煤矿井下排水泵自动化控制系统

1 系统设计
1.1 系统组成
系统主要由地面工作站、井下监控分站、矿用本安型操作台、传感器等组成，其中传感器主要有：正压和负压传感器、液位传感器、流量传感器等。
系统结构图如下：
系统按照每台水泵配置1台带有独立西门子S7系列PLC系统的矿用隔爆兼本安型控制箱，每台具有单独自动控制一套水泵功能，含按钮、指示灯等，能在就地实现排水泵、电动阀和电动球阀的启停。
系统配置电动闸阀，实现水泵及管路的自动切换。
通过硬接线和通讯方式一对一分别控制防爆启动柜。
每台矿用隔爆兼本安型控制箱主机都可以独立运行，互不干预，即使其中一台有问题也不会影响其它水泵正常工作，配合视频系统，真正做到了无人值守。技术功能、经济可靠稳定。
整个系统要做到无人值守核心是控制系统，其中闸阀、传感器等设备都是PLC控制系统的信号采集功能及执行机构。逻辑控制是整个无人值守排水系统的核心，是安全、可靠、稳定、经济的保证。达到减员增效的目的。
1.2 系统功能
系统具有水仓水位、流量、压力（含管路压力等）、设备温度（水泵轴承温度、电机绕组(要求电机具备)及轴承温度等）、电流、电压、功率等模拟量采集、显示及报警功能。
系统具有水泵、阀门状态等开关量采集、显示及报警功能。
系统具有排水量、有功电量、水泵运行时间等累计量采集、显示及报警功能。
Ø 控制功能
系统具有地面远程控制功能，实现水泵等启/停地面遥控。
系统具有自动控制功能，根据水位、用电峰谷等自动启/停水泵。
系统具有人工就地控制功能，实现水泵等启/停就地人工控制。
系统具有按设定顺序启停多台水泵功能。
系统具有远程控制、自动控制、就地控制、检修等功能设置，并可设定优先级，检修时闭锁其他控制状态。
系统具有过流（短路、过负载等）、过压、欠压、断相、接地、漏电、误操作等保护功能。
Ø 调节功能
系统具有自动、手动、就地、远程和异地调节功能。
Ø 存储和查询功能
系统具有以地点和名称为索引的存储和查询功能，内容包括：
a）　水仓水位、流量、压力、设备温度、电流、电压、功率等模拟量实时监测值；
b）　模拟量统计值（值、平均值、最小值）；
c）　水泵、阀门等开关量变化时刻及状态；
d）　排水量、有功电量、水泵运行时间等累计量；
e）　过流（短路、过负荷等）、过压、欠压、断相、接地、漏电、误操作等保护/恢复时刻及状态；
f）　设备故障/恢复正常工作时刻及状态等。
智能控制箱具有存储功能。当系统通信中断时，分站存储有关监控信息，系统通信正常时，上传至调度工业计算机。
Ø 显示功能
系统具有列表显示功能。其中：
a)　模拟量显示内容应包括：地点、名称、单位、报警上（下）限、控制上（下）限、监测值、值、最小值、平均值、传感器工作状态、报警及解除报警状态及时刻、闭锁/解锁状态及时刻等；
b)　开关量显示内容包括：地点、名称、动作时刻、状态、工作时间、动作次数、传感器工作状态、报警及解除报警状态和时刻、闭锁/解锁状态及时刻等；
c)　累计量显示内容应包括：地点、名称、单位、累计量值、时间等。
系统具有模拟量实时曲线和历史曲线显示功能。在同一坐标上用不同颜色显示值、平均值、最小值等曲线。并设时间标尺，可显示出对应时间标尺的模拟量值和时间等。
系统具有开关量状态图及柱状图显示功能。显示内容应包括：地点、名称、次动作时刻和状态、工作时间、开机率、动作次数、传感器状态等，并设时间标尺。
系统具有模拟图显示功能。显示内容包括：排水系统图、水泵状态、阀门状态、水仓水位、流量、压力等模拟量数值等。
系统具有系统设备布置图显示功能。显示内容应包括：传感器、执行器、分站、电源箱、控制器、传输接口和电缆等设备的设备名称、相对位置和运行状态等。若系统庞大一屏无法容纳，可漫游、分页或总图加局部放大。
Ø 保护功能
电机超温保护：电机超过设定温度报警。
水仓缺水保护：利用水仓缺水等参数参与保护。
电动阀门保护：检测电动阀门的故障信号，并参与水泵的连锁控制。
Ø 打印功能
系统具有报表、曲线、柱状图、状态图、模拟图、初始化参数等召唤打印功能（定时打印功能可选）。报表应包括：模拟量日（班）报表、模拟量报警日（班）报表、开关量报警日（班）报表、开关量状态变动日（班）报表、监控设备故障日（班）报表、模拟量统计值历史记录查询报表、累计量日（班、月）报表等。
Ø 人机对话功能
系统具有人机对话功能，以便于系统生成、参数修改、功能调用、控制命令输入等。并具有操作权限管理功能。
3.3视频系统
水泵房配置2台本安型摄像仪，地面监控人员可以直接对井下情况进行实时监控，不仅能直观的监视和记录工作现场的安全生产情况，而且能及时发现事故苗子，防患于未然，也能为事后分析事故提供有关的手图像资料。
通过井下万兆节点交换机，经光纤链路传输到地面，由工业视频系统采集视频信号进行显示，并对图像进行存储。

1.3 控制方式
系统有四种控制方式：就地手动、就地自动、远程控制、无人值守。
1. 就地手动
采用手动操作时，由井下操作人员根据生产需要以及设备状况，通过操作操作台上的按钮，实现设备的启动、停止。
2. 就地自动
在操作台上发出启动命令，水泵的电动球阀、电动闸阀及电机等设备，按照设定流程启动。当集控操作台发出停止命令后，水泵系统将关闭闸阀后，停止电机。
3. 无人值守
系统根据水仓水位个高低及用电时间，实现水泵自动启停。
4. 远程控制
水泵的启停由地面控制，同时可以实现无人值守与远程自动、远程手动间的切换。
1.4 系统功能
1.4.1故障停泵
1、水泵在自动控制工作方式下运行发生故障时，计算机将按照所设定的停泵程序自动停止运行水泵。
2、水泵在“检修”工作方式下运行，当发生故障需要停泵时，应按下列顺序操作：
² 同时关闭管路的手动闸阀，严禁阀门在开通位置停机；
² 待阀门关闭到位后，停电动机；
² 不论水泵在哪一种工作方式下运行，当发生故障需要紧急停泵时，司机可按下“急停”按纽(带机械自锁)。
3、故障停泵后，查明故障原因，立即向有关汇报。
4、按下“故障复位”按纽，使系统恢复正常，为启动备用水泵做好准备。
1.4.2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，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。
1.4.3自动控制
系统控制设计选用了西门子300系列为控制主机，该PLC为模块化结构，由数字量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。
1.4.4动态显示
就地动态模拟显示选用操作屏，地面操作站系统动态模拟显示采用组态王组态软件开发，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。
1.4.5通讯接口
PLC与操作屏进行以太网通讯，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，实现井下排水系统的三遥，并为矿提供生产决策信息。操作屏与监测监控站均可动态显示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。
1.5 系统软件功能
系统建成后可以实现自动采集、现实水泵的各种运行参数；根据水仓水位、生产工作制及负荷情况控制水泵自动工作。根据监测到的信号判断水泵的工作情况，故障时能及时发出报警信号，并根据工作类型停泵；可自动、手动控制水泵的启停及电动闸阀的开、关及开度。在矿井地面调度监控中心可完成对水泵控制的各种操作。系统能与矿井综合调度系统无缝连接，实现数据的共享。
系统设自动、手动操作控制方式，在自动控制中可实现无人值守全自动运行或在上位机上通过鼠标键盘完成操作，在手动控制中可实现自动控制故障或退出集控时在机房操作箱上操作。
具体表现以下几个方面：
1、自动控制功能
系统根据工况设定，以及时间、水位、煤矿用电负荷等参数自动开启、停止水泵的运转、并能实现泵阀的联锁起动，对运行中的各种参数进行实时控制，通过接口向上传送数据。
1） 地面计算机统计每天矿井的用电负荷情况，确定用电高峰、低谷时间，并将参数传给本系统控制主机机；或在本机上根据统计出的时间进行设定。
2） 根据所监测的水位信号，设定出低水位、高水位和上限水位信号。
3） 每台水泵设置运行、备用和检修三种工作方式，该方式可以在本机上设定或地面主机设定。当水位达到高位或不在高位而 处在用电低谷时间内，将自动启动运行泵。当水位达到高位或不在高位而处在用电高峰时间时自动停泵。当水位到上限水位时，自动运行泵及备用泵，直到水位低于高位时停止“备用泵”只运行“运行泵”，当达到低于或不在高位而 处于用电高峰时间内时自动停泵。
4） 系统可自动或手动选择以实现备用泵的循环启动和停止。
5） 将本机工作方式转为“地面控制”时，各水泵由地面主机控制。
6） 当运行的水泵出现轴承超温、开关柜故障、流量不够时自动停止运行，并提示、报警。
2、手动控制功能
根据实际需要也可以从自动控制方式切换到手动控制方式。系统采用手动操作时，由工作人员根据生产需要以及设备状况操作控制箱上的按钮完成设备的启动、停止。
3、单机自动控制
地面监控主机将工作方式切转到单机自动时，可在地面监控主机上单独控制系统中的各设备。此时各分站仍处于自动状态，当保护信号动作时仍报警停机。
4、就地紧停功能
不论在何种控制方式下，均可在通过紧停按钮来停止运行该设备。
5、现场编程
用户可在现场通过面板上的键盘对系统参数进行修改。
6、组网功能
该分站挂接在变电所的交换机上，通过交换机与全矿综合自动化系统连接。
7、水泵运行计量/时间/运行统计
在地面控制站上应可分别对每台水泵的运行电耗、工作时间等进行统计，便于管理人员及时掌握每台水泵的工况。
8、图形曲线显示
在地面控制站上应可实时显示各设备运行图。并提供开放式的图形制作软件，用户可描绘各种动态图形、静态图形，同时支持多种图形格式，图形画面具有链接功能，可以很方面地切换其它画面显示。可显示实时曲线，可显示年、月、日个时间段的历史曲线和具体数据表。
9、实时报警/报警记录
在现场PLC控制器上可汉字显示各故障信息并报警，在地面控制站上可显示现场单元当前的报警信息以及保存的报警记录。