林 口 煤 矿 水 泵 智 能 控 制 方 案
重庆恒邦矿山机械制造有限公司
2015.08.14
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目 录
一、 概述……………………………………………………… 二、 产品特点………………………………………………… 三、 主要用途及适用范围…………………………………… 四、 使用环境条件…………………………………………… 五、 设计依据及原则………………………………………… 六、 系统功能介绍…………………………………………… 七、 系统组成及工作原理…………………………………… 八、 水泵监控系统操作说明………………………………… 九、 配件清单及价格………………………………………… 十、 质量保证和售后服务……………………………………
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井下泵房排水控制系统技术方案
一、 系统概述
随着计算机控制技术的迅速发展，以微处理器为核心的可编程序控制器（PLC）控制已逐步取代继电器控制，普遍应用于各行各业的自动化控制领域。但目前煤矿井下主排水系统仍多采用继电器控制，水泵的开停及选择切换均由人工完成，还做不到根据水位或其它参数自动开停水泵，这将严重影响井下主排水泵房的管理水平和经济效益的提高，为了提高工作效率和节省水泵的运行费用以及满足矿领导的决策，做如下实施方案：
该系统采用PLC +触摸屏+传感器+电动阀门，运用组态友好的人机界面实时监测，实现手动控制和自动控制，在保证各个设备独立可靠运行的情况下又实现集中控制；实现系统参数检测和储存、监视；故障信息查询、监控；对关键参数实行自动调节等，从而实现整个系统的自动控制。现场设本安操作台和隔爆兼本安型电气控制箱实现三台水泵的排水控制。操作台上设操作按钮及开关、指示灯、报警蜂鸣器、触摸屏、实现系统工作方式选择就地启/停控制等操作、系统状态指示、报警指示、触摸屏实现整个系统的状态监测、数据监视、参数修改等。隔爆兼本安型电气控制箱内设PLC，实现整个系统控制。
二、产品特点
本系统的特点是集数字化、自动化、信息化为一体，实现无人值守全自动化控制。系统采用模块化结构，具有很好的维护性和可扩展能力。
三、主要用途及适用范围
本系统主要用于完成矿山水泵等远程无人值守控制，产品的主要适用范围如下： 功率：50KW～2000KW 电压： AC127V～AC6000V 频率：0HZ～60HZ
四、使用环境条件
环境温度与湿度：工作环境温度不超过＋40ºC，并且24小时内的平均温度不超过＋35ºC，最低环境温度不得低于－5ºC。相对湿度在最高温度为＋40ºC时不超过50%，在较低温度时，允许有较高的相对湿度（如在20ºC时为90%）。
空气质量：不含有过量的尘埃、酸、碱腐蚀性及爆炸性微粒和气体。 海拔高度：海拔高度不超过2000米。
振 动：安装地基处允许的振动条件：振动频率范围10－150HZ，最大振动加速度不应超过5m/s2。
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电网质量：电压波形应为正弦波，只要实际电压的瞬时值与基波电压相对的瞬时值最大偏差不大于基波电压的10%，即认为电压波形为正弦波。频率波动不超过额定值的±2%。
五、 设计依据及原则
5.1 《煤矿安全规程》（2010版）。 5.2 《矿山电力设计规范》（GB50070-94）。 5.3 现行国家电工委员会及其它有关标准。 5.4 进口电气设备遵守国际电工委员会IEC标准。
5.5 电控系统设备技术参数符合行业相关标准及规定，具有技术先进、经济实用、安全可靠、故障率 低、维护方便等特点。
5.6 改造所用的相关控制及显示设备、传感器、阀们、缆线等设备、材料，“三证”齐全、符合《煤矿安全规程》的相关规定。
5.7 井下控制主机具有触摸屏显示，显示各个泵组运行状态，本机显示各个泵组的相关模拟量参数。报警
信息有文字、语言。
5.8 系统具有以太网接口、RS485接口。 5.9
改造所需配备的电动阀门。
六、 系统功能介绍
该系统具有电动阀门开关状态、水仓水位、管道压力值；泵体前后轴承、盘根压盖温度；电动机相线电压、相线电流、前后轴承、定转子温度；水泵开停机状态、排水量、运行工况曲线图等参数进行检测，模拟信号经变送器转换为4~20mA的标准信号后送给PLC；再经PLC及特殊功能控制模块的运算处理，将数据以数字量信号实时显示于屏幕，控制相应的阀门、水泵等。
A) 每个水仓水位采用两个液位传感器实时检测，双线冗余，确保检测可靠； B）排水流量采用流量计实时检测；
C）排水压力、排水流量等采用矿用高精度（不锈钢）传感器实时检测； D）电机电流、电压等分别采用多功能带变送输出的仪器仪表实时检测等。 主要功能如下：
➢ 每台水泵具有就地控制、自动控制两种工作方式。 ➢ 压力超限延时、水仓水位自动起停泵组。 ➢ 出水流量过低延时报警、停机。
➢ 电动机前后轴承、定转子温度超温延时自动停机。(矿方如需要可加) ➢ 泵体前后轴承、盘根压盖超温延时自动停机。(矿方如需要可加)
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➢ 高压开关欠电压、过载延时自动停机。
➢ 报警功能：具有水泵流量过低、水仓高水位、压力超限、电动机前后轴承、定转子超温；泵体前后轴承、盘根压盖超温报警功能及高压开关超压报警。
➢ .显示功能：具有电动阀门开关状态、水仓水位、管道压力值；泵体前后轴承、盘根压盖温度；相线电压、相线电流、前后轴承、定转子温度；水泵开停机状态、时间、排水量等。
➢ 其他保护功能：
水仓水位监测与干保护； 排水泵电机重启动延时保护； 排水泵起停连锁保护；
提供水位恒定+削峰填谷自动控制模式设置；
能实现不出水、电机电流大、轴承温度过高等逻辑故障诊断； 支持改造为软起动控制；
➢ 水泵控制器提供以下高级控制功能；
区分电网运行状态、实现削峰填谷；
泵房使用优先级控制方案：手动就地控制——无人值守自动控制； 手动就地控制时要能自动切断无人值守自动控制。
七、 系统组成及工作原理
系统组成
矿井下主排水泵自动化控制系统由数据自动采集、自动轮换工作、手动控制、自动控制、动态显示、故障记录报警等5个部分组成。
系统工作原理
7.1数据自动采集与检测
数据自动采集与检测主要分为两类：模拟量数据和数字量数据。
模拟量检测的数据主要有：水仓水位、电机工作电流、电压、水泵轴温、电机温度、排水管流量；数字量检测的数据主要有：水泵的工作状态、电动阀的工作状态与启闭位置。
数据自动采集主要由PLC实现，PLC模拟量输入模块通过传感器连续检测水仓水位，水位变化信息，控制排水泵的启停。电机电流、水泵轴温、电机温度、排水管流量等传感器与变送器，主要用于监测水泵、电机的运行状况，超限报警，以避免水泵和电机损坏。PLC的数字量输入模块将各种开关量信号采集到PLC中作为逻辑处理的条件和依据，控制排水泵的启停；在数据采集过程中，模拟量信号的处理是将模拟信号变
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换成数字信号（A/D转换），其变换速度由采样定律确定。一般情况下，采样频率应为模拟信号中最高频率成分的2倍以上，这样经A/D变换的精度可完全恢复到原来的模拟信号精度。
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7.2自动轮换工作
为了防止因备用泵及其电气设备或备用管路长期不用，而使电机和电气设备受潮或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安全，本系统程序设计2台泵自动轮换工作控制，当某台泵或所属阀门故障时，系统自动发出声光报警，并在触摸屏上动态闪烁显示，记录事故，同时将故障泵或管路自动退出轮换工作，检修泵和管路自动投入轮换工作，以达到有故障早发现、早处理，以免影响矿井安全生产的目的。
7.3手动控制
最基本的水泵控制单元，独立完成单台水泵的启停控制。当主轮循程序检测到操作者对目标水泵下达开/停指令时，系统即调用对应的手动控制模块，完成水泵启动/停止控制。
启动过程：首先启动抽真空装置，比较器将模拟量采集处理模块每个周期刷新后的负压值与设定启动条件值比较，满足条件后启动电机，同时关闭抽真空装置；电机启动后，比较压力值，压力满足要求后开电动闸阀，开始排水；闸阀开到位后启动过程结束。流程如图7.3-1所示。
停止过程：为防止排水倒流对水泵造成损害，首先关闭闸阀，闸阀关到位后停止电机运行。
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调 用抽 真 空检测真空度N真空度到达？Y启动水泵停止抽真空检测压力N压力到达？Y开电动闸阀N闸阀开到位？Y结束7.3-1水泵半自动启动流程
7.4全自动控制
PLC自动化控制系统根据水仓水位的高低、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（时间段可根据实际情况随时在触摸屏上进行调整和设置）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3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，系统设置了两套液位传感器，两套传感器均设于水仓的排水配水仓内，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，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。
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开 始闭锁定时器运行中？YN水位变化率（正常？）N水位判断（到达上限?)NY对应时段？NY逻 辑 处 理选择运行时间最短的水泵(跳过故障泵）启动：调用对应半自动控制模块启动闭锁定时器N启动完成？Y水位判断（到达下限?)Y停泵：调用对应半自动控制模块NN停泵完成？Y
7.4-1全自动控制流程图
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7.5故障监控
井下排水泵是一类需要频繁启停的大型设备，而且启停过程较为繁琐，涉及的传感器、执行机构种类也较为繁多。因此在其运转过程中某一环节出现问题的话，势必影响整台泵的正常工作。引入自动监控系统后，可以把故障分为两大类：（1）设备故障，主要包括泵体漏气、闸阀故障、管路堵塞、轴承过热以及电机故障等；（2）传感器失灵，主要指压力、负压、液位以及流量传感器出现故障，不能正常工作，造成自动控制无法实现。
7.5.1设备故障：
针对水泵系统的设备故障，系统实时监测水泵启动过程、运行状态以及停止过程，一旦出现故障，采取应急措施，保护设备，防止故障进一步扩大。启动及停止过程中结合定时器监测每步动作是否正常，出现故障或者操作超时时程序自动按照设定流程复位前端执行机构，并进行报警，给出指导性的故障提示，配合维护人员进行维护；运行过程中，主要监测电流、流量、温度等状态量，出现异常停止水泵，并报警给出故障提示。具体监控流程如图7.5.1-1至图7.5.1-3。
传感器失灵：
传感器就如同系统的眼睛，可靠的传感器是系统正常工作的基础。本系统中参控变量中，水仓水位是整个自动化控制流程中水泵启停控制的参照变量，因此兼顾成本，这里采用两个不同工作原理的液位传感器，互为冗余。故障判断过程如图7.5.1-4，其中逻辑判断根据水泵运行状态判断水位趋势，将传感器前后两个时刻的测量值进行比较，比较结果异常的为失灵传感器，给出报警。考虑成本，其它传感器未进行冗余设计，程序中设置传感器正常工作的上下限，超限时给出报警，因堵塞等原因引起的压力、负压以及流量传感器测值失真将影响水泵的启动、运行，设备故障监控流程会给出相应报警信息。
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开始启动？YN至运行监测启动抽真空判断定时器抽真空超时？NY抽真空超时报警复位球阀锁定故障泵退出工作组真空度到达启动合闸定时器合闸 超时？NY合闸失败报警压力判断压力 正常？YN压力报警停止水泵启动电动闸阀开超时判断定时器闸阀开超时或过转矩？Y闸阀故障报警
7.5.1-1启动过程故障监控流程
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运行中？YN至停止过程监测电流判断电流 正常？YN电流越限报警锁定故障泵退出工作组压力判断压力 正常？YN压力越限报警停止水泵温度越限报警
温度判断温度 正常？至5-4开始NY7.5.1-2运行过程故障监控流程
N停止？Y启动电动闸阀关超时判断定时器闸阀关超时或过转矩？Y闸阀故障报警锁定故障泵退出工作组N闸阀关到位启动分闸定时器分闸 超时？至5-4开始Y分闸失败报警N 7.5.1-3停止过程故障监控流程
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开始读取超声波液位仪1测量水位值读取超声波液位2测量水位值数值比较差值允许范围内？NY逻辑判断给出故障信息结束
7.5.1-4液位测量冗余监测流程
一、GUY10矿用液位传感器
1、功能：GUY10矿用液位传感器（安标证号：MFB070116）为投入式压力法测量水深、水位的固定式仪表，主要用于连续测量煤矿水仓的水深水位。 2、适用范围及特点：
GUY10矿用液位传感器选用进口不锈钢隔离膜片敏感出件，将芯片装入一不锈钢壳体内，采用特制的防水通气电缆将信号引出。传感头投入被测液体内，电缆接入仪表盒。由于采用特制的防水通气电缆，使感压膜片的背压腔与大气良好相通，测量液位不受外界大气压的影响，测量准确，长期稳定性好，并具有优良的密封和防腐性能，可直接投入水、油等液体（包括腐蚀
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性液体）中长期使用。经过仪表的特殊处理还可用于仓底有固体淤积的场所。环境适应性强，安装调试方便，可以与国内其它煤矿监测系统兼容使用。
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主要技术参数
防爆型式：矿用本质安全型 防爆标志；：ExibI 本安参数：
工作电压：12～18V DC 工作电流：≤50mA 测量范围：0～10m
过载能力：150%最大测量值 基本误差：±2% 输出信号：200～1000Hz
二、DFH一20/7（DN25）矿用本质安全型电动球阀
电矿用球阀 DFH-20/7
电动球阀适用于煤矿井下具有瓦斯、煤尘爆炸危险及水质差、
水压范围广的自动化防尘、防灭火自动控制喷雾，作水路自动控制开关；其特点：电动球阀是一种由球体旋转而开闭水路的新型电动阀门，其适应的供水压力范围广，不受泥沙、污水影响，供水通径大，工作过程中通电时间短、工作稳定可靠，是一种用途广、使用寿命长、输水能力高、抗干扰能力强的理想的水控制阀门。 技术参数：
1、防爆型式：矿用本质安全型，防爆标志为ExibI； 2、额定工作电压：12VDC； 3、额定工作电流：≤150mA； 4、最高输入电压Ui：12.9VDC； 5、最大输入电流Ii：400mA： 6、最大内部电感Li：0.3mH； 7、最大内部电容Ci：OuF； 8、开启或关闭时间：10s～15s； 9、供水压力范围：0.2MPa～7MPa； 10、供水温度范围：O℃～60℃； 11、球阀口径：
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20mm；
12、电源电压波动适应性：当输入电压在10VDC～15VDC范围内波动时．电动球阀应能正常工作；
13、环境温度：0℃～40℃； 九、配件清单 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 名称 电动阀 球阀 电控箱 液位传感器 压力传感器 浮球液位开关 型 号 DN150 DFH20/64 KXJ127 GUY10 GPD40 KBU3000 ＩＮＳ 四芯 单位 数量 套 套 套 套 套 套 批 米 套 套 3 3 1 2 3 2 1 1 1000 2 2 单 价 总价 备注 软件 辅材 光纤 摄像头 光端机 总 价 (含视频) 成 交 价：
十、质量保证和售后服务
9.1我方保证
（1）向贵方提供的所有零部件是合格品，并具有先进技术性。
（2）在贵方、我方相互协作的前提下，设备在投入运行后能符合技术规定的要求，并保证在标准规定下运行良好。
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9.2质量保证期
（1）自双方签署设备验收合格报告之日起，免费保修十二个月。
（2）保证期内，我方对所使用的零部件的结构、设计、工艺和材料缺陷造成的任何损坏和故障负责。如设备出现故障，贵方可立即通知我方，我方在24小时内（省外）到现场进行处理，因此发生费用由我方承担。
（3）在保证期外，我方积极配合贵方维修和更换零件，核收成本费，我方继续保证贵方提供部分设备及附配件的修理维护，并提供配件的供应。
如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！
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