水泵房自动排水设计.docx
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水泵房自动排水设计
二采区泵房自动化系统
技术说明书
徐州圣能科技有限公司
目录
1.概述3
1.1系统参数3
1.2所有权信息3
2.技术要求3
2.1设计依据3
2.2设计原则4
2.3设计引用标准5
2.4系统要求5
2.5应用软件6
2.6接入设备7
2.7环境要求7
2.7.1环境温度和湿度要求7
2.7.2供电电源和接地8
2.7.3通风冷却要求8
2.7.4振动测试要求8
2.7.5抗电磁干扰要求8
3.泵房控制系统结构设计9
3.1水泵控制对象﹑控制点位和保护对象9
3.2水泵控制设备的选型设计10
3.3水泵控制系统主要功能及要求10
3.3.1数据采集与检测11
3.3.2水泵自动轮换11
3.3.3自动控制11
3.3.4动态显示12
3.3.5通讯接口13
3.3.6系统功能及特点14
1.概述
为了进一步提高矿井综合自动化管理水平，达到减人提效、节能减排目的，按照国家煤炭工业局下发《关于推进煤炭企业信息化工程的意见》、《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知》的通知要求，结合矿井实际情况，认真落实井下泵房应用无人值守和远程监控系统的实施意见，认真组织对****泵房排水系统设备远程监控系统的调研和方案论证。
1.1系统参数
二采区排水泵房现状
现安装五台MD280-43×6扬程258m,流量280m3/h型多级离心水泵，设两排φ219×12-497m无缝钢管排水管路通过钻孔直接向地面排水。
1.2所有权信息
徐州圣能科技有限公司针对****煤矿泵房自动化控制系统提供本技术方案。
本技术方案的所有权归属徐州圣能科技有限公司，如果没有征求卖方的同意和允许，不得复制、发表和提供给其他任何人或单位。
2.技术要求
2.1设计依据
（1）设计方案根据***煤矿安全生产泵房自动化监控实际要求而做出。
（2）系统设备符合平朔煤炭工业公司安家岭煤矿生产环境条件，符合《煤矿安全规程》相关要求。
《爆炸性环境用防爆电气设备防爆型电气设备》；
《爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备》；
《煤炭工业矿井设计规范》
相关制造厂商技术资料；
《煤矿安全规程》（2005）；
《电工电子产品环境条件》GB4796
《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》GB20062
《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50058
《低压电器电控设备》GB4720-84
《电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施式及验收规范》GB50171-92
《低压开关和控制设备的外壳防护等级》IEC144
《可编程仪器的数字接口》ANSI488
2.2设计原则
该控制系统是由地面操作员站、井下控制主站和水泵控制分站三部分组成。
主站控制器采用罗克韦尔ControlLogix系列PLC，站内主控PLC以太网模块分别通过通讯管理机上传地面调度室，。
PLC控制站对泵房内排水泵、射流系统、抽真空系统、管道电动阀门和水泵轴震动等装置实施了自动控制及运行参数自动检测，通过检测水仓水位、电机电流、电机电压、闸阀开启度、流量、真空度等参数，控制水泵工作。
控制操作台设有9701-VWSS025AENE液晶屏，就地实时以图形、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、电机温度、水泵温度、排水管流量、水泵真空度等参数。
与分站通讯控制水泵轮换工作，合理调度5台水泵运行。
另外一个串口通讯模块与每个分站上的温度巡检仪通讯，检测每台电机和泵的轴温。
通讯管理机将各种数据信息传送到地面生产调度中心和生产设备控制中心，地面操作员站进行实时监测监控及报警显示、故障历史查询、模拟量曲线显示和报表打印。
该系统具有运行可靠、操作方便、自动化程度高等特点。
图2-1泵房系统图
2.3设计引用标准
《煤矿安全规程》
《煤矿设计规范》
《爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备要求》GB3836.4-83
《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》GB3836.1-83
《矿用一般型电气设备》GB12173-90
《煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求》MT209-90
《工业自动化仪表工程施工及验收规范》GBJ93-86
《工业企业通信设计规范》GBJ42-81
《通用用电设备配电设计规范》GB50055-93
2.4系统要求
控制系统由地面控制台、井下控制分站组成，控制器选用罗克韦尔ControlLogix系列PLC，实现就地一键控制、地面远程控制和检修控制三种模式，远程控制可以分为联锁控制、集中一键控制和单机分步控制等多种控制模式，可以供操作者根据现场实际情况灵活选用，确保在系统正常运行时操作灵活、易于维护，在系统出现故障或通讯中断时本地可以就地控制确保水泵设备的正常运行，提高系统的稳定性。
实现水泵的自动控制和无人值守。
控制设备或传感器的选型满足煤矿安全生产的有关规定。
充分满足现场运行、检修要求。
保证整个系统运行可靠、故障率低、维护方便、修改灵活。
系统具有灵活、可靠的控制功能，简单实用，易于掌握，人机界面友好。
系统具有自诊断功能，并具有语音、图象以及报警功能。
系统具有实时数据采集、处理及显示功能。
2.5应用软件
在统一提供的控制软件平台（平台选用国际主流组态软件ifix4.0）上进行软件的开发：
1．在标准画面和用户组态画面上设定、汇集和显示有关的运行信息，供运行
人员对设备的运行工况进行监视和控制。
2．要求应用软件能够监视或控制本工艺点的生产过程画面及生产实时数据。
3．应用软件采用组态软件、模块化设计。
4．应用软件应具有汉化界面。
5．应用软件应具有报警处理功能：
在任何时间和任何显示工作站均应能在画
面顶部或底部显示出总的报警信息，包括报警设定值（报警条件）、报警值、报警状态、报警时间。
这些报警信息能使操作人员可以快速地调用与本报警有关的画面，以得到可以寻找故障原因的详细资料。
所有的报警信号应以时间先后排队，对历史报警队列，操作人员可以从键盘上的一个专用键或鼠标来获取。
历史报警队列在画面上应采用颜色的闪烁和颜色的变化来表示一个报警信号是否被确认和是否已恢复到正常的工况。
对于末确认的报警应持续发出声光报警，直至值班人员确认，还应依据报警信号重要性动态改变报警级别。
6．应用软件在控制人机界面设计上应满足：
1）人机界面应运用开放系统的图形窗口技术。
2）友好的操作人员界面。
3）程序员可在线修改和编辑画面。
4）带有详细的联机帮助功能。
7．应用软件应具有安全登录和密码保护功能
设计监控对应多个操作级别，对各个级别的操作都设置密码，并能记录操作人员工号、操作内容、时间等，防止非法操作，确保排水设备安全有序运行。
2.6接入设备
接入设备的选用要考虑很多的因素，尤其重要的几点包括：
标准化、可靠性、可扩展性等。
1.标准化：
接入设备从设计、技术和设备的选择，为确保不同PLC厂家设
备、不同应用、不同协议连接，必须在最终接入工业以太网时支持国际标准的网络接口和协议，以提供高度的开放性。
2.高可靠性：
接入设备本身不应对通讯网络（PLC总线、工业以太网络）的
可靠性产生影响。
3.可升级和可扩展性：
随着技术不断发展、新的标准和功能不断增加，接入
设备必须可以进行固件升级，已提供更先进、更多的功能。
4.高性能：
接入设备应具备独立的数据处理能力，能够不依赖于现有PLC处
理器的处理能力，同时接入设备不应对现有PLC系统的性能造成较大的影响，确保控制逻辑的正常处理，确保生产的安全。
5.接入设备不应造成网络通信的瓶颈，为确保监控的实时性，接入设备与PLC
设备连接一侧通讯速率应不低于该类PLC之间互连所采用总线的最低通信的速率。
2.7环境要求
2.7.1环境温度和湿度要求
海拔高度1400m；
工作温度-10～60℃
存储温度-40～85℃
工作湿度5～95%
保护等级IP54（不低于）
防爆类型隔爆，本安
环境温度-5°～+40℃；
电网为50Hz正弦波，电压幅值波动-10%～+10%；
2.7.2供电电源和接地
交流电源
标称值（V）：
127/660VAC
电压波动范围：
127/660VAC±10％，50Hz±5％。
2.7.3通风冷却要求
1.电源设备发生故障或工作不正常时，要送出可视和可闻告警信号，并且告警状态能在上一级监控系统中得到反映。
2.应详细说明电源中断时对存储器（RAM、ROM）的影响和保护措施。
3.供电系统某支路发生故障及在起弧过程中产生尖锋电压不应在设备上造成故障。
4.通风：
自冷方式；散热方式：
自然散热。
2.7.4振动测试要求
经过振动检验后，设备性能应无改变。
应采用以下参数进行测试：
震动10～150Hz5.0G最大峰值加速度
认证机构UL,SA,CE等
2.7.5抗电磁干扰要求
系统应能在电子噪声、射频干扰及振动都很大的现场环境中连续运行，且不降低系统的性能。
系统设计应采用各种抗干扰技术，包括光电隔离、高共模抑制比、合理的接地和屏蔽。
在距电子设备1.2米以外发出的工作频率达200MHz--900MHz、功率输出达5W的电磁干扰和射频干扰，应不影响系统正常工作。
3.泵房控制系统结构设计
3.1水泵控制对象﹑控制点位和保护对象
（1）水泵系统（以3台水泵为例）：
图3-1泵房监控系统图
（2）水泵配电控制柜：
控制系统就地显示控制可采用罗克韦尔液晶触摸屏9701-VWSS025AENE完成，可显示水泵电机的电压，电流以及功率因数；通过指示灯显示水泵及附属设备的工作状态；水泵的开停及附属设备开停控制，能对水泵进行就地控制，可作为水泵的操作柜。
显示屏具有DH+、RS485通讯接口，通过以太网或工业总线接口与上级监控系统完成通讯，实现远距离监控。
监测需要的所有信号，经传感器检测，送入相应的信号变送器变成标准的4～20mA信号或1～5V信号，由变送器送入1756控制器配置的I/O模块，实现对原始一次信号的采集，实现对所监测信号的采集与传输，包括所需的电气参数、水泵系统工作状态、故障等信号等。
同时能接受上级监控系统传来的各种动作指令和保护调试指令并可靠执行，实现远方操作或自动化运行控制、接受解锁命令后能修改参数设定等。
（3）水位检测、流量检测：
超声波水位计、超声波流量计信号接入。
（4）射流系统：
真空度检测、射流电磁阀控制、排气管路电磁阀控制等。
（5）抽真空系统：
抽真空电机控制、排气管路电磁阀控制、真空度检测等。
3.2水泵控制设备的选型设计
根据排水泵的工作要求及以后实现煤矿综合自动化的需要等考虑，对排水系统实行远程监控和就地控制，把所监测到的信号经传感器检测，送入相应的信号变送器变成标准的4～20mA信号或1～5V信号，由变送器再送入1756控制器配置的I/O模块，PLC的信息通过光电转换模块转换,数据信息和控制信息通过工业以太网进行传输，不具备工业以太网平台条件的通过矿井光纤传输至地面上位机中，实现集中控制。
上位机具备双机热备功能，同时设有一个触摸屏和PLC连接,可显示水泵系统工作状态模拟图,各种运行参数和电气参数。
3.3水泵控制系统主要功能及要求
实现水泵运行自动化,保证水泵安全稳定运行。
水泵自动控制系统包括数据采集、水泵自动轮换、水泵自动控制、状态动态显示、故障报警和数据上传等6个部分。
如图3-2所示
图3-2水泵自动化控制程序系统图
3.3.1数据采集与检测
系统采集与检测的数据：
模拟量为电机电流、电机温度、水泵轴温、闸阀开度、出水口压力、水仓水位、主排水管流量、真空度；数字量有：
电动闸阀的开关限位、电磁阀状态、电机运行返回、电机故障点、电动阀的工作状态与开关限位、射流泵工作状态。
数据采集主要由PLC实现，PLC通过超声波水位计连续检测汲水小井水位，将水位变化信号进行转换处理，计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，自动投入或退出水泵。
电机电流、水泵轴温、电机温度、排水管流量等传感器，主要用于监测水泵、电机的运行状况，温度超限报警。
PLC采集各种系统中各个设备状态的开关量信号进行处理，控制每个水泵系统的启停。
3.3.2水泵自动轮换
为了防止备用泵、电气设备和备用管路长期不用而导致设备受潮或出现其他故障未经及时发现，当工作泵出现紧急故障需投入备用泵时，而不能及时投入以至影响矿井排水安全，本系统程序设计了5台泵自动轮换工作，控制程序将水泵启停次数及运行时间和管路使用次数及流量等参数自动记录累计，系统根据这些运行参数按一定规律自动启停水泵，使各水泵及其管路的使用率分布均匀，当水泵在启动或运行过程中出现故障时，系统自动停止故障水泵、投入新的水泵排水，实现水泵自动轮换工作，同时系统自动发出声光报警，并在操作屏和地面操作站上动态闪烁显示，记录事故，达到有故障早发现、早处理。
3.3.3自动控制
系统控制设计选用了罗克韦尔ControlLogix为控制主机，该PLC为模块化结构，由1756控制器、数字量I/O、模拟量输入、通讯口等模块构成。
PLC自动化控制系统根据水仓水位的高低或者根据井下用电负荷的高、低峰和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段等因素，建立数学模型，合理调度水泵，自动准确发出启、停水泵的命令，控制5台水泵运行。
为了保证井下安全生产，系统可靠运行，水位信号是水泵自动化一个非常重要的参数，因此，系统设置在不同水舱的两套超声波水位传感器，PLC将接受到的模拟量水位信号分成若干个水位段，计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，也本系统可以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，控制在用电低峰和一天中电价最低时开启水泵，用电高峰和电价高时停止水泵运行，以达到避峰填谷及节能的目的。
3.3.4动态显示
就地动态模拟显示选用罗克韦尔公司9701-VWSS025AENE操作屏，地面操作站系统动态模拟显示采用iFix4.0组态软件开发，系统通过图形动态显示水泵、真空泵、电磁阀和电动闸阀的运行状态，采用改变图形颜色和闪烁功能进行事故报警，直观地显示电磁阀和电动闸阀的开闭位置，实时显示水泵抽真空情况和出水口压力值。
用实时趋势图方式和数字形式准确实时地显示水仓水位，并在启停水泵的水位段发出预告信号和低段、超低段、高段、超高段水位分段报警，用事先录制的语音提示形式提醒操作人员注意。
采用图形、趋势图和数字形式直观地显示2趟管路的瞬时流量及累计流量、水泵轴温、电机温度等动态值，超限报警，自动记录故障类型、时间等历史数据，并通过每台水泵的流量计算出水泵的有效功率，以提醒巡检人员及时检修或更换水泵。
系统画面参照如下：
图3水泵房系统示意图
图4水泵房实时报警示意图
图5水泵房操作记录示意图
3.3.5通讯接口
PLC通过485通讯协议与操作屏进行通讯，将水泵机组的工作状态与运行参数传至操作屏，完成各数据的就地动态显示；通过工业以太网通讯协议由井下光纤，将水泵机组的运行状态、参数传至地面生产指挥调度中心或机电控制中心，在地面生成图形、趋势图和数字形式等直观的界面信息，开放通讯协议，在地面监控中心有上位机，上位机通过OPC接入全矿井安全生产自动化控制网，管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态，又可根据自动化控制信息，实现井下主排水系统的三遥，并为矿领导提供生产决策信息。
操作屏与监测监控站均可动态显示主排水系统运行的模拟图、运行参数图表，记录系统运行和故障数据，并显示故障点。
3.3.6系统功能及特点
1．PLC控制程序采用模块化结构，系统可按程序模块分段调试，分段运行。
该程序具有结构清晰、简捷、易懂，便于模拟调试，运行速度快等特点。
2．PLC自动检测水位信号，计算单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，自动投入和退出水泵运行台数，合理地调度水泵运行。
3．系统根据水位和压力控制原则，自动实现水泵的轮换工作。
4．系统具有通讯接口功能，PLC可同时与操作屏及地面监测监控主机通讯，传送数据，交换信息，实现水泵自动监控功能。
5．系统可根据投入运行泵组的位置，自动选择启动射流泵，若在程序设定的时间内达不到真空度，便有报警输出。
6．在操作屏上动态监控水泵及其附属设备的运行状况，实时显示水位、流量、压力、温度、电流、电压等参数，超限报警，故障点自动闪烁。
具有故障记录，支持历史数据查询等功能。
7．系统保护功能有以下几种：
超温保护：
水泵长期运行，当轴承温度或定子温度超出允许值时，通过温度保护装置及PLC实现超限报警。
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停止运行，自动转换为启动另一台水泵。
电动机故障：
利用PLC及触摸屏监视水泵电机过电流、漏电、低电压等电气故障，并参与控制。
电动闸阀故障：
由闸阀的限位、开度指示检测故障，并参与水泵的联锁控制。
8．系统控制具有自动、半自动和手动检修3种工作方式。
自动时，由PLC检测水位、压力及有关信号，自动完成各泵组运行，不需人工参与；半自动工作方式时，由工作人员选择某台或几台泵组投入，PLC自动完成已选泵组的启停和监控工作；手动检修方式为故障检修和手动试车时使用，当某台水泵及其附属设备发生故障时，该泵组将自动退出运行，不影响其它泵组正常运行。
PLC柜上设有该泵的禁止启动按钮，设备检修时，可防止其他人员误操作，以保证系统安全可靠。
系统可随时转换为自动和半自动工作方式运行。
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