,对实现煤矿主排水泵的自动化管理具有参考价值。
　　煤矿井下排水系统是煤矿生产中的主要工作系统之一,它承担排出井下全部涌水的重要任务,是保证煤矿安全生产的关键设备。排水系统是煤矿生产的耗电大户,占全部生产用电的13 %～18 %。因此有效地控制排水系统,使其高效低耗、经济可靠地运行对煤矿安全生产意义重大,也是降低煤炭生产成本的有效途径。本文设计了一套主排水泵计算机远程监控系统,采用先进的测控技术和设备,实时监测排水系统各项运行参数,计算排水系统的运行效率是否达要求,判断设备检修质量是否符合标准,根据用电的波峰时段自动控制排水泵的运行。对保证设备的安全、经济运行有重大意义。
1 　监控系统对象和主要功能
(1) 监控对象:
本系统的监控对象为5台HDM420X8分段式多级离心泵, 其中1#、2#、3#泵安装在外仓，4#、5#泵安装在中仓。拖动电机功率为1400kW、电压为10KV,型号为YB 710M2的隔爆型三相异步电动机，启动时由井下中央变电所高压柜直接起动。各水泵吸水管独立,离心泵的出口设有4趟管路，每台泵具体使用哪趟管路由设在4趟管路上的20个液压阀控制，液压系统由1个液压站（液压站设有2台油泵，油泵所配电机为YBX160M1-4 11KW 660V）和20个液压阀组成。除此之外泵房还安装了两台型号为2BE1-103水环式真空泵（一用一备，拖动电机型号为YB2-160M-4）为离心泵抽真空。排水系统的效率是由水泵、电动机、管路传动效率综合决定的,实际运行中电动机、传动效率比较稳定,而水泵、管路效率则是影响排水系统工作效率的主要因素。因此,本系统需要监测的主排水泵和电机的主要工作参数为:水泵的流量、出口压力、入口真空度,电机的电压、电流和功率等。
(2) 主要功能
1) 实时检测各水泵的入口流量qv (m3/ s) ,入口真空度P1 (KPa) ,出水口压力P0 (MPa) 。
2) 实时检测各水仓水位hc (m) ,在水位高、低限及增长速度过快时报警。
3) 实时检测各电机的电压、电流、有功功率Pdr (kW) 、电动机轴承温度和定子温度 。
4) 根据各检测参数和输入参数,计算出排水系统的管路效率ηg 、水泵效率η和排水系统效率ηx及吨水百米电耗Wt. 100等数据。
5) 定时记录各项数据,能自动生成日报表、月报表和年报表。
6) 满足离心式水泵性能测定要求,自动生成水泵性能测试报告和有关性能曲线。
7) 根据定时设置自动启动/ 停止水泵,自动切除故障机组;实现远程控制功能,调度人员在地面上可以远程控制各水泵的运行,实现无人值守,达到管控一体化。
2 监控系统硬件组成
本系统由现场检测仪表和远程监控单元组成。由于煤矿井下情况复杂,条件恶劣,要求系统可靠性高、抗干扰能力强及维护简单,故现场测控单元专门选择了西门子公司的S7-300系列PLC,采用远程I/O扩展模块方式;远程监控计算机可以根据需要安装在井下中央变电所、地面运转工区或调度室,由工业控制计算机和联网设备组成。整个系统的网络结构如图1 所示。

图1
1) PLC监控模块
a. CPU为性价比较高的CPU313C-2DP，本CPU带有一个MPI接口和一个Profibus－DP接口，128KB RAM存储器；DI/DO为16384，集中配置为1024；AI/AO为1024。
b. 模拟量输入模块AI：选用6ES7331-7KF02-0AB0模块，其技术参数为：
8点（4～20mA）／4点（热电阻）／可组态／最大输入电流40 mA／可对二线制变送器供电／分辨率14位＋符号位。
2) 信号采集传感器
a. 智能电量采集模块本系统对各电动机的三相电压、电流和有功功率等电量参数的检测选用长江斯菲尔公司的JDS194-BS4P/Q4T型智能电量变送器。该变送器输出4-20mA模拟量信号,实现对电压、电流、功率、及功率因数等电量进行高精度的测量;能有效克服共模干扰,不受谐波成分的影响,适于复杂环境电量测量。
b. 超声波流量计: 外夹式超声波流量计系列测量满管的液体流量计，选择隔爆兼本质安全型，隔爆等级Exd[ib]ⅡBT6，并可选择本质安全型遥控器，防爆等级ExibⅡBT6， 能够完成固定和移动测量。采用专用耦合剂（室温固化的硅橡胶或高温长链聚合油脂）安装，安装时不损坏管路。
c. 超声波液位计
防爆超声波液位计内置温度补偿，功率自适应，可拥有信号处理技术等，提高了仪表的测量精度。对干扰回波有明显得抑制功能。爆超声波液位计采用金属铝合金压铸外壳，外观漂亮，并有很好的防护能力。仪表采用工业隔离电源，所有的输入、输出线上都有防雷、过压、过流保护电路。爆超声波液位计是一种非接触式仪表，不跟液体直接接触，故障率较低。同时仪表安装时，不需要清罐、不影响生产的正常运行。仪表提供多种安装方式，用户完全可以通过本手册进行仪表的标定。所有的输入、输出线均具有防雷、过流、过压的保护功能。
d. 压力传感器
CYT-102防爆压力传感器选用高精度、高稳定性的并集成数字化调理芯片，对传感器的偏移、灵敏度、温漂进行数字补偿，将被测介质的压力转换成标准电信号。高质量传感器芯体、精湛的封装技术、成熟完善的装配工艺确保了压力变送器的高质量和优异性能本产品提供多种螺纹接口形式和引线方法，能够最大限度的满足客户的需求。扩散硅充油芯体，带隔离膜片它采用了本公司的电子束焊接技术，将O E M硅压阻式充油芯体与不锈钢外壳焊接为一体。
3) 触摸屏单元
选用西门子MP-277触摸屏作为显示终端，安装在本质安全型电源控制箱的门上。其技术参数为：
显示：彩色液晶显示
尺寸（宽x高）：12.1/246 x 185
分辨率[像素]/颜色800 x 600/256色
背光管无故障工作时间：60,000小时
操作系统：Microsoft Windows
接口：RS232、RS485
CF卡存储卡（用于存档、配方、备份/恢复）
USB，串口（RS 232），网络（Ethernet）
连接至控制器的接口：SIMATIC S7（MPI），通过PROFIBUS-DP（集成）连接至SIMATIC S7
电源：24VDC
组态软件：SIMATIC ProTool或SIMATIC ProTool/Pro
4) 远程监控单元
远程监控计算机选择研华公司的IPC610 工业控制计算机,配置为PCA-6010VG /CORE 双核2.8/2GDDR/160GHDD/DVD,联网设备为光纤收发器,通过光纤和现场测控单元通讯。监控软件选用西门子公司的WINCC6.0 ,实时处理、显示并定时记录现场测控单元转发的数据；定时记录各项数据,并能够自动生成日报表、月报表和年报表;满足离心式水泵性能测定要求,自动生成水泵性能测试报告和有关性能曲线;当现场设备出现故障时能够自动弹出报警画面并语音提示;实现远程控制功能,调度人员在紧急情况下可以用自己的操作密码远程控制各水泵的运行。
3 　监控系统的软件设计
监控系统的软件包括远程监控计算机监控系统软件设计和现场PLC控制模块的软件设计程序框图如图2 所示。
系统软件设计主要以WINCC6.0 组态软件为平台编制监控软件。编写监控软件的主要工作是对采集的数据处理方法,并将这些数据以各种需要的形式(如表格、曲线) 显示并打印出来。本系统主要完成水泵的自动控制功能.

图2 　测控单元程序流程
对于水泵的轮值,为了延长水泵的使用寿命,在多台水泵控制系统中一般要求,当一台水泵工作一段时间后能自动被另一台工作时间相对短的水泵所取代或者当满足一定启泵条件时要起动累计运行时间最短的水泵。本系统中五台水泵最多启动三台,一台备用,一台检修。也就是说当水位达到某一值时启动水泵工作。这样就有三个启动水位,一个是启动一台泵水位, 一个是启动二台泵水位, 一个是启动三台泵水位。同样停泵也有三个水位点。为了防止启停泵时的冲击,要求启动或者停止时必须有一定的间隔,不能同时起或者同时停。同时还要求起动当前不在工作的余下的泵中运行时间最短的一台,停止要求先停运行时间最长的一台。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率，将水泵控制在用电低峰和一天中电价最低时开启运行，而在用电高峰和电价高时停止运行，以达到避峰填谷和节能的目的。譬如：在用电低谷时，当水位达到高位1值时，便立即起动1台泵；当水位继续上升至高位2值时，起动第2台泵，若水位继续上升到高位3值时，则起动第3台泵，同时，发出报警信号。但在用电高峰时，当水位上升至高位2值时，才起动1台泵。即当水位升至高位2值时，则不论电网负荷如何，必须起动水泵。
要实现以上流程,首先判断当前要不要启停泵,如果达到了启停泵的条件,再把各台泵当前运行的时间进行排序,得到泵的运行时间排序后就可以控制泵的启动和停止,即启动时运行时间短的泵先启动,停止时运行时间长的泵先停止。同时需要注意的是,为了避免对电网的冲击,在需要启动或停止多台水泵时,每启动或停止两台水泵必须要有一定的时间间隔。
4 　结束语
煤矿主排水泵计算机远程监控系统经实践证明设计合理,软硬件选型正确,设备运行稳定可靠,其模块化设计易于扩展、维护简单方便;系统检测数据准确,输出报表完整,符合主排水泵性能测试要求,为排水系统的及时检修提供了数据依据,提高了排水系统的运行效率和自动化管理水平。