煤矿泵房自动化排水系统设计方案.doc

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XXX煤矿泵房自动化
排水系统设计方案

常州兰陵阀门控制有限公司
联

序言
安全、优质、节能、高产、减少岗位人员、提高劳动效率最终达到降低成本，增强企业市场竞争能力，企业要生存、要发展，必须走安全、高效、高产实现矿井自动化之路，通过提高自动化控制水平，实现健全、全矿井的自动化、信息化网络化建设，提高管理管理水平，做到安全生产，减员增效，提高生产率。而井下自动化排水系统是井下自动化系统的重要组成部分。
全矿井中央水泵控制系统主要由两部分组成：井上监视、控制部分和井下中央水泵房排水控制部分。
1、井上监视、控制部分
采用上位机控制，用于实现全矿井水泵控制系统的地面监控与井下的数据传输、并配有功能强大的软件操作系统，用于实现全矿井的排水控制与监控，通过矿井网络系统将信息传送到全矿井综合自动化平台，全矿井综合自动化平台对有关信息进行分析后在WEB网页上发布，实现信息的共享。该系统软件功能强大，界面直观，操作简便，功能齐全，形象逼真的动态画面和全中文显示，还具有实时报警监视、数据采集、处理、显示及打印功能，安全确认机制和历史数据记录功能。
在工控机通过局域网与工控机连接的计算机都可浏览各水泵的运行状态及其信息。计算机和系统软件留有足够的冗余和以太网、OPC接口，可以方便地进行扩展，为实现全矿井综合自动化奠定基础。各监控系统实时采集生产工况参数，可以采用图形、报表的形式显示系统的实时工况。
该系统优化了生产计划，在服务器中建立了综合历史数据库，定时将水泵控制站的运行时间、水仓水位、流量等数据存入数据库中，便于统一管理，更好的利用峰谷电差价降低生产成本，设定不同的使用权限，各司其职。
2、中央水泵房控制部分
中央水泵房控制部分由PLC可编程控制箱、水泵综合控制箱和各种传感器组成，具有以下功能。
自动启泵过程：综合控制箱与PLC结合可实现水位自动监控，系统可根据水位的高低准确地发出开、停泵指令。当水位达到高位时，立即起动；当水位继续上升至高位极限水位时，系统根据诊断结果，起动备用水泵，以最大的排水能力来排除矿井涌水。不论起动几台水泵，当水位按要求逐渐下降过程中，系统会逐渐减少运行水泵的数量。
当以太网或PLC编程箱发生故障时，水泵综合控制箱也能独立自动控制单台水泵运行。
3、基本控制功能
系统功能应有数据自动采集、泵阀自动控制、系统自动控制、动态显示及故障记录报警几个部分组成。
3.1 数据自动采集和检测
数据自动采集和检测应分为两类：模拟量数据和数字量数据，通过PLC的模拟量、数字量模块进行读取，保证数据的准确性及响应时间。刷新周期不大于1S。
模拟量检测的数据主要有：电机工作电压、电机工作电流、水仓水位、 出水管流量、水泵温度、每台泵出口压力和水泵吸水管真空度。
数字量检测的数据主要有：水泵的工作状态（工作、备用或者检修状态）、水泵的起、停状态、电动闸阀的工作状态和启闭位置、射流泵总成专用阀的工作状态和液位开关的状态。
数据自动采集系统将水位变化信号进行转换处理、实时检测、从而判断矿井的涌水量，根据不同的水位状态来控制排水泵的启停。
电机温度、流量计等传感器与变送器，主要用于检测水泵、电机的运行状况，超限、报警，以避免水泵和电机的损坏。
PLC的数字量输入模块将各种开关量信号采集到PLC中作为数据处理的条件和依据，控制水泵的启停。
3.2 泵阀控制
整个系统要求达到设计的预期目的，阀门的控制是关键，系统的主控部件采用电动闸阀和射流泵总成。所有阀门可以通过PLC控制箱、水泵综合自动控制箱进行开关控制。
水泵系统采用射流泵抽真空上水方式起动，启泵时将自动打开射流泵入水管路阀门，同时打开射流泵真空管路阀门，使泵体内造成必要的真空度，系统接收到负压传感器的信号后，同时关闭射流泵真空管路及射流泵入水管路阀门，阀门关闭后将自动起动水泵电机，当水泵出水口达到设定的压力值，系统接收到正压传感器的信号后打开出水管路电动闸阀进行排水。
若电动闸阀打开后一定时间内水泵压力未达到设定值，系统应会自动停止水泵运行并关闭电动闸阀同时报警。
当水仓水位达到低位时将先自动关闭排水管路电动闸阀，电动闸阀关闭到到位后，停止水泵电机。
3.3 自动控制
在水泵综合自动控制箱处于远程自动控制状态时通过自动检测水仓水位及相关参数，依据水位的动态情况启停水泵，依据涌水量和排水量增减水泵的数量。合理调度、水泵轮换工作、远程监控、故障报警、水情预警，可实现节能降耗、减人提效的目的。
在自动运行状态下，依据水泵使用台数和水位变化情况可判断矿井涌水情况，根据涌水量和容水量的相对关系，自动启、停水泵以及自动判断启、停台数；系统能依据涌水量和容水量避峰填谷、节能运行；系统能根据轮换工作原则，自动实现水泵的轮换运行，避免单台水泵长期运行导致故障。
3.4 动态显示与画面监控
系统通过图形动态显示水泵、电机、电动闸阀、射流泵总成的运行状态，采用改变图形颜色或闪烁功能进行事故报警。直观显示电动阀的开闭位置，实时显示水泵抽真空状况和压力值。用趋势图或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地段、超低段、高端、超高段水位分段报警。采用趋势图或数字形式直观的显示各趟管路压力、水泵轴温、电机温度等进行动态显示。超限报警并自动记录故障类型、时间等历史数据，并建立报警显示页面，提醒工作人员及时检测、避免水泵和电机的损坏。
上位计算机监控系统还可通过操作员发送指令控制系统的运行，输入运行数据，修改控制参数，实现操作人员的控制指令，依据权限位置不同，对响应权限的设备进行控制。操作人员能够对排水设备进行实时检测、监视和必要的控制。
3.5通讯接口
PLC系统应预留有RS485通信模块，便于和智能供电设备或现场级其它智能设备建立连接，达到数据读取功能。
系统以太网通讯接口与地面上位机之间实现通讯。
整个网络采用工业自动化领域开放式的以太网标准技术。设备可从现场级一直连接到管理级。实现系统范围内的通讯，并支持工厂范围内的工程与组态，直到现场级均支持IT 标准。提高产品的易用性及系统的可维护性。采用实时以太网，通道数据响应小于150毫秒。
3.6控制方式
控制系统要求具有地面远程自动、地面远程手动、井下自动、井下手动等几种工作方式。
远程自动：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联锁程序顺序控制水泵及闸阀的开启。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，各台水泵根据设定轮换工作，最大涌水及突出涌水时，自动投入必要数量的水泵运行。
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的情况可判断矿井涌水情况，从而确定水泵增加台数。
远程手动：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、开电动阀等自动控制，并完成运行停止。
井下自动：操作工人根据水仓显示水位，通过水泵综合自动控制箱对单台水泵进行自动起动。
井下手动：操作工人根据水仓显示水位，通过水泵综合自动控制箱对单台水泵进行手动起动。
3.7工作方式
每台水泵设置有“工作”、“备用”和“检修”三种工作方式。
工作方式：指当前水泵在本次水泵操作中，优先被开启。
备用方式：指当前水泵在本次水泵操作中，处于备用状态，当已开启水泵不能满足排水需要时，被开启投入工作。
检修方式：指当前水泵在本次水泵操作中，不被利用，而是对该水泵进行检修。
3.8系统保护功能
1）电动机故障保护
由电网系统提供井下水泵高压开关的参数，利用上位机和PLC实时监测电压、电流、漏电、超负荷等电气故障，并进行控制。（此功能依据现场的设备配置而定）
2）水泵启动保护
水泵在启动时候，先启动射流泵或者是真空泵，监测真空管路的压力，当压力达到设定值时，启动水泵电机，同时关闭真空管路阀门，水泵电动阀门打开后，监测排水管内的压力，当在一定时间内，压力没有达到设定值时，系统就会自动停止水泵的运行并发出故障报警信号。
3）超温保护
水泵在长期运行中，当轴承温度或者定子温度超过设定值时，系统就会发出故障报警信号并根据情况停机。
4）电动闸阀保护
当控制阀门开关后，电动阀门会反馈一个状态信号给PLC,当两者信号不一致时，系统就会发出告警并在上位机上显示报警信息。
一、 方案采用的标准
电气设备的设计和制造符合以下标准
1、IEC标准（国际电工委员会）
2、ISO标准（国际标准化组织）
3、GB3836.1-2000 爆炸性气体环境用电气设备　第1部分：通用要求
4、GB3836.2-2000 爆炸性气体环境用电气设备　第1部分：隔爆型“d”
5、GB3836.4-2000 爆炸性气体环境用电气设备　第1部分：本质安全型“ｉ”
　6、GB4942.2　低压电器外壳防护等级
7、MT209 煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求
8、《煤矿安全规程》（2007版）
二、 泵房现场情况
一号泵房
水泵房 3台水泵，水泵出水口径300mm，PLC预留5台允余量；
主排水管道2路，口径350mm，压力64公斤
二号泵房
水泵房 4台水泵，水泵出水口径200mm
主排水管道3路，口径250mm，压力64公斤

四、各种产品功能介绍
1、PLC隔爆兼本质安全型可编程控制箱
隔爆兼本质安全型可编程控制箱作为水泵自动控制系统的核心，主要负责采集关联设备的运行信息、设备状态，通过工业以太网与上位机通讯、交换信息，同时对各设备进行集中监控。用于煤矿井下有瓦斯及煤尘爆炸危险的场所，作为各种设备的自动监测、保护控制装置。

图 PLC可编程控制箱 图 矿用隔爆型水泵综合自动控制箱
2、矿用隔爆型水泵综合自动控制箱
1）、水泵综合控制箱可根据正、负压传感器信号控制单台水泵配套的所有电动阀门、射流泵总成及水泵电机的启停，可安装在水泵房内。
2）、水泵综合自动控制箱在操作上分为就地/远方，现场手动/现场自动三种选择控制，如发生以太网或PLC编程箱故障时，综合自动控制箱也能独立自动控制单台水泵。
A、远方自动控制：接收PLC控制位号，实现对全排水系统的自动编程控制和信息传输。
B、现场手动控制：在现场手动控制状态下可以完成对所有的受控单元的手动控制。
C、现场自动控制：在现场自动控制状态下通过现场启停按钮来实现对单台水泵的联动启停控制。
3）具有短路保护、过载保护、欠压保护、过力矩保护、短相保护及相序鉴别自动纠正等多种保护功能。
4）射流泵水源选择，出水管路选择，一台综控箱最多能选择5路出水管。用户只需将正压传感器、负压传感器的模拟量电流信号引入综控箱，不需要做其它处理。
5）综控箱设置了各种运行监视指示，如电源指示、水泵运行、开阀指示、关阀指示、过力矩指示及系统出现的所有故障指示等，同时向外输出故障信号。
6）输入/输出信号均经继电器隔离，抗干扰能力强；开关阀控制通过了控制模块的电子互锁和接触器的机械互锁，达到控制箱的可靠性。
3、MZ矿用隔爆型电动阀
MZ系列电动阀门与水泵综合自动控制箱配套使用，可以拓宽阀门在自动化控制中的应用范围，实现阀门在自动化控制中根据控制需要精确定位阀门的开度，可靠的开启与关闭阀门。

图 MZ电动阀 图 矿用LFSS综合连接器
4.矿用LFSS综合连接器
LFSS超短型综合连接器专为矿井水泵自动化而设计，主要有以下两大功能：
1）井下水泵房地方小，水泵安装位置紧凑，全部连接为硬连接，维护保养不方便，将水泵与主出水阀的连接管改为LFSS综合连接器后，仅需通过法兰的调节螺栓即可在0－30mm范围内调整管道间隙，并能吸收管道的变形，无安装方向要求，安全可靠、调节螺栓可以有效地吸收管内介质压力产生的轴向压力以及水泵的振动波。
2）井下水泵上都配有抽真空用的连接口，但由于地面以及水泵自身等因素，水泵开启前抽真空成功率约为80%，在LFSS综合连接器上加装了抽真空连接口后，通过适当调整综合连接器高度，水泵抽真空成功率为100%。
5.矿用隔爆型控制箱
KXBC系列隔爆型控制箱是为控制矿用ZB系列阀门电动装置而设计的产品，改产品在电气性能设计上具有与DCS系统接口的衔接，使控制箱在自动化系统中应用更为广泛、可靠。在此基础上控制箱具有短路保护、过载保护、欠压保护、过力矩保护、断相保护及相序识别自动纠正、机械及电气连锁等功能，并设置了行程控制、远方/就地控制的切换功能，使其实用功能更趋完善。
6.矿用隔爆型电动配水阀
PXWII系列矿用配水阀具有结构简单、密封性能好、清污方便、操作灵活、省力等特点，主要应用于井下水泵房吸水井的配水。

图 矿用配水阀
7、矿用隔爆兼本安型操作台
1）功能触点开关量的，接点容量（2-5A），所有的开关量触点全部采用光电隔离，隔离电压：AC1500V，操作台上的按钮及触动开关输出全部为无源干接点。
2）显示部分采用隔爆装置，输入及输出均为隔爆形式。
3）显示屏TPC1561H技术参数如下：

分 类
TPC1561H
尺寸
15
液晶屏
TFT
显示颜色
真彩65535色
分辨率
1024×768
液晶屏亮度
300cd/m2
触摸屏
电阻式
供电电源
DC24V
额定功率
20W
CPU主板
ARM CPU400MH
内存
64M
存储设备
128FLASH
组态软件
MCGS嵌入式组态软件（运行版）
工作温度
0-50℃
工作湿度
5-90％
储存温度
-10～60℃
振动加速度
0.075mm 9.8m/s2
振动扫描频率
Oct/min≤1
结构
铝合金结构
颜色
深灰色
面板尺寸（mm）
420×320
机柜开孔（mm）
384×284
串行
2×RS232
2×RS232/485
USB
2主
以太网
RJ45以太网
认证
CE/FCC
防护等级
IP65（前面板）
抗干扰性
工业三级

8、SBS型射流泵总成
SBS型射流泵总成是由SB型射流泵、MGQ矿用高压小口径专用阀、正负压传感器、管道及管件组成 。SBS型射流泵总成主要供大、中型水泵去掉底阀后能虹吸上水，简化了设备结构。
以前射流泵总成中配套的是手动阀或电磁阀，因电磁阀结构性能缺陷，易泄露，无法提供阀位开、关信号，停电时亦不能手动开阀。MGQ电动阀适用于与各种自动化控制系统的配套使用，在井下排水自动化控制系统中与射流泵和真空泵配套使用，可以提供开到位、关到位各种信号，可满足水泵全自动化控制的需要。

9、传感器
A、正压传感器：用来监测水泵内部的压力，当压力达到设定值时自动打开出水口闸阀向上排水，当压力低于设定值时自动停泵。
B、负压传感器：主要用在水泵启动之前，监测吸水管路的真空度，当真空度达到设定条件时，才能启动水泵电机。
C、液位传感器：主要用来实时监测水仓水位变化的，系统根据当前水位变化情况，自动实现高水位起泵和低水位停泵。
D、液位开关：液位开关作为水仓的高水位、低水位的极限报警开关。
E、流量传感器；流量传感器主要用来实时监测主排水管路的流量，系统根据排水管的流量情况来判断管路是否故障并在低流量时自动报警。

五、系统电气控制实物图

六、系统电气控制示意图(一号泵房)

精品资料
七、主排水管网安装位置示意图（一号泵房）

主排水管网安装位置示意图（二号泵房）

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八、设备清单（一号泵房）

名 称
型 号
单位
数量
备 注
矿用隔爆型PLC可编程控制箱
KXJ127
台
2
西门子模块、含控制监控软件，（预留5台允余量）
矿用隔爆兼本质安全型操作台
TJ127X
台
1
用户可根据现场情况，选择是否配置
矿用隔爆型水泵综合自动控制箱
KXB-18/660S
台
3
每台控制箱可独立控制单台水泵的自动运行，控制对象：电动闸阀、射流泵总成、及水泵的启停指令；
矿用电动闸阀
MZ941H-64 DN300
套
3

矿用电动闸阀
MZ941H-64 DN350
套
6

矿用止回阀
H44H-64 DN300
台
3

矿用综合连接器
LFSSII-64 DN300
台
3

矿用电动配水阀
PXWII-800
套
7

矿用隔爆型一控三控制箱
KXBC-3*15/660DZ
台
3

矿用SBS型射流泵总成
SBSII DN25
套
3
每套射流泵总成包含：2台MGQI-64/DN25阀、1台MGQI-64/DN20阀、2台手动阀门、1台射流泵及相关管件。
正压传感器
GPD60（0-10Mpa）
台
3

负压传感器
GPD60（-0.1-0.1MPa）
台
3

流量传感器
GLC10G
台
2
矿用隔爆型
液位传感器
GUY5
台
1
矿用隔爆型
液位开关
CL-EVA-05
支
1

正压表
0-10MPa
台
3

负压表
-0.1-0Mpa
台
3

精品资料
设备清单（二号泵房）

名 称
型 号
单位
数量
备 注
矿用隔爆型PLC可编程控制箱
KXJ127
台
1
西门子模块、含控制监控软件
矿用隔爆兼本质安全型操作台
TJ127X
台
1
用户可根据现场情况，选择是否配置
矿用隔爆型水泵综合自动控制箱
KXB-18/660S
台
4
每台控制箱可独立控制单台水泵的自动运行，控制对象：电动闸阀、射流泵总成、及水泵的启停指令；
矿用电动闸阀
MZ941H-64 DN200
套
4

矿用电动闸阀
MZ941H-64 DN250
套
12

矿用止回阀
H44H-64 DN200
台
4

矿用综合连接器
LFSSII-64 DN200
台
4

矿用电动配水阀
PXWII-500
套
5

矿用隔爆型一控三控制箱
KXBC-3*15/660DZ
台
3

矿用SBS型射流泵总成
SBSII DN25
套
4
每套射流泵总成包含：2台MGQI-64/DN25阀、1台MGQI-64/DN20阀、2台手动阀门、1台射流泵及相关管件。
正压传感器
GPD60（0-10Mpa）
台
4

负压传感器
GPD60（-0.1-0.1MPa）
台
4

流量传感器
GLC10G
台
3
矿用隔爆型
液位传感器
GUY5
台
1
矿用隔爆型
液位开关
CL-EVA-05
支
1

正压表
0-10MPa
台
4

负压表
-0.1-0Mpa
台
4

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