煤礦井下排水泵自動化控制系統

1 系統設計
1.1 系統組成
系統主要由地面工作站、井下監控分站、礦用本安型操作臺、傳感器等組成，其中傳感器主要有：正壓和負壓傳感器、液位傳感器、流量傳感器等。
系統結構圖如下：
系統按照每臺水泵配置1臺帶有獨立西門子S7系列PLC系統的礦用隔爆兼本安型控制箱，每臺具有單獨自動控制一套水泵功能，含按鈕、指示燈等，能在就地實現排水泵、電動閥和電動球閥的啟停。
系統配置電動閘閥，實現水泵及管路的自動切換。
通過硬接線和通訊方式一對一分別控制防爆啟動柜。
每臺礦用隔爆兼本安型控制箱主機都可以獨立運行，互不干預，即使其中一臺有問題也不會影響其它水泵正常工作，配合視頻系統，真正做到了無人值守。技術功能、經濟可靠穩定。
整個系統要做到無人值守核心是控制系統，其中閘閥、傳感器等設備都是PLC控制系統的信號采集功能及執行機構。邏輯控制是整個無人值守排水系統的核心，是安全、可靠、穩定、經濟的保證。達到減員增效的目的。
1.2 系統功能
系統具有水倉水位、流量、壓力（含管路壓力等）、設備溫度（水泵軸承溫度、電機繞組(要求電機具備)及軸承溫度等）、電流、電壓、功率等模擬量采集、顯示及報警功能。
系統具有水泵、閥門狀態等開關量采集、顯示及報警功能。
系統具有排水量、有功電量、水泵運行時間等累計量采集、顯示及報警功能。
Ø 控制功能
系統具有地面遠程控制功能，實現水泵等啟/停地面遙控。
系統具有自動控制功能，根據水位、用電峰谷等自動啟/停水泵。
系統具有人工就地控制功能，實現水泵等啟/停就地人工控制。
系統具有按設定順序啟停多臺水泵功能。
系統具有遠程控制、自動控制、就地控制、檢修等功能設置，并可設定優先級，檢修時閉鎖其他控制狀態。
系統具有過流（短路、過負載等）、過壓、欠壓、斷相、接地、漏電、誤操作等保護功能。
Ø 調節功能
系統具有自動、手動、就地、遠程和異地調節功能。
Ø 存儲和查詢功能
系統具有以地點和名稱為索引的存儲和查詢功能，內容包括：
a）　水倉水位、流量、壓力、設備溫度、電流、電壓、功率等模擬量實時監測值；
b）　模擬量統計值（值、平均值、最小值）；
c）　水泵、閥門等開關量變化時刻及狀態；
d）　排水量、有功電量、水泵運行時間等累計量；
e）　過流（短路、過負荷等）、過壓、欠壓、斷相、接地、漏電、誤操作等保護/恢復時刻及狀態；
f）　設備故障/恢復正常工作時刻及狀態等。
智能控制箱具有存儲功能。當系統通信中斷時，分站存儲有關監控信息，系統通信正常時，上傳至調度工業計算機。
Ø 顯示功能
系統具有列表顯示功能。其中：
a)　模擬量顯示內容應包括：地點、名稱、單位、報警上（下）限、控制上（下）限、監測值、值、最小值、平均值、傳感器工作狀態、報警及解除報警狀態及時刻、閉鎖/解鎖狀態及時刻等；
b)　開關量顯示內容包括：地點、名稱、動作時刻、狀態、工作時間、動作次數、傳感器工作狀態、報警及解除報警狀態和時刻、閉鎖/解鎖狀態及時刻等；
c)　累計量顯示內容應包括：地點、名稱、單位、累計量值、時間等。
系統具有模擬量實時曲線和歷史曲線顯示功能。在同一坐標上用不同顏色顯示值、平均值、最小值等曲線。并設時間標尺，可顯示出對應時間標尺的模擬量值和時間等。
系統具有開關量狀態圖及柱狀圖顯示功能。顯示內容應包括：地點、名稱、次動作時刻和狀態、工作時間、開機率、動作次數、傳感器狀態等，并設時間標尺。
系統具有模擬圖顯示功能。顯示內容包括：排水系統圖、水泵狀態、閥門狀態、水倉水位、流量、壓力等模擬量數值等。
系統具有系統設備布置圖顯示功能。顯示內容應包括：傳感器、執行器、分站、電源箱、控制器、傳輸接口和電纜等設備的設備名稱、相對位置和運行狀態等。若系統龐大一屏無法容納，可漫游、分頁或總圖加局部放大。
Ø 保護功能
電機超溫保護：電機超過設定溫度報警。
水倉缺水保護：利用水倉缺水等參數參與保護。
電動閥門保護：檢測電動閥門的故障信號，并參與水泵的連鎖控制。
Ø 打印功能
系統具有報表、曲線、柱狀圖、狀態圖、模擬圖、初始化參數等召喚打印功能（定時打印功能可選）。報表應包括：模擬量日（班）報表、模擬量報警日（班）報表、開關量報警日（班）報表、開關量狀態變動日（班）報表、監控設備故障日（班）報表、模擬量統計值歷史記錄查詢報表、累計量日（班、月）報表等。
Ø 人機對話功能
系統具有人機對話功能，以便于系統生成、參數修改、功能調用、控制命令輸入等。并具有操作權限管理功能。
3.3視頻系統
水泵房配置2臺本安型攝像儀，地面監控人員可以直接對井下情況進行實時監控，不僅能直觀的監視和記錄工作現場的安全生產情況，而且能及時發現事故苗子，防患于未然，也能為事后分析事故提供有關的手圖像資料。
通過井下萬兆節點交換機，經光纖鏈路傳輸到地面，由工業視頻系統采集視頻信號進行顯示，并對圖像進行存儲。

1.3 控制方式
系統有四種控制方式：就地手動、就地自動、遠程控制、無人值守。
1. 就地手動
采用手動操作時，由井下操作人員根據生產需要以及設備狀況，通過操作操作臺上的按鈕，實現設備的啟動、停止。
2. 就地自動
在操作臺上發出啟動命令，水泵的電動球閥、電動閘閥及電機等設備，按照設定流程啟動。當集控操作臺發出停止命令后，水泵系統將關閉閘閥后，停止電機。
3. 無人值守
系統根據水倉水位個高低及用電時間，實現水泵自動啟停。
4. 遠程控制
水泵的啟停由地面控制，同時可以實現無人值守與遠程自動、遠程手動間的切換。
1.4 系統功能
1.4.1故障停泵
1、水泵在自動控制工作方式下運行發生故障時，計算機將按照所設定的停泵程序自動停止運行水泵。
2、水泵在“檢修”工作方式下運行，當發生故障需要停泵時，應按下列順序操作：
² 同時關閉管路的手動閘閥，嚴禁閥門在開通位置停機；
² 待閥門關閉到位后，停電動機；
² 不論水泵在哪一種工作方式下運行，當發生故障需要緊急停泵時，司機可按下“急停”按紐(帶機械自鎖)。
3、故障停泵后，查明故障原因，立即向有關匯報。
4、按下“故障復位”按紐，使系統恢復正常，為啟動備用水泵做好準備。
1.4.2水泵自動輪換
為了防止備用泵、電氣設備和備用管路長期不用而導致設備受潮或出現其他故障未經及時發現，當工作泵出現緊急故障需投入備用泵時，而不能及時投入以至影響礦井排水安全，控制程序將水泵啟停次數及運行時間和管路使用次數及流量等參數自動記錄累計，系統根據這些運行參數按一定規律自動啟停水泵，使各水泵及其管路的使用率分布均勻，當水泵在啟動或運行過程中出現故障時，系統自動停止故障水泵、投入新的水泵排水，實現水泵自動輪換工作，同時系統自動發出聲光報警，并在操作屏和地面操作站上動態閃爍顯示，記錄事故，達到有故障早發現、早處理。
1.4.3自動控制
系統控制設計選用了西門子300系列為控制主機，該PLC為模塊化結構，由數字量I/O、模擬量輸入、通訊口等模塊構成。PLC自動化控制系統根據水倉水位的高低或者根據井下用電負荷的高、低峰和供電部門所規定的平段、谷段、峰段供電電價時間段等因素，建立數學模型，合理調度水泵，自動準確發出啟、停水泵的命令，控制水泵運行。
為了保證井下安全生產，系統可靠運行，水位信號是水泵自動化一個非常重要的參數，因此，系統設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分成若干個水位段，計算出單位時間內不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，也本系統可以同時檢測井下供電電流值，計算用電負荷率，根據礦井涌水量和用電負荷，控制在用電低峰和一天中電價時開啟水泵，用電高峰和電價高時停止水泵運行，以達到避峰填谷及節能的目的。
1.4.4動態顯示
就地動態模擬顯示選用操作屏，地面操作站系統動態模擬顯示采用組態王組態軟件開發，系統通過圖形動態顯示水泵、真空泵、電磁閥和電動閘閥的運行狀態，采用改變圖形顏色和閃爍功能進行事故報警，直觀地顯示電磁閥和電動閘閥的開閉位置，實時顯示水泵抽真空情況和出水口壓力值。
用實時趨勢圖方式和數字形式準確實時地顯示水倉水位，并在啟停水泵的水位段發出預告信號和低段、超低段、高段、超高段水位分段報警，用事先錄制的語音提示形式提醒操作人員注意。
采用圖形、趨勢圖和數字形式直觀地顯示趟管路的瞬時流量及累計流量、水泵軸溫、電機溫度等動態值，超限報警，自動記錄故障類型、時間等歷史數據，并通過每臺水泵的流量計算出水泵的有效功率，以提醒巡檢人員及時檢修或更換水泵。
1.4.5通訊接口
PLC與操作屏進行以太網通訊，將水泵機組的工作狀態與運行參數傳至操作屏，完成各數據的就地動態顯示；通過井下光纖，將水泵機組的運行狀態、參數傳至地面生產指揮調度中心或機電控制中心，在地面生成圖形、趨勢圖和數字形式等直觀的界面信息，開放通訊協議，在地面監控中心有上位機，上位機通過OPC接入全礦井安全生產自動化控制網，管理人員在地面即可掌握井下排水系統設備的所有檢測數據及工作狀態，又可根據自動化控制信息，實現井下排水系統的三遙，并為礦提供生產決策信息。操作屏與監測監控站均可動態顯示排水系統運行的模擬圖、運行參數圖表，記錄系統運行和故障數據，并顯示故障點。
1.5 系統軟件功能
系統建成后可以實現自動采集、現實水泵的各種運行參數；根據水倉水位、生產工作制及負荷情況控制水泵自動工作。根據監測到的信號判斷水泵的工作情況，故障時能及時發出報警信號，并根據工作類型停泵；可自動、手動控制水泵的啟停及電動閘閥的開、關及開度。在礦井地面調度監控中心可完成對水泵控制的各種操作。系統能與礦井綜合調度系統無縫連接，實現數據的共享。
系統設自動、手動操作控制方式，在自動控制中可實現無人值守全自動運行或在上位機上通過鼠標鍵盤完成操作，在手動控制中可實現自動控制故障或退出集控時在機房操作箱上操作。
具體表現以下幾個方面：
1、自動控制功能
系統根據工況設定，以及時間、水位、煤礦用電負荷等參數自動開啟、停止水泵的運轉、并能實現泵閥的聯鎖起動，對運行中的各種參數進行實時控制，通過接口向上傳送數據。
1） 地面計算機統計每天礦井的用電負荷情況，確定用電高峰、低谷時間，并將參數傳給本系統控制主機機；或在本機上根據統計出的時間進行設定。
2） 根據所監測的水位信號，設定出低水位、高水位和上限水位信號。
3） 每臺水泵設置運行、備用和檢修三種工作方式，該方式可以在本機上設定或地面主機設定。當水位達到高位或不在高位而 處在用電低谷時間內，將自動啟動運行泵。當水位達到高位或不在高位而處在用電高峰時間時自動停泵。當水位到上限水位時，自動運行泵及備用泵，直到水位低于高位時停止“備用泵”只運行“運行泵”，當達到低于或不在高位而 處于用電高峰時間內時自動停泵。
4） 系統可自動或手動選擇以實現備用泵的循環啟動和停止。
5） 將本機工作方式轉為“地面控制”時，各水泵由地面主機控制。
6） 當運行的水泵出現軸承超溫、開關柜故障、流量不夠時自動停止運行，并提示、報警。
2、手動控制功能
根據實際需要也可以從自動控制方式切換到手動控制方式。系統采用手動操作時，由工作人員根據生產需要以及設備狀況操作控制箱上的按鈕完成設備的啟動、停止。
3、單機自動控制
地面監控主機將工作方式切轉到單機自動時，可在地面監控主機上單獨控制系統中的各設備。此時各分站仍處于自動狀態，當保護信號動作時仍報警停機。
4、就地緊停功能
不論在何種控制方式下，均可在通過緊停按鈕來停止運行該設備。
5、現場編程
用戶可在現場通過面板上的鍵盤對系統參數進行修改。
6、組網功能
該分站掛接在變電所的交換機上，通過交換機與全礦綜合自動化系統連接。
7、水泵運行計量/時間/運行統計
在地面控制站上應可分別對每臺水泵的運行電耗、工作時間等進行統計，便于管理人員及時掌握每臺水泵的工況。
8、圖形曲線顯示
在地面控制站上應可實時顯示各設備運行圖。并提供開放式的圖形制作軟件，用戶可描繪各種動態圖形、靜態圖形，同時支持多種圖形格式，圖形畫面具有鏈接功能，可以很方面地切換其它畫面顯示。可顯示實時曲線，可顯示年、月、日個時間段的歷史曲線和具體數據表。
9、實時報警/報警記錄
在現場PLC控制器上可漢字顯示各故障信息并報警，在地面控制站上可顯示現場單元當前的報警信息以及保存的報警記錄。