水泵无人监控系统
1．设计背景
水泵房承担着矿井的主要排水任务，对煤矿的安全生产起着举足轻重的作用。对泵房各排水泵实行全方位智能自动监控，及时掌握其泵房容水情况，以便及时完成排水任务，并掌握水泵的实时工作状态，记录水泵运行参数，保证水泵工作在完好的状态具有非常的现实实际意义，其工作的可靠性和稳定性也决定了煤矿安全生产的重要因素。
随着矿井近年来现代化管理水平的迅速提高，信息化建设的步伐也在不断加快。同时为保障煤炭的安全生产、提高全矿的生产效益，必须保证排水系统可靠、稳定、合理地运行，及时发现水泵运行系统中存在的隐患；对水泵实行数字化监控，同时实时监控泵房各水仓的水位和出水管道流量，为矿各级领导和职能管理部门及时、准确地掌握水泵实时运行状态，对井下泵房水泵建立一套水泵远程智能监控系统具有十分的必要性和重要性。
根据泵房设备现状
水泵房共有多台主排水泵。现所有水泵都没有实现地面集中自动控制排水。 出水阀门：在用水泵阀门为手动闸阀。 泵抽真空方式：手动控制真空泵。
排水管道：排水管道为两条管道并列运行。 水仓：一般泵房两个水仓，并与吸水井相连。
2．设计目的
通过实施系统自动监控，检测水仓水位和其它参数，控制水泵轮流工作与适时启动备用泵，合理调度多台水泵运行，从而提高水泵的工作效率和安全性。系统通过触摸屏和井上工业控制计算机以图形、图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时地反映设备工作状态以及水仓水位、电机温度、轴承温度、出水管道压力、排水管流量等参数，并能够监测记录并保存排水系统的重要参数。
通过通讯设备与地面调度室主机实现数据交换，实现远程智能监控并双机热备，作为矿井综合信息化建设的一部分，通过矿局域网WEB发布，实现网上控制。
3．设计依据和原则
设计方案根据联创公司安全生产泵房自动化监控实际要求而做出。系统设备符合联创公司生产环境条件，符合《煤矿安全规程》相关要求。
对井下泵房各台排水泵、水射流系统、抽真空系统、管道电动阀门和水泵轴震动等装置实施PLC智能自动连锁控制及运行参数自动检测，动态就地显示，并将数据信息传送到地面生产调度中心和生产设备控制中心，进行实时监测监控及报警显示、故障历史查询、模拟量曲线显示和报表打印。系统通过检测水仓水位、电机电流、电机电压、闸阀开启度、流量、真空度等参数，控制水泵轮换工作，合理调度水泵系统运行。系统通过液晶触摸屏以图形、图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时地反映系统工作状态以及水仓水位、电机工作电流、电机温度、水泵温度、排水管流量、水泵真空度等参数，并通过通讯接口与地面网关实现数据交换，系统的硬件设计充分考虑到将来扩充的需要，控制器的选用留有足够的裕量，系统的网络接口配置完善，为将来集成或接人矿井信息化系统预留接口。该系统具有运行可靠、操作方便、自动化程度高等特点。
4．系统组成及工作原理
4.1 系统组成
本控制系统以PLC作为控制核心，触摸屏和上位机为显示和主要操作设备，通过PLC检测水泵设备和传感器的信号，控制水泵、真空泵等设备和电动阀门、电磁阀等执行器。
控制系统由地面控制台、泵房控制主站和传感器、执行机构等组成，控制器选用西门子 S7 300系列 PLC，实现就地控制、地面远程和检修三种控制模式，远程控制可以分为联锁控制和集中控制等多种控制模式，可以供操作者根据现场实际情况灵活选用，确保在系统正常运行时操作灵活、易于维护，在系统出现故障或通讯中断时本地可以就地控制确保水泵设备的正常运行，不破坏改造前的操作功能，提高系统的稳定性。
泵房控制主站实现对泵房多台水泵的自动控制和实时监测，并将数据通过工业以太网或直连光缆传输至地面控制台。
。
图1系统结构图
（1）上位机：采用国际先进的工业级控制计算机，内置高性能组态软件，实现井上对水泵的远控，及相关数据的处理、显示等功能。
（2）PLC控制柜：有矿用一般型柜体和防暴型两种，主要由PLC、触摸屏、中间继电器、断路器、数据光端机、本安电源、线性电源、按钮和指示灯等元器件组成，具备信号采集、变换、处理、输出、显示、保护 故障报警和通讯等多种功能。
（3）传感器：主要包括超声波液位计、超声波流量计、带隔离装置的负压变送器、带隔离装置的压力变送器、电机绕及轴承温度传感器、阀门位置行程开关和过转矩行程开关等。
（4）执行器：是指电动闸阀、电动球阀等设备的执行机构。
图2矿用一般性泵房水泵自动监控系组成图
图3隔爆型泵房水泵自动监控系组成图
5．系统功能
系统可实现以下主要功能：
● 动态自动设定真空度，自动实现控制排水泵启停。 ● 控制个泵轮流工作，使每台磨损程度均等。
● 根据水仓水位、供电峰谷段时间划分情况，合理调度水泵运行，以节省运行费用。
● 检测水泵及其电机的工作参数。如：水泵流量、出口压力、泵体轴温、电机定子温度及轴温、电机电流和功率等。
● 根据水泵及电机的运行参数，测算水泵的运行效率。为水泵的维护保养提供科学依据。
● 具有故障报警、自动保护等功能。
● 具有网络通讯接口，可实现地面远程联网监视和控制。可与矿现有电力监测系统KJ95N矿井监控系统联网，预流足够的升级接口。 ● 能够实现温度巡检功能 地面远程控制
在地面设置远程控制端———地面监控计算机站，控制软件采用国际领先的工控组态软件编制，可实时监视水泵系统的运行参数，并可远程控制水泵系统得启停。本终端还能和供电控制中心操作终端互为备用。地面远程控制终端主要具有以下功能：
● 实时与井下泵房PLC进行数据通信，采集现场的各种检测参数；、● 实时记录、显示井下泵房现场进行数据、水泵工作状态； ● 自动控制水泵启动前真空泵抽真空，动态设定真空度。
● 在远程控制允许的方式下，实现对各水泵的启停运行控制； ● 实时动态模拟显示排水系统的模拟画面。
● 具有操作人员的登录管理与权限管理功能，有效防止非法操作、误操作。
● 对水泵的启停控制实时记录，便于对设备的操作查询管理。
● 可以查询设备实时运行数据及历史运行数据。运行时间和故障的记录和查询。
● 具有实时动作状态变化报警提示。 ● 实时显示各个水泵的控制模式。
● 具有主要运行参数的趋势曲线显示功能。 ● 打印运行数据功能。
地面远程控制终端主要设备组成有监控计算机、打印机、后备电源UPS、光纤收发器。地面监控计算机采用知名品牌的监控计算机，所选监控计算机可以连续24小时工作、稳定性好，防尘性能好。 5.1数据采集与检测
系统采集与检测的数据：模拟量为电机电流、电机温度、水泵轴温、闸阀开度、出水口压力、水仓水位、主排水管流量、真空度；数字量有：电动闸阀的开关限位、电机运行状态、电机故障点、电动阀的工作状态与开关限位、射流及真空泵工作状态。
数据采集主要由PLC实现，PLC通过超声波水位计连续检测吸水井水位，将水位变化信号进行转换处理，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，自动投入或退出水泵。电机电流、水泵轴温、电机温度、排水管流量等传感器，主要用于监测水泵、电机的运行状况，温度超限报警。PLC采集各种系统中各个设备状态的开关量信号进行处理，控制每个水泵系统的启停。 5.2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，本系统程序设计水泵能自动轮换工作，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。 5.3自动控制
系统控制设计选用了西门子S7300 PLC为控制主机，该PLC为模块化结构，由CPU314C-2PTP、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，系统设置在不同水仓的两套超声波水位传感器，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，本系统应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。 5.4动态显示
就地动态模拟显示选用西门子公司操作屏，地面操作站系统动态模拟显示采用组态王软件开发，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排水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。 5.5通讯接口
PLC通过485通讯协议与操作屏进行通讯，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；通过工业以太网通讯模块，由井下光纤，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主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，实现井下主排水系统的四遥，并为矿领导提供生产决策信息。操作屏与监测监控站均可动态显示主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。 5.6系统必备功能及特点
1．PLC控制程序采用模块化结构，系统可按程序模块分段调试，分段运行。该程序具有结构清晰、简捷、易懂，便于模拟调试，运行速度快等特点。
2．PLC自动检测水位信号，计算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，自动投入和退出水泵运行台数，合理地调度水泵运行。
3．系统根据水位和压力控制原则，自动实现水泵的轮换工作。 4．系统具有通讯接口功能，PLC可同时与操作屏及地面监测监控主机通讯，传送数据，交换信息，实现水泵自动监控功能。
5．系统可根据投入运行泵组的位置，自动选择启动真空泵，若在程序设定的时间内达不到真空度，便有报警输出。
6．在操作屏上动态监控水泵及其附属设备的运行状况，实时显示水位、流量、压力、温度、电流、电压等参数，超限报警，故障点自动闪烁。具有故障记录，支持历史数据查询等功能。
7．系统保护功能有以下几种：
超温保护：水泵长期运行，当轴承温度或定子温度超出允许值时，通过温度保护装置及PLC 实现超限报警。
流量保护：当水泵启动后或正常运行时，如流量达不到正常值实现报警，具有通过流量保护装置使本台水泵停止运行，自动转换为启动另一台水泵的功能。
电动机故障：利用PLC及触摸屏监视水泵电机过电流、漏电、低电压等电气故障时实现报警，具有参与控制功能。 电动闸阀故障：由闸阀的限位、开度指示检测故障，并参与水泵的联锁控制。
8、其它特点
井下泵房水泵监控系统可以工作的工作方式有：就地手动工作方式、集中控制工作方式、远程控制工作方式、检修运行方式。
就地手动工作方式：各水泵的启停控制均有就地开关柜人工操作按钮进行，在PLC控制柜上不能开启水泵，只保留在触摸屏控制水泵外围设备（如电动闸阀、电磁阀、真空泵等）开启、关闭（停止）的按钮。
集中控制工作方式：根据水位等参数，人工选择需要开启的水泵和数量，按操作面板上的相应按钮，即可实现单台或多台泵的开启、停止等操作，实现水泵的一键开启或停止。
远程控制工作方式：在地面计算机监控画面上，在有一定的授权权限条件下，根据水仓水位情况，通过计算机鼠标来控制相应水泵的启停。
检修运行方式：当该系统出现故障时，在不影响泵房设备的正常运行，避免影响生产的情况下将PLC控制柜的所有控制输出屏蔽，只保留显示功能，各水泵及其外围设备的操作均能在脱离PLC控制柜的前提下进行。
系统在正常运行过程中，不管工作在何种工作方式，均可实时将泵房现场的各种运行参数、设备状态通过通讯网络传到地面监控计算机。
6．设备选型
6.1 井上设备
（1）监控主机
井上主控室配置一台监控主机，用于监视井下北井120泵房内所有设备的运行状况和参数，该主机选用世界知名品牌的研祥610H系列工控机，
该工控机的性能参数满足下列要求：
1.机型：工业控制计算机，北井120处理器采用适应开放系统的RISC技术。
2.字长：CPU的字长至少为32位。
3.主振频率至少为P4 3.0GHz，硬件中断能力不小于16级。 4.主存贮器容量不小于2GB，可扩展。
网络支持：快速以太网IEEE802.3u，TCP/IP或类似的最新的网络支持。网络接口及同步时钟接口。
（2）显示器
井上主控室配备两台三星 943N型显示器，用于和工控机、硬盘录像机配套显示井下设备的运行状况和参数。
（3）工业数据光端机 KOM300工业级以太网光纤收发器是专门为工业领域开发的工业级以太网光纤收发器，可以在严酷的工业电磁环境下工作，适合于中国不同地域温度环境中使用，为工业控制系统联网提供了可靠基础。 6.2 井下设备
（1）可编程控制器（PLC）
① CPU模块：选用CPU314 CPU 314是一种紧凑型 CPU，用于对过程处理能力和响应时间要求很高的应用。通过其扩展的工作存储器，该紧凑型CPU也适用于中等规模的应用。内置数字量和模拟量I/O可以直接连接到过程信号，第2个串口可以连接到其它外设，诸如打印机、条码扫描器等。 ② DI模块：选用SM321。
数字量输入模块把从过程发送来的外部数字信号电平转换成PLC内部信号电平。
③ DO模块： SM322。
数字量输出模块把 PLC 的内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平。在与低漏电流的电路（例如，IEC I 型输入电路）一道使用时，网络可以断开，不会发出假的 ON 状态信号。 ④ AI模块： SM331
8通道模拟量输入模块，用来实现PLC与模拟量过程信号的连接。用于连接电压和电流传感器、热电耦、电阻和热电阻。
主要技术检测：输入电数8点，负载电压24VDC，9/12/14位分辨率，通道之间电气隔离，可组态输入，输入信号形式可以是多种等，支持诊断信息读取。
⑤ 以太网模块：CP 343 用于将S7-300通过TCP/IP和UDP连接到工业以太网。 可调节的KeepAlive功能。
（2）矿用一般型PLC控制柜
额定电压：660V 防爆标志：KY （3）超声波液位计（西门子）
检测距离：20～6000mm 输出方式：4～20mA （4） 防爆电动阀
防爆标志：EXdI出线接口：内螺纹 M20x1.5或1/2 ；特点：带有防爆接线盒，防爆外壳热锻成型更加安全可靠。
（5） 压力变送器
型
号：隔爆供电电压：DC24V 测量范围：0～5Mpa（根据井深定） 特
点：考虑到矿井内水质比较差，购买的成品传感器比较容易损坏的原因，我公司特研制一种抗冲击和腐蚀非常好的压力感应隔离装置，在多个项目应用后，传感器使用寿命长、可靠性高效果特别好。
(6) FYGZ-0.1负压隔离装置
负压隔离装置是一套可将负压传感器（变送器）与被测液体隔离的特殊装置，和传感器配套使用，具有耐高压冲击、耐腐蚀、耐磨损、易清理、传输信号不衰减等特点。特别是当被测液体混浊、含沙粒、煤泥等污物，腐蚀性高、易堵塞、腐蚀传感器（变送器）探头时，效果特别明显。解决了水泵控制用传感器易堵易损坏造成水泵控制系统不正常工作的问题，保证了煤矿井下水泵自动控制系统的正常运行，是煤矿井下水泵自动控制必备配套设备之一。 技术参数：
耐压等级：10MPa 使用压力：0~-0.1MPa 使用温度：-20~150℃
(7)YLGL10压力隔离装置
压力隔离装置是一套可将正压传感器（变送器）与被测液体隔离的特殊装置，具有耐高压冲击、耐腐蚀、耐磨损、易清理、传输信号不衰减等特点。特别是当被测液体混浊、含沙粒、煤泥等污物，腐蚀性高、易堵塞、腐蚀传感器（变送器）探头时，效果特别明显。解决了水泵控制用传感器易堵易损坏造成水泵控制系统不正常工作的问题，保证了煤矿井下水泵自动控制系统的正常运行，是煤矿井下水泵自动控制必备配套设备之一。
隔离装置由图中
2、
3、
4、
5、6等部分组成。
技术参数：耐压等级：16MPa 使用压力：0~10MPa 使用温度：-20~150℃ （8）流量计
流量计选择防爆兼本安型矿用流量传感器，该系列流量仪表是以“速度差法”为原理，测量圆管内液体流量的仪表。
多种传感器测流方式。插入式传感器、外夹式传感器、管段式传感器：测量精度高达0.5级，特别是对于小口径测量性能价格比最优越。
（9） 电动闸阀
由阀体、矿用隔爆电动装置组成。 (10)抽真空自动供水装置
由我公司研制的GFQF—5高压浮球阀采用进口特殊材料做阀芯，具有耐腐蚀关闭密封性好，压力高、寿命长等特点，与水箱组成一体形成抽真空自动供水装置，是适用于煤矿井下静压供水的泵房真空泵自动供水和需要自动储水、自动补水场合的专用阀组。高压耐腐蚀。是煤矿井下水泵自动控制系统必备的主要配套设备之一。
7．泵房相关改造
7.1动态抽真空系统
由电动球阀、真空度传感器等设备，和PLC构成动态抽真空系统，动态智能设定真空度，实现抽真空系统的可靠性和稳定性。
我公司根据多个泵房自动控制项目总结的经验，开煤矿泵房自动化控制之先河，在煤矿泵房自动化控制领域首次提出了抽真空模块化的理念，即将每台泵的射流和真空泵抽真空所需的管路、管件、电动阀门、射流器等设备集成在一个“抽真空控制装置”内，该装置具有可靠性集成度高、占用空间小、易于安装、维护、操作使用方便等特点，彻底解决了因抽真空管路复杂、故障点多、维修困难等问题。该方式已经中央泵房远程监控系统验证，运行正常、可靠，运行和维护人员反映良好。
7.2 高压开关柜改造
于原高压开关柜若不具备微机保护装置，不能接入远程监控系统，也对井下用电存在安全隐患，因此需将原高压开关柜进行改造，增加具有通讯远传功能的微机保护装置，实现井下泵房和变电所的“四摇”功能。
8．软件说明
上位机软件采用国际知名的组态王软件开发，画面友好，功能强大。示例画面如下： 在此画面中会动态显示1#、2#水管的压力及瞬时流量，4个水泵的电机前后轴温度，出水压力，真空度等信息，以及2个水仓的液位情况。
