煤礦井下排水泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)主要由地面工作站、井下監(jiān)控分站、礦用本安型操作臺(tái)、傳感器等組成，其中傳感器主要有：正壓和負(fù)壓傳感器、液位傳感器、流量傳感器等。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：
系統(tǒng)按照每臺(tái)水泵配置1臺(tái)帶有獨(dú)立西門子S7系列PLC系統(tǒng)的礦用隔爆兼本安型控制箱，每臺(tái)具有單獨(dú)自動(dòng)控制一套水泵功能，含按鈕、指示燈等，能在就地實(shí)現(xiàn)排水泵、電動(dòng)閥和電動(dòng)球閥的啟停。
系統(tǒng)配置電動(dòng)閘閥，實(shí)現(xiàn)水泵及管路的自動(dòng)切換。
通過(guò)硬接線和通訊方式一對(duì)一分別控制防爆啟動(dòng)柜。
每臺(tái)礦用隔爆兼本安型控制箱主機(jī)都可以獨(dú)立運(yùn)行，互不干預(yù)，即使其中一臺(tái)有問(wèn)題也不會(huì)影響其它水泵正常工作，配合視頻系統(tǒng)，真正做到了無(wú)人值守。技術(shù)功能、經(jīng)濟(jì)可靠穩(wěn)定。
整個(gè)系統(tǒng)要做到無(wú)人值守核心是控制系統(tǒng)，其中閘閥、傳感器等設(shè)備都是PLC控制系統(tǒng)的信號(hào)采集功能及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。邏輯控制是整個(gè)無(wú)人值守排水系統(tǒng)的核心，是安全、可靠、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的保證。達(dá)到減員增效的目的。
1.2 系統(tǒng)功能
系統(tǒng)具有水倉(cāng)水位、流量、壓力（含管路壓力等）、設(shè)備溫度（水泵軸承溫度、電機(jī)繞組(要求電機(jī)具備)及軸承溫度等）、電流、電壓、功率等模擬量采集、顯示及報(bào)警功能。
系統(tǒng)具有水泵、閥門狀態(tài)等開(kāi)關(guān)量采集、顯示及報(bào)警功能。
系統(tǒng)具有排水量、有功電量、水泵運(yùn)行時(shí)間等累計(jì)量采集、顯示及報(bào)警功能。
Ø 控制功能
系統(tǒng)具有地面遠(yuǎn)程控制功能，實(shí)現(xiàn)水泵等啟/停地面遙控。
系統(tǒng)具有自動(dòng)控制功能，根據(jù)水位、用電峰谷等自動(dòng)啟/停水泵。
系統(tǒng)具有人工就地控制功能，實(shí)現(xiàn)水泵等啟/停就地人工控制。
系統(tǒng)具有按設(shè)定順序啟停多臺(tái)水泵功能。
系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)控制、就地控制、檢修等功能設(shè)置，并可設(shè)定優(yōu)先級(jí)，檢修時(shí)閉鎖其他控制狀態(tài)。
系統(tǒng)具有過(guò)流（短路、過(guò)負(fù)載等）、過(guò)壓、欠壓、斷相、接地、漏電、誤操作等保護(hù)功能。
Ø 調(diào)節(jié)功能
系統(tǒng)具有自動(dòng)、手動(dòng)、就地、遠(yuǎn)程和異地調(diào)節(jié)功能。
Ø 存儲(chǔ)和查詢功能
系統(tǒng)具有以地點(diǎn)和名稱為索引的存儲(chǔ)和查詢功能，內(nèi)容包括：
a）　水倉(cāng)水位、流量、壓力、設(shè)備溫度、電流、電壓、功率等模擬量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值；
b）　模擬量統(tǒng)計(jì)值（值、平均值、最小值）；
c）　水泵、閥門等開(kāi)關(guān)量變化時(shí)刻及狀態(tài)；
d）　排水量、有功電量、水泵運(yùn)行時(shí)間等累計(jì)量；
e）　過(guò)流（短路、過(guò)負(fù)荷等）、過(guò)壓、欠壓、斷相、接地、漏電、誤操作等保護(hù)/恢復(fù)時(shí)刻及狀態(tài)；
f）　設(shè)備故障/恢復(fù)正常工作時(shí)刻及狀態(tài)等。
智能控制箱具有存儲(chǔ)功能。當(dāng)系統(tǒng)通信中斷時(shí)，分站存儲(chǔ)有關(guān)監(jiān)控信息，系統(tǒng)通信正常時(shí)，上傳至調(diào)度工業(yè)計(jì)算機(jī)。
Ø 顯示功能
系統(tǒng)具有列表顯示功能。其中：
a)　模擬量顯示內(nèi)容應(yīng)包括：地點(diǎn)、名稱、單位、報(bào)警上（下）限、控制上（下）限、監(jiān)測(cè)值、值、最小值、平均值、傳感器工作狀態(tài)、報(bào)警及解除報(bào)警狀態(tài)及時(shí)刻、閉鎖/解鎖狀態(tài)及時(shí)刻等；
b)　開(kāi)關(guān)量顯示內(nèi)容包括：地點(diǎn)、名稱、動(dòng)作時(shí)刻、狀態(tài)、工作時(shí)間、動(dòng)作次數(shù)、傳感器工作狀態(tài)、報(bào)警及解除報(bào)警狀態(tài)和時(shí)刻、閉鎖/解鎖狀態(tài)及時(shí)刻等；
c)　累計(jì)量顯示內(nèi)容應(yīng)包括：地點(diǎn)、名稱、單位、累計(jì)量值、時(shí)間等。
系統(tǒng)具有模擬量實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線顯示功能。在同一坐標(biāo)上用不同顏色顯示值、平均值、最小值等曲線。并設(shè)時(shí)間標(biāo)尺，可顯示出對(duì)應(yīng)時(shí)間標(biāo)尺的模擬量值和時(shí)間等。
系統(tǒng)具有開(kāi)關(guān)量狀態(tài)圖及柱狀圖顯示功能。顯示內(nèi)容應(yīng)包括：地點(diǎn)、名稱、次動(dòng)作時(shí)刻和狀態(tài)、工作時(shí)間、開(kāi)機(jī)率、動(dòng)作次數(shù)、傳感器狀態(tài)等，并設(shè)時(shí)間標(biāo)尺。
系統(tǒng)具有模擬圖顯示功能。顯示內(nèi)容包括：排水系統(tǒng)圖、水泵狀態(tài)、閥門狀態(tài)、水倉(cāng)水位、流量、壓力等模擬量數(shù)值等。
系統(tǒng)具有系統(tǒng)設(shè)備布置圖顯示功能。顯示內(nèi)容應(yīng)包括：傳感器、執(zhí)行器、分站、電源箱、控制器、傳輸接口和電纜等設(shè)備的設(shè)備名稱、相對(duì)位置和運(yùn)行狀態(tài)等。若系統(tǒng)龐大一屏無(wú)法容納，可漫游、分頁(yè)或總圖加局部放大。
Ø 保護(hù)功能
電機(jī)超溫保護(hù)：電機(jī)超過(guò)設(shè)定溫度報(bào)警。
水倉(cāng)缺水保護(hù)：利用水倉(cāng)缺水等參數(shù)參與保護(hù)。
電動(dòng)閥門保護(hù)：檢測(cè)電動(dòng)閥門的故障信號(hào)，并參與水泵的連鎖控制。
Ø 打印功能
系統(tǒng)具有報(bào)表、曲線、柱狀圖、狀態(tài)圖、模擬圖、初始化參數(shù)等召喚打印功能（定時(shí)打印功能可選）。報(bào)表應(yīng)包括：模擬量日（班）報(bào)表、模擬量報(bào)警日（班）報(bào)表、開(kāi)關(guān)量報(bào)警日（班）報(bào)表、開(kāi)關(guān)量狀態(tài)變動(dòng)日（班）報(bào)表、監(jiān)控設(shè)備故障日（班）報(bào)表、模擬量統(tǒng)計(jì)值歷史記錄查詢報(bào)表、累計(jì)量日（班、月）報(bào)表等。
Ø 人機(jī)對(duì)話功能
系統(tǒng)具有人機(jī)對(duì)話功能，以便于系統(tǒng)生成、參數(shù)修改、功能調(diào)用、控制命令輸入等。并具有操作權(quán)限管理功能。
3.3視頻系統(tǒng)
水泵房配置2臺(tái)本安型攝像儀，地面監(jiān)控人員可以直接對(duì)井下情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，不僅能直觀的監(jiān)視和記錄工作現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)情況，而且能及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故苗子，防患于未然，也能為事后分析事故提供有關(guān)的手圖像資料。
通過(guò)井下萬(wàn)兆節(jié)點(diǎn)交換機(jī)，經(jīng)光纖鏈路傳輸?shù)降孛?，由工業(yè)視頻系統(tǒng)采集視頻信號(hào)進(jìn)行顯示，并對(duì)圖像進(jìn)行存儲(chǔ)。

1.3 控制方式
系統(tǒng)有四種控制方式：就地手動(dòng)、就地自動(dòng)、遠(yuǎn)程控制、無(wú)人值守。
1. 就地手動(dòng)
采用手動(dòng)操作時(shí)，由井下操作人員根據(jù)生產(chǎn)需要以及設(shè)備狀況，通過(guò)操作操作臺(tái)上的按鈕，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的啟動(dòng)、停止。
2. 就地自動(dòng)
在操作臺(tái)上發(fā)出啟動(dòng)命令，水泵的電動(dòng)球閥、電動(dòng)閘閥及電機(jī)等設(shè)備，按照設(shè)定流程啟動(dòng)。當(dāng)集控操作臺(tái)發(fā)出停止命令后，水泵系統(tǒng)將關(guān)閉閘閥后，停止電機(jī)。
3. 無(wú)人值守
系統(tǒng)根據(jù)水倉(cāng)水位個(gè)高低及用電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)水泵自動(dòng)啟停。
4. 遠(yuǎn)程控制
水泵的啟停由地面控制，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守與遠(yuǎn)程自動(dòng)、遠(yuǎn)程手動(dòng)間的切換。
1.4 系統(tǒng)功能
1.4.1故障停泵
1、水泵在自動(dòng)控制工作方式下運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)，計(jì)算機(jī)將按照所設(shè)定的停泵程序自動(dòng)停止運(yùn)行水泵。
2、水泵在“檢修”工作方式下運(yùn)行，當(dāng)發(fā)生故障需要停泵時(shí)，應(yīng)按下列順序操作：
² 同時(shí)關(guān)閉管路的手動(dòng)閘閥，嚴(yán)禁閥門在開(kāi)通位置停機(jī)；
² 待閥門關(guān)閉到位后，停電動(dòng)機(jī)；
² 不論水泵在哪一種工作方式下運(yùn)行，當(dāng)發(fā)生故障需要緊急停泵時(shí)，司機(jī)可按下“急停”按紐(帶機(jī)械自鎖)。
3、故障停泵后，查明故障原因，立即向有關(guān)匯報(bào)。
4、按下“故障復(fù)位”按紐，使系統(tǒng)恢復(fù)正常，為啟動(dòng)備用水泵做好準(zhǔn)備。
1.4.2水泵自動(dòng)輪換
為了防止備用泵、電氣設(shè)備和備用管路長(zhǎng)期不用而導(dǎo)致設(shè)備受潮或出現(xiàn)其他故障未經(jīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作泵出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵時(shí)，而不能及時(shí)投入以至影響礦井排水安全，控制程序?qū)⑺脝⑼４螖?shù)及運(yùn)行時(shí)間和管路使用次數(shù)及流量等參數(shù)自動(dòng)記錄累計(jì)，系統(tǒng)根據(jù)這些運(yùn)行參數(shù)按一定規(guī)律自動(dòng)啟停水泵，使各水泵及其管路的使用率分布均勻，當(dāng)水泵在啟動(dòng)或運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止故障水泵、投入新的水泵排水，實(shí)現(xiàn)水泵自動(dòng)輪換工作，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，并在操作屏和地面操作站上動(dòng)態(tài)閃爍顯示，記錄事故，達(dá)到有故障早發(fā)現(xiàn)、早處理。
1.4.3自動(dòng)控制
系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)選用了西門子300系列為控制主機(jī)，該P(yáng)LC為模塊化結(jié)構(gòu)，由數(shù)字量I/O、模擬量輸入、通訊口等模塊構(gòu)成。PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)根據(jù)水倉(cāng)水位的高低或者根據(jù)井下用電負(fù)荷的高、低峰和供電部門所規(guī)定的平段、谷段、峰段供電電價(jià)時(shí)間段等因素，建立數(shù)學(xué)模型，合理調(diào)度水泵，自動(dòng)準(zhǔn)確發(fā)出啟、停水泵的命令，控制水泵運(yùn)行。
為了保證井下安全生產(chǎn)，系統(tǒng)可靠運(yùn)行，水位信號(hào)是水泵自動(dòng)化一個(gè)非常重要的參數(shù)，因此，系統(tǒng)設(shè)置在不同水艙的兩套水位傳感器，PLC將接受到的模擬量水位信號(hào)分成若干個(gè)水位段，計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，也本系統(tǒng)可以同時(shí)檢測(cè)井下供電電流值，計(jì)算用電負(fù)荷率，根據(jù)礦井涌水量和用電負(fù)荷，控制在用電低峰和一天中電價(jià)時(shí)開(kāi)啟水泵，用電高峰和電價(jià)高時(shí)停止水泵運(yùn)行，以達(dá)到避峰填谷及節(jié)能的目的。
1.4.4動(dòng)態(tài)顯示
就地動(dòng)態(tài)模擬顯示選用操作屏，地面操作站系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬顯示采用組態(tài)王組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)通過(guò)圖形動(dòng)態(tài)顯示水泵、真空泵、電磁閥和電動(dòng)閘閥的運(yùn)行狀態(tài)，采用改變圖形顏色和閃爍功能進(jìn)行事故報(bào)警，直觀地顯示電磁閥和電動(dòng)閘閥的開(kāi)閉位置，實(shí)時(shí)顯示水泵抽真空情況和出水口壓力值。
用實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖方式和數(shù)字形式準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地顯示水倉(cāng)水位，并在啟停水泵的水位段發(fā)出預(yù)告信號(hào)和低段、超低段、高段、超高段水位分段報(bào)警，用事先錄制的語(yǔ)音提示形式提醒操作人員注意。
采用圖形、趨勢(shì)圖和數(shù)字形式直觀地顯示趟管路的瞬時(shí)流量及累計(jì)流量、水泵軸溫、電機(jī)溫度等動(dòng)態(tài)值，超限報(bào)警，自動(dòng)記錄故障類型、時(shí)間等歷史數(shù)據(jù)，并通過(guò)每臺(tái)水泵的流量計(jì)算出水泵的有效功率，以提醒巡檢人員及時(shí)檢修或更換水泵。
1.4.5通訊接口
PLC與操作屏進(jìn)行以太網(wǎng)通訊，將水泵機(jī)組的工作狀態(tài)與運(yùn)行參數(shù)傳至操作屏，完成各數(shù)據(jù)的就地動(dòng)態(tài)顯示；通過(guò)井下光纖，將水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)傳至地面生產(chǎn)指揮調(diào)度中心或機(jī)電控制中心，在地面生成圖形、趨勢(shì)圖和數(shù)字形式等直觀的界面信息，開(kāi)放通訊協(xié)議，在地面監(jiān)控中心有上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)OPC接入全礦井安全生產(chǎn)自動(dòng)化控制網(wǎng)，管理人員在地面即可掌握井下排水系統(tǒng)設(shè)備的所有檢測(cè)數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，又可根據(jù)自動(dòng)化控制信息，實(shí)現(xiàn)井下排水系統(tǒng)的三遙，并為礦提供生產(chǎn)決策信息。操作屏與監(jiān)測(cè)監(jiān)控站均可動(dòng)態(tài)顯示排水系統(tǒng)運(yùn)行的模擬圖、運(yùn)行參數(shù)圖表，記錄系統(tǒng)運(yùn)行和故障數(shù)據(jù)，并顯示故障點(diǎn)。
1.5 系統(tǒng)軟件功能
系統(tǒng)建成后可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集、現(xiàn)實(shí)水泵的各種運(yùn)行參數(shù)；根據(jù)水倉(cāng)水位、生產(chǎn)工作制及負(fù)荷情況控制水泵自動(dòng)工作。根據(jù)監(jiān)測(cè)到的信號(hào)判斷水泵的工作情況，故障時(shí)能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并根據(jù)工作類型停泵；可自動(dòng)、手動(dòng)控制水泵的啟停及電動(dòng)閘閥的開(kāi)、關(guān)及開(kāi)度。在礦井地面調(diào)度監(jiān)控中心可完成對(duì)水泵控制的各種操作。系統(tǒng)能與礦井綜合調(diào)度系統(tǒng)無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。
系統(tǒng)設(shè)自動(dòng)、手動(dòng)操作控制方式，在自動(dòng)控制中可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守全自動(dòng)運(yùn)行或在上位機(jī)上通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤完成操作，在手動(dòng)控制中可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制故障或退出集控時(shí)在機(jī)房操作箱上操作。
具體表現(xiàn)以下幾個(gè)方面：
1、自動(dòng)控制功能
系統(tǒng)根據(jù)工況設(shè)定，以及時(shí)間、水位、煤礦用電負(fù)荷等參數(shù)自動(dòng)開(kāi)啟、停止水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)、并能實(shí)現(xiàn)泵閥的聯(lián)鎖起動(dòng)，對(duì)運(yùn)行中的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，通過(guò)接口向上傳送數(shù)據(jù)。
1） 地面計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)每天礦井的用電負(fù)荷情況，確定用電高峰、低谷時(shí)間，并將參數(shù)傳給本系統(tǒng)控制主機(jī)機(jī)；或在本機(jī)上根據(jù)統(tǒng)計(jì)出的時(shí)間進(jìn)行設(shè)定。
2） 根據(jù)所監(jiān)測(cè)的水位信號(hào)，設(shè)定出低水位、高水位和上限水位信號(hào)。
3） 每臺(tái)水泵設(shè)置運(yùn)行、備用和檢修三種工作方式，該方式可以在本機(jī)上設(shè)定或地面主機(jī)設(shè)定。當(dāng)水位達(dá)到高位或不在高位而 處在用電低谷時(shí)間內(nèi)，將自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行泵。當(dāng)水位達(dá)到高位或不在高位而處在用電高峰時(shí)間時(shí)自動(dòng)停泵。當(dāng)水位到上限水位時(shí)，自動(dòng)運(yùn)行泵及備用泵，直到水位低于高位時(shí)停止“備用泵”只運(yùn)行“運(yùn)行泵”，當(dāng)達(dá)到低于或不在高位而 處于用電高峰時(shí)間內(nèi)時(shí)自動(dòng)停泵。
4） 系統(tǒng)可自動(dòng)或手動(dòng)選擇以實(shí)現(xiàn)備用泵的循環(huán)啟動(dòng)和停止。
5） 將本機(jī)工作方式轉(zhuǎn)為“地面控制”時(shí)，各水泵由地面主機(jī)控制。
6） 當(dāng)運(yùn)行的水泵出現(xiàn)軸承超溫、開(kāi)關(guān)柜故障、流量不夠時(shí)自動(dòng)停止運(yùn)行，并提示、報(bào)警。
2、手動(dòng)控制功能
根據(jù)實(shí)際需要也可以從自動(dòng)控制方式切換到手動(dòng)控制方式。系統(tǒng)采用手動(dòng)操作時(shí)，由工作人員根據(jù)生產(chǎn)需要以及設(shè)備狀況操作控制箱上的按鈕完成設(shè)備的啟動(dòng)、停止。
3、單機(jī)自動(dòng)控制
地面監(jiān)控主機(jī)將工作方式切轉(zhuǎn)到單機(jī)自動(dòng)時(shí)，可在地面監(jiān)控主機(jī)上單獨(dú)控制系統(tǒng)中的各設(shè)備。此時(shí)各分站仍處于自動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)保護(hù)信號(hào)動(dòng)作時(shí)仍報(bào)警停機(jī)。
4、就地緊停功能
不論在何種控制方式下，均可在通過(guò)緊停按鈕來(lái)停止運(yùn)行該設(shè)備。
5、現(xiàn)場(chǎng)編程
用戶可在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)面板上的鍵盤對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修改。
6、組網(wǎng)功能
該分站掛接在變電所的交換機(jī)上，通過(guò)交換機(jī)與全礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)連接。
7、水泵運(yùn)行計(jì)量/時(shí)間/運(yùn)行統(tǒng)計(jì)
在地面控制站上應(yīng)可分別對(duì)每臺(tái)水泵的運(yùn)行電耗、工作時(shí)間等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，便于管理人員及時(shí)掌握每臺(tái)水泵的工況。
8、圖形曲線顯示
在地面控制站上應(yīng)可實(shí)時(shí)顯示各設(shè)備運(yùn)行圖。并提供開(kāi)放式的圖形制作軟件，用戶可描繪各種動(dòng)態(tài)圖形、靜態(tài)圖形，同時(shí)支持多種圖形格式，圖形畫(huà)面具有鏈接功能，可以很方面地切換其它畫(huà)面顯示?？娠@示實(shí)時(shí)曲線，可顯示年、月、日個(gè)時(shí)間段的歷史曲線和具體數(shù)據(jù)表。
9、實(shí)時(shí)報(bào)警/報(bào)警記錄
在現(xiàn)場(chǎng)PLC控制器上可漢字顯示各故障信息并報(bào)警，在地面控制站上可顯示現(xiàn)場(chǎng)單元當(dāng)前的報(bào)警信息以及保存的報(bào)警記錄。