中间水平水泵房自动化控制系统

1主斜井与副斜井中间水平水泵房自动化控制系统2目录1、排水设备自动化控制系统要求与目标.................................................................31.1自动排水控制系统要求.....................................................................................31.2系统技术目标....................................................................................................32、自动排水控制装置关键技术.................................................................................52.1电液控闸阀..........................................................................................................52.2射流泵工作原理..................................................................................................72.3水介质电动球阀.................................................................................................92.4小功率多回路组合开关柜................................................................................102.5智能化本安型系统控制柜................................................................................112.6传感器及信号采集...........................................................................................113、控制方式与原则...................................................................................................143.1系统控制方式....................................................................................................143.2控制原则............................................................................................................143.3远程控制界面....................................................................................................153.4保护与故障诊断................................................................................................164、系统实施方案.......................................................................................................164.1系统管网布局...................................................................................................164.2电控系统布局图...............................................................................................174.3元件列表............................................................................................................1831、排水设备自动化控制系统要求与目标煤矿井下水泵房共有3台主排水泵，为了提高主排水的可靠性，实现排水的自动化，要求对井下水泵房的3台主排水泵及出水口的电动闸阀进行监控。检测水仓水位、水泵进水管真空度、水泵出水口正压、电流、电量、流量、扬程、功率等工作状态、故障状态以及维护状态，并能实现主排水泵的各种参数上传地面，实现无人值守。现场基本参数：正常涌水量：150m3/h，最大涌水量为：200m3/h排水高度：160m排水管路2趟6＂（DN150），6.4MPa水泵：MD155-30*8水泵房尺寸：3米×3.6米×3米（长×宽×高）控制洞室：5.5米×4米×3米（长×宽×高）水泵房与控制洞室的距离为4～5米。1.1自动排水控制系统要求本系统为主排水自动控制系统，利用工业以太网环网，将主排水自动控制系统就近原则的接入到矿井工业以太环网中（需要矿方事先预留接口），最终可以在全矿矿井综合自动化调度集成平台对水泵的运行工况进行监测并可以远程控制。工程建设要求最终能够达到减人提效，集中监测、监控矿井排水系统的工序节点，可灵活地设置监控模式，并可进行实时的高质量的数据传输，方便存储数据和检索历史数据。1.2系统技术目标本控制系统用于水泵房的集中分布控制；在井下中央变电所设PLC集中控制站，采集各种信号，按照工艺流程控制各台水泵及相应的闸阀，显示各种工作状态。整个集中控制系统由PLC集控及监控部分、就地控制部分和现场设备三大部分组成，其布局如图1所示。1、采用集中控制器对水泵房设备运行实行在线监控，自动、手动控制水泵的启停及闸阀的开、关及开度，并具有自诊断功能，可实现水泵房的无人值守。42、控制系统通过以太网接入矿井工业以太干网，实现水泵监控子系统与全矿井的监控系统信息共享，满足全矿井自动化控制的要求。图1矿井自动排水控制系统示意图3、集中控制器采用S7-300系列PLC及先进的过程控制软件，综合考虑矿井各种安全信息，实现井下排水监控系统的最优控制策略；井下排水监控系统的报警，信息显示，报表统计处理全部融入整个矿井监控系统的数据系统。4、水泵房现场以计算机图形界面结合现场操作，最大程度简化操作与状态显示。5、根据水位控制原则，自动实现水泵的轮换工作。6、结合水仓水位和全矿电力负荷信息，以“移峰填谷”原则确定开、停水泵时。7、系统具有多种通讯协议可选，可与系统互联互通，软件修改可在控制室完成。58、水泵监控子系统有三种工作方式，“自动”、“手动”、“检修”。自动：自动控制下，控制室控制所有设备，并显示各水泵及闸阀工作状况和各种故障显示。PLC采集各种信号。集中控制室按照工艺流程及PLC闭锁程序顺序控制水泵及闸阀的开启。由超声液位传感器连续检测水仓水位，根据吸水井的水位及其他因素，合理调度自动开停水泵及其阀门，在正常水位时，各台水泵能自动轮换工作，最大涌水及突出涌水时，自动投入必要数量的水泵运行。此方式下可实现无人值守。当水泵出现故障时，能够及时报警，并能够自动开启备用水泵。根据水泵使用台数和水位变化率的情况可判断矿井涌水情况，从而确定水泵增加台数。手动：操作工人根据水仓显示水位，人工手动开停水泵及确定开泵台数，电机及其阀门的开、停由PLC自动执行，即PLC完成单台水泵抽真空、启泵、开液压阀等自动控制，并完成运行停止。检修：可操作任一水泵电机，闸阀，电电动阀的开关，相互动作互不闭锁。9、实施监测水泵各工况参数，包括水位、电压、电流、压力、功率、真空度等。10、实现远程编程、现场编程、完善修改系统功能。11、具有较强的兼容性和扩展性。2、自动排水控制装置关键技术2.1电液控闸阀闸阀是离心式水泵排水系统中必不可少的元件。结构如图2所示。井下自动排水系统用可控闸阀要适应井下环境，具有安全防爆、运行可靠的能力。在大型排水泵站中由于水泵功率大，扬程高，流量大，所要求的闸阀通径也大，闸阀体积和重量也相应的增加，通径DN250的闸阀重量在300Kg左右。因此，可控闸阀研究成为自动化排水系统的关键问题。研制一种轻便、灵活，控制方便，工作可靠，又适应井下特殊的工作环境的可控闸阀图2闸阀结构示意图6是本课题一项重要任务。如前所述，井下水泵房的工作过程对闸阀的设计和操作都有特殊的要求。闸阀的设计应该能够满足这个特殊性，因此，闸阀的设计应该满足以下原则：首先，功能要求：①闸阀密封性能的好坏直接影响水泵的启动性能。根据水泵的性能特点和流体力学的原理，离心式水泵的启动、运行、停止都有特殊的要求。从流体力学的中的相关知识可知，水泵在零流量时，功率最低。所以，为了使水泵低启动功率，要在启动前使闸阀关闭。另外，在无底阀的排水系统中，为水泵灌水（抽真空）也要求闸阀关闭。②闸阀开启时，要缓慢开，避免管路中流速、压力变化剧烈。水泵启动后，工作点要平稳地从起始点过渡到额定工作点，在这个过程中要避免开阀水锤。③闸阀要在水泵停前缓慢关闭。水泵在停转时，管路压力、流量同样不能变化过于剧烈，以避免引起停泵水锤。④在人工操作排水系统中，以上要求都是工人按操作规程完成。在自动排水系统中，闸阀同样要按以上工作方式要求下实现适合自动化的操作。其次，矿山中使用的特殊要求：①符合“煤安”标准，具有防爆功能；②电气控制，能够与自动控制系统连接，便于集中控制；③体积小、重量轻，便于运输、安装、维修；④符合水泵“缓开缓闭”的要求，关闭状态密封性能良好，不能出现“跑水”、“漏水”现象。⑤承压能力强，能够满足高扬程的排水系统应用。结合以上原则并且针对电动闸阀存在以下问题：①体积、重量庞大，增加其安装难度和增加配套设施（如管路等）的受力。原有的闸阀的体积和重量都比较图3电液控闸阀7大，实现电动后由于增加了设备，相应也就增加体积和重量。这个问题在使用防爆电动机组成的使用于井下的防爆电动闸阀尤为突出。②价格昂贵。由于防爆电动机的价格远高于普通的电动机，再加上由齿轮组成的大传动比减速器使得电动闸阀的价格比较高昂。③控制复杂，故障率高。电动阀门需电气驱动装置、动力传动装置和位置传感装置。这些装置的配套使用，维修困难，给安装和使用造成不便。我公司设计出电动液控闸阀结构，去掉原闸阀（图2所示）上丝杆，将旋转运动更换为直线运动。电动机正转(朝某方向)旋转时，油缸杆伸出,关闭闸阀；反转（朝另外一个方向旋转）时，油缸杆收回，闸阀打开。该电动液控闸阀结构紧凑，能够有效控制闸阀的开关速度和关闭力，避免发生水锤和楔死现象。所以根据不同的管径我们采用不同通径的电液闸阀，降低维修率，提高矿井的生产率。其模型如图3所示。2.2射流泵工作原理水泵房排水设备一般安置在水井液面以上，所以水泵启动前的灌水一般采用吸入式。为了减小井水吸入阻力，提高泵站运行效率，吸水管路不宜设置底阀。无底阀吸入式灌水，要采用专门的引水设备，对水泵排水腔和吸水管路进行抽真空，使水泵运行前充满水。引水设备一般为真空泵或射流泵。真空泵运行效率高,水泵启动快,但需要提供专门的驱动设备。射流泵结构简单，操作方便，根据矿井的地下环境和条件，射流泵的应用更为普遍。其结构包括：喷嘴、吸入室、混合管、扩散管，如图4所示。射流泵的工作原理是水射流时的“虹吸现象”，如图