井下中央泵房排水自動監控系統的製作方法

2023-10-17 03:01:29 4

專利名稱：井下中央泵房排水自動監控系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種井下中央泵房排水自動監控系統。
背景技術：
礦井排水系統負責將井下湧水排至地面， 一般由井下中央泵房集中將湧水排至地面；井下中央泵房排水系統能否可靠、有效地運行，將關係到整個礦井的排水安全乃至礦井安危。井下中央泵房排水系統一般由水泵及電機、水泵啟動高壓開關櫃、水倉、吸水井、水泵抽真空裝置(真空泵或水射流抽真空裝置)、三閥(閘閥、止回閥、底閥；閘閥、止回閥安裝在排水管路上，底閥安裝在水泵吸水管末端)，配水閘門(安裝在水倉與吸水井之間或吸水井與吸水井之間)以及排水管路等組成；中央泵房排水系統設備具有電機功率大、電壓高、啟動停止操作複雜、運行故障多發等特點。
目前，普通礦井中央泵房排水系統設備，其閘閥、配水閘門、水射流抽真空裝置均為手工操作，無電動執行機構；吸水井水位觀測、水泵起停等操作均為人工方式。存在著勞動強度大、操作過程複雜，啟動停止時間長、效率低等諸多不適應現代化礦井管理的問題。
專利申請號為200710185265. 3、發明名稱為"一種礦用隔爆兼本安型數位化自動排水系統"的專利申請，公開了一種礦用隔爆兼本安型數位化自動排水系統，屬於煤礦井下自動化檢測技術領域。目的在於公開一種能夠準確、安全、可靠檢測煤礦井下水倉水位並實時啟動排水系統的防爆兼本安型數位化自動控制系統的技術方案，其特徵在於該系統由本安型數字水位傳感器I、隔爆兼本安型控制迴路II和本安電源電路III三部分組成，是一套數位化、智能化監控系統，具有實時採集並存儲水位信號，監控水泵電機工作狀態、水倉流量，並實時控制電犰的開停，實現數據顯示、設限報警和上位機串口通信等功能。並按照煤礦行業安全標準設計，防爆標誌為Exdib，可應用於一般礦井和高瓦斯礦井的井下水倉水位的自動監測和自動化排水系統。
專利申請號為200610171313. 9、發明名稱為"主排水泵智能型無人遠程監控裝置"的專利申請，公開了一種主排水泵智能型無人遠程監控裝置，其
5是實現煤礦井下主排水泵房(也可以用於其它行業)無人監控的一個必要裝 置。為我國煤礦主排水泵房向智能化、機電一體化、無人監控化的方向發展， 提供了必要的物資基礎。該產品具有如下主要特徵l.利用各種傳感器和工 業控制計算機實現了對水泵各主要參數的連續化監測。2.編制管理軟體，實 現主排水泵房的智能化無人管理。3.利用網際網路傳輸信息，實現無人遠程監 測功能。
專利申請號為200610002370. 4、發明名稱為"礦井安全抗災型自動化主 排水系統"的專利申請，公開了礦井安全抗災型自動化主排水系統，其可以 實現礦井的正常排水、突發水災事故搶險排水及災後礦井生產恢復排水的功 能。該系統由全自動地面遠程監測與操控系統、多級離心水泵、水冷或分體 風冷防水防爆型電機等組成。所述的全自動地面遠程監測與操控系統，通過 實時遠程監測礦井水位與設備工作狀況，實現遠程開、停電機功能和井下主 泵房排水管網的開、關電動閘閥的功能，由控制開關、傳感器、數據總線、 數據顯示及處理等硬體和軟體組成；水泵是普通的礦用多級離心式排水泵， 由電機帶動水泵工作，實現排水功能；電機結構型式是自動控制的水冷或分 體風冷和防水密封的防爆型電機。

發明內容
本發明的目的是提供一種採用工業計算機可編程序控制技術、傳感技術 等新技術的井下中央泵房排水自動監控系統。
為實現上述目的，本發明採用的技術方案為
一種井下中央泵房排水自動監控系統，包括井下中央泵房排水系統和 排水自動監控系統，其特徵是
井下中央泵房排水系統包括水泵及電機、水泵啟動高壓開關櫃、水倉、 吸水井、水泵抽真空裝置、閘閥、止回閥、底閥、配水閘門以及排水管路； 閘閥、止回閥安裝在排水管路上，底閥安裝在水泵吸水管末端，配水閘門安 裝在水倉與吸水井之間或吸水井與吸水井之間；本發明的閘閥、配水閘門、 水泵抽真空裝置均具備手動、電動兩種操作方式，並在其電動執行機構上安 裝了行程開關；吸水井安裝了超聲波液位儀；水泵高壓啟動開關櫃裝備具有 數據傳輸接口的電子綜合保護單元，實現自動化運行及遠處監控；水泵電機 定子安裝Pt100電阻，水泵軸承、電機軸承均安裝溫度傳感器，在水泵吸水管上安裝了超聲波流量計和測量水泵真空度的負壓傳感器；水泵排水管安裝 了壓力傳感器；所有傳感器及行程開關信號上傳至對應的數字量輸入模塊或 模擬量輸入模塊；系統在水泵的進水段安裝有負壓表，用於在開泵前監測水 泵的真空度；在水泵的出水口安裝有壓力表，用來監測水泵高壓合上而電動 閘沒有開啟時的壓力；
排水自動監控系統包括PLC控制櫃及其遠程擴展模塊、現場數據總線、 觸控螢幕、模擬量和開關量輸入模塊、各種監測探頭、行程開關、液位儀、執 行部分，通過工業乙太網與地面調度室計算機相連；
(1) 吸水井水位監控由吸水井安裝的超聲波液位儀進行測量，所測量的 信號是一個連續信號，能夠實時反映吸水井水位，超聲波液位儀所測的水位 信號先進入模擬量輸入模塊，再上傳至PLC控制櫃，隨時在監控系統的計算 機界面上顯示；吸水井高水位在設定的值時開泵、停泵；
(2) 水泵啟動高壓開關櫃狀態監測水泵啟動高壓開關櫃安裝有電子綜合 保護單元，開關櫃的各種參數，電壓、電流、功率、功率因數、開關櫃斷路 器的位置信號通過RS485通訊方式進入PLC控制櫃，PLC控制櫃根據上傳的 信息就可以自行判斷高壓開關櫃是否具備啟動條件，運行中當開關櫃電流、 電壓參數出現過電流、過電壓、欠電壓異常時，系統分別設計報警或延時停 車；
(3) 閘閥、水射流抽真空裝置的球閥，配水閘門閥位判斷由在其上面安 裝的行程開關來判斷閥位置是處於關閉還是開啟狀態，行程開關提供的開關 量信號傳送到數字量輸入模塊，在模塊內處理後傳送到遠程擴展模塊，再經 過現場數據總線傳送至PLC控制櫃，以供PLC邏輯運算判斷；
(4) 真空泵球閥閥位判斷由在其上面安裝的行程開關來判斷閥位置是處 於關閉還是開啟狀態，行程開關提供的開關量信號傳送到數字量輸入模塊， 在模塊內處理後傳送到遠程擴展模塊，再經過現場數據總線傳送至PLC控制 櫃，以供PLC邏輯運算判斷；
(5) 設備各個測溫點溫度的測量電機定子繞組預埋了 Ptl00的電阻，電 機軸承、水泵軸承也分別安裝了溫度探頭，所測量的信號先傳送到多路溫度 巡檢儀，測算出溫度信號後，通過RS485通訊方式，將數據傳送到遠程擴展 模塊，再經過現場數據總線傳送至PLC控制櫃，以供計算機邏輯判斷控制；在PLC可編程序控制器中分別設定了電機定子、電機軸承、水泵軸承的上限 溫度，上限溫度值為兩級參數，當達到第一級溫度時，系統報警並顯示，當 達到第二級溫度時，控制系統自動停止水泵避免設備損壞，以上各點所測量 溫度，均能在控制系統的計算機界面上實時顯示；
(6) 壓力傳感器、負壓傳感器信號測量開泵前應先將水泵腔體抽真空， 在水泵的吸水管負壓表上安裝了負壓傳感器，其信號先傳送到模擬量輸入模 塊，再經現場數據總線傳送到PLC控制櫃，其負壓值可實時測量，當負壓值 達到設定值時表示水泵己抽真空，水泵可以啟動，否則水泵不能啟動；在排 水管的壓力表上安裝了壓力傳感器，其數據傳送方式與路徑與負壓傳感器相 同；
(7) 系統故障判斷PLC控制櫃依據在現場採集到的各種信息，判斷排水 系統中的各種參數數值，將採集到的參數數值與系統報警設定值相比較，如 果數據異常，說明有故障，PLC控制櫃將驅動報警器報警並顯示故障類別， 根據程序設定要求停泵；
(8) 根據吸水井水位情況自動控制水泵的啟停及運行臺數在半自動或全 自動運行方式下，當吸水井水位至設定值時，PLC控制櫃根據邏輯程序首選 判斷哪幾臺泵具備啟動條件，自行選擇其中一臺泵按邏輯控制的指令，將其 選定的水泵啟動；水泵啟動後，隨時監測、運算系統的各種參數，當水泵開 啟後，如果吸水井水位下降的速度低於設定值，系統將在第一臺水泵開啟後 半小時之內自動開啟另外一臺水泵加大排水的能力，如果吸水井水位下降速 度的仍達不到設定值，再啟動一臺水泵，直至吸水井水位下降速度滿足設計 值要求；當吸水井水位排至設定值時，PLC控制櫃控制按程序自動逐臺順序 停泵；每臺水泵的運行時間，PLC控制櫃計算機內內均有記錄並進行運算； 當一臺水泵累計工作到設定值後，系統將選擇另外一臺水泵運行；計算機可 以根據邏輯運算結果輪流或交叉啟動水泵，單臺或多臺運行，控制各水泵輪 流工作，使每臺水泵磨損程度均等，保證各臺水泵的運行時間相當；
(9) 根據吸水井水位，供電峰谷段時間劃分情況，在PLC可編程序控制器 中設置了避峰時間段，將此時間段輸入PLC程序內，PLC根據吸水井水位情 況、吸水井水位上升速度情況，自動選擇開泵時間、開泵臺數，確保水泵運 行合理，在排水安全和避峰時間之間，本著避峰時間服從排水安全的原則。根據所述的井下中央泵房排水自動監控系統，其特徵是在所述水泵電 機迴路中串入電抗器，在電機啟動後將電抗器切除，電機投入正常運行。
根據所述的井下中央泵房排水自動監控系統，其特徵是在吸水井內增 設了一個投入式液位儀。
根據所述的井下中央泵房排水自動監控系統系統，其特徵是所用的閘 閥電動機構是多迴轉閥門電動裝置，其控制點有四個，分別為兩個行程開關 電動閥開到位，電動閥關到位；兩個轉矩開關開過轉矩，關過轉矩；這些 接點均為常閉接點。
根據所述的井下中央泵房排水自動監控系統，其特徵是所述的排水自 動監控系統採用三級控制結構，用戶可以在地面調度室、PLC控制櫃以及就 地控制箱完成對排水系統的監控；監控網絡採用PROFIBUS DP現場數據總線 與工業乙太網相結合的形式；PLC控制櫃與遠程擴展模塊之間採用PROFIBUS DP現場數據總線通訊模式；地面調度室計算機與PLC控制櫃之間的通信採用 工業乙太網。
本發明在簡化操作工藝、減輕工人勞動強度、提高系統工作可靠性、降 低設備事故率等方面取得了良好效果；本發明採用三級控制結構，用戶可以 在地面調度室、PLC控制櫃以及就地控制箱完成對排水系統的監控，排水系 統工作方式為全自動運行、半自動運行、就地控制箱控制方式。同時能夠實 現供電削峰填谷節約電能。主要有益效果如下
1、 根據吸水井水位等情況自動控制水泵的啟停及運行臺數。
2、 控制各水泵輪流工作，使每臺水泵磨損程度均等。
3、 根據吸水井水位，供電峰谷段時間劃分等情況，合理調度水泵運行， 節省運行費用。
4、 實時監測水泵及電機的工作參數。
5、 具有故障報警、自動保護功能。
6、 組網功能通過光纖接入全礦綜合自動化系統，利用區域網進行數據 資源共享，實現遙測，遙信，遙控功能。


圖1為本發明中單臺水泵的工作示意圖。
圖2為本發明井下中央泵房排水自動監控系統的方框圖。圖3為本發明井下中央泵房排水自動監控系統的結構框圖。
附圖中1、排水管；2、止回閥；3、真空表；4、壓力傳感器；5、離 心水泵；6、真空表；7、負壓傳感器；8、吸水泵；9、配水閥門(正常處於 開啟狀態；10、投入式液位儀；11、超聲波液位儀；12、底閥；13、吸水井; 14、水倉；15、高壓開關櫃綜保單元；16、井下中央變電所；17、 PLC控制 櫃及觸控螢幕；18、工業乙太網；19、 PR0FIBUS DP現場數據總線；20、中央 泵房就地控制箱。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明-
一、 概述、
礦井排水系統負責將井下湧水排至地面， 一般由井下中央泵房集中將湧 水排至地面；井下中央泵房排水系統能否可靠、有效地運行，將關係到整個 礦井的排水安全乃至礦井安危。井下中央泵房排水系統一般由水泵及電機， 水泵啟動高壓開關櫃、水倉、吸水井、水泵抽真空裝置(真空泵或水射流抽 真空裝置)、三閥(閘閥、止回閥、底閥；閘閥、止回閥安裝在排水管路上、 底閥安裝在水泵吸水管末端)，配水閘門(安裝在水倉與吸水井之間或吸水井 與吸水井之間)以及排水管路等組成；中央泵房排水系統設備具有電機功率 大、電壓高、啟動停止操作複雜、運行故障多發等特點。目前，我國礦井中 央泵房水泵啟動、停止、運行普遍採用人工手動操作，存在著勞動強度大、 操作過程複雜，啟動停止時間長、效率低等諸多不適應現代化礦井管理的問 題。針對以上現狀，本發明研發應用了井下中央泵房排水自動監控系統，該 系統以棗礦集團濱湖礦井為研究對象，研發過程中廣泛結合目前較先進的監 控理論，工業計算機可編程序控制技術，傳感技術等新技術較好的解決了上 述問題；在簡化操作工藝、減輕工人勞動強度、提高系統工作可靠性、降低 設備事故率等方面取得了良好效果；同時能夠實現供電削峰填谷節約電能。
二、 排水系統設備情況
普通礦井中央泵房排水系統設備，其閘閥、配水閘門、水射流抽真空裝 置均為手工操作，無電動執行機構；吸水井水位觀測、水泵起停等操作均為 人工方式。
為實現水泵自動化運行，本發明的水泵閘閥、配水閘門、水射流抽真空裝置均具備手動、電動兩種操作方式，並在其電動執行機構上安裝了相應的 行程開關。如圖1所示，吸水井安裝了超聲波液位儀和投入式液位儀，水泵 高壓啟動開關櫃裝備具有數據傳輸接口的電子綜合保護單元，使開關櫃具備
實現自動化運行及遠處監控的基本條件；水泵電機定子安裝Pt100電阻，水 泵軸承、電機軸承均安裝溫度傳感器，在水泵吸水管上安裝了超聲波流量計 和測量水泵真空度的負壓傳感器，水泵排水管安裝了壓力傳感器。所有傳感 器及行程開關信號上傳至對應的數字量輸入模塊或模擬量輸入模塊。為實現 水泵自動化運行，本發明水泵閘闊、配水閘門、水射流抽真空裝置均具備手 動、電動兩種操作方式，並在其電動執行機構上安裝了相應的行程開關；吸 水井安裝了超聲波液位儀和投入式液位儀，水泵高壓啟動開關櫃裝備具有數 據傳輸接口的電子綜合保護單元，使開關櫃具備實現自動化運行及遠處監控 的基本條件；水泵電機定子安裝Pt100電阻，水泵軸承、電機軸承均安裝溫 度傳感器，在水泵吸水管上安裝了超聲波流量計和測量水泵真空度的負壓傳 感器，水泵排水管安裝了壓力傳感器。所有傳感器及行程開關信號上傳至對 應的數字量輸入模塊或模擬量輸入模塊。
本發明以中央泵房安裝5臺礦用多級離心水泵(MD280-65X9),配套5 臺電機(ykk5001-4， 800KW, 6KV)，水泵排水流量為280立方米每小時，水 泵揚程585米為實施例來對本發明作進一步說明。
當水泵啟動時，為了減小電機的啟動電流，在電機迴路中串入電抗器， 在電機啟動後6秒，將電抗器切除，電機投入正常運行。系統所用的閘閥電 動機構是多迴轉閥門電動裝置，其控制點有四個，分別為兩個行程開關電 動閥開到位，電動閥關到位；兩個轉矩開關開過轉矩，關過轉矩；這些接 點均為常閉接點。系統在水泵的進水段安裝有負壓表，用於在開泵前監測水 泵的真空度，當負壓表指示為-100Pa時，表示已經達到真空，可以給電機送 高壓。在水泵的出水口安裝有壓力表，用來監測水泵高壓合上而電動閘沒有 開啟時的壓力是否為5.8MPa，當電動閘閥開了之後，壓力應為5.2MPa左右。
三、排水自動監控系統設計功能要求
1、 根據水倉水位等情況自動控制排水泵啟停；
2、 控制各泵輪流工作,使每臺磨損程度均等；
3、 根據水倉水位、供電峰谷段時間劃分等情況，合理調度水泵運行，節省運行費用；
4、實時監測水泵及其電機的工作參數。如:水泵流量、壓力、軸溫、電 機溫度、電機啟動與工作電流等；
具有故障報警、自動保護等功能；
組網功能通過光纖接入全礦綜合自動化系統，利用區域網進行數據資 源共享，實現遙測，遙信，遙控功能。
四、 排水自動監控系統組成
系統由PLC (可編程邏輯控制器)控制櫃及其遠程擴展模塊、觸控螢幕、 檢測部分(模擬量和開關量輸入模塊、各種監測探頭、行程開關、液位儀等)、 執行部分等組成，井下中央泵房排水自動監控系統的方框圖如圖2所示。通 過工業乙太網與地面調度室計算機相連，地面調度室計算機也作為監控系統 的一部分。PLC可編程序控制器型號西門子S7.300。
五、 排水自動監控系統結構
考慮到運行、維護特點，在地點上該系統採用三級控制結構，用戶可以 在地面調度室、PLC控制櫃以及就地控制箱完成對排水系統的監控。綜合考 慮系統對於實時性、可靠性以及傳輸距離等的要求，監控網絡採用PROFIBUS DP現場數據總線與工業乙太網相結合的形式。PLC與遠程擴展模塊之間採用 PROFIBUS DP現場數據總線通訊模式，PROFIBUS是目前國際上通用的現場總 線標準之一，符合-IEC 61158國際標準以及-JB/T10308. 3-2001標準，其 中所包含的PROFIBUS DP方式主站和從站之間採用輪循的通訊方式，主要應 用於製造業自動化系統中單元級和現場級通信，具有較高的實時性和較高的 可靠性；地面調度室計算機與PLC之間的通信採用工業乙太網，工業乙太網 是基於IEEE 802.3 (Ethernet)的強大的區域和單元網絡了，利用工業以太 網，提供了一個無縫集成到新的多媒體世界的途徑。這種結合PROFIBUS DP 現場數據總線和工業乙太網的網絡結構可以兼顧提供可靠的現場控制平臺和 人性化的上位機監控平臺，符合工控領域的發展趨勢。
用戶在就地控制箱完成對於單臺水泵運行方式的設定，可以將其設定為 就地、半自動、全自動三種方式中的任意一個。當設定為全自動時，水泵將 根據水位等條件自動啟停。所以三級控制結構主要是針對就地和半自動兩種 方式。就地箱控制控制方式下，用戶在就地箱完成對單臺水泵的操作；半自動方式分為觸控螢幕集控和調度中心集控兩種(在觸控螢幕進行設定)，分別對應
觸控螢幕一鍵啟停和集控中心一鍵啟停。系統結構如圖3所示。
1、 就地箱控制控制
該控制方式主要方便用戶對系統的執行機構進行維護，在該方式下，用 戶利用就地箱上的按鈕及指示燈一對一的操作球閥、閘閥以及真空泵等，為 保證維護人員的人身安全並防止他人對維護中設備進行誤操作，將就地箱控 制方式的控制級別設為最高級，在此方式下觸控螢幕以及集控中心水泵監控終 端只能進行監測，操作無效。
2、 半自動觸控螢幕集控
該控制方式下操作者在井下中央泵房的PLC控制櫃的觸控螢幕上即可完成 對每一臺水泵的啟停和狀態監測，用戶只需在觸控螢幕上按壓啟動/停止鍵，觸 摸屏將命令下達到PLC控制櫃的中央處理單元模塊，PLC控制櫃將根據控制 邏輯完成對水泵的啟動和停止。
3、 半自動調度室集控
該控制方式下操作者在的地面調度室的計算機監控終端完成對每一臺水 泵的啟停和狀態監測，用戶在操作終端下發啟動/停止指令，指令由計算機服 務器通過工業乙太網下發到PLC控制櫃，與半自動觸控螢幕集控相伺，剩下的 工作由PLC控制櫃完成。
4、 全自動方式
投入全自動運行的水泵完全由PLC控制櫃控制，用戶只需進行監測，水 泵將按照水位等條件自動啟停。
5、 操作軟體
為適應系統需要，井下和調度室各設一個操作終端。井下操作終端選用 西門子TP270系列觸控螢幕，安裝在PLC控制柜上，並與監控PLC進行組態， 完成井下集中控制；調度室內選用性能穩定的研華工控機作為操作終端，終 端通過通信伺服器完成與井下監控PLC的通信，讀取水泵當前工作狀態、下 發遠程控制命令。
6、 井下觸控螢幕操作終端
作為井下的控制終端，必須能夠適應惡劣的現場環境並符合安全規程的 要求，所選TP270系列觸控螢幕結構緊湊、採用24V直流供電，安全可靠。利用PROTOOL開發工具開發操作軟體，結合操作人員的日常工作範圍，該操作 軟體集控制、監測及報警於一體，操作者在一個監控畫面下即可完成對^C泵 的啟、停控制、實時狀態監測以及故障信息的讀取，具有功能完善、操作簡 單的特點。
7、地面調度室操作終端
終端工控機作為地面調度室控制網絡的一部分，能夠方便得讀取數據服 務器中的信息，因此在具備井下操作終端的所具備的功能的基礎上增加了歷 史數據、曲線等的記錄和顯示，方便操作員掌握設備一段時間內的運轉情況， 及時進行檢修和維護。
六、排水泵啟動停止操作程序
1、 水泵啟動條件
(1) 吸水井水位適中。
(2) 水泵啟動高壓開關櫃無故障，其斷路器位置正常，供電系統電壓在允 許範圍內。
(3) 閘閥、水射流抽真空裝置的球閥處於正確關閉位置。
(4) 真空泵球閥處於正確關閉位置。
(5) 設備各溫度測量點溫度正常。
(6) 壓力傳感器、負壓傳感器等信號正常。
(7) 系統無故障。
以上水泵啟動條件由PLC控制櫃計算機能夠自行判斷。
2、 水泵啟動條件的判斷的手段和方法(參見圖l)
(1) 吸水井水位
由吸水井安裝的超聲波液位儀進行測量，所測量的信號是一個連續信號， 能夠實時反映吸水井水位，從0米 6米連續測量；我們在程序中設定，吸
水井高水位4. 5米時開泵，4. 7米時報警，最低水位1. 5米停泵。而且這個 設定值可以根據吸水井的淤煤泥情況進行調整，為提高水位測量的可靠性， 我們還增設了一個投入式液位儀，二者相互備用。水位儀所測的水位信號先 進入模擬量輸入模塊，再上傳至PLC控制櫃，隨時在監控系統的計算機界面
上顯示。
(2) 水泵啟動高壓開關櫃狀態監測水泵啟動高壓開關櫃安裝有電子綜合保護單元(採用南瑞繼保)開關櫃 的各種參數，電壓、電流、功率、功率因數、開關櫃斷路器的位置等信號通
過RS485通訊方式進入PLC控制櫃(見圖2) PLC控制櫃根據上傳的信息就可 以自行判斷高壓開關櫃是否具備啟動條件，運行中當開關櫃電流、電壓等參 數異常時(過電流、過電壓、欠電壓)，系統分別設計報警或延時停車。
(3) 閘閥、水射流抽真空裝置的球閥，配水閘門閥位判斷 由在其上面安裝的行程開關來判斷閥位置是處於關閉還是開啟狀態，行
程開關提供的開關量信號傳送到數字量輸入模塊，在模塊內處理後傳送到遠 程擴展模塊，再經過現場數據總線傳送至PLC控制櫃，以供PLC邏輯運算判 斷。
(4) 真空泵球閥閥位判斷也是由安裝在上面的行程開關來提供信號，其信 號傳送方式路徑同閘閥。
(5) 設備各個測溫點溫度的測量
電機定子繞組預埋了 Pt100的電阻，電機軸承、水泵軸承也分別安裝了 溫度探頭，所測量的信號先傳送到多路溫度巡檢儀，測算出溫度信號後，通 過RS485通訊方式，將數據傳送到遠程擴展模塊，再經過現場數據總線傳送 至PLC控制櫃，以供計算機邏輯判斷控制。在PLC可編程序控制器中分別設 定了電機定子、電機軸承、水泵軸承的上限溫度，上限溫度值為兩級參數， 當達到第一級溫度時，系統報警並顯示，當達到第二級溫度時，控制系統自 動停止水泵避免設備損壞，以上各點所測量溫度，均能在控制系統的計算機 界面上實時顯示。
(6) 壓力傳感器、負壓傳感器信號
開泵前應先將水泵腔體抽真空，在水泵的吸水管負壓表上安裝了負壓傳 感器，其信號先傳送到模擬量輸入模塊，再經現場數據總線傳送到PLC控制 櫃，其負壓值可實時測量，當負壓值達到-100Pa時表示水泵已抽真空，水泵 可以啟動，否則水泵不能啟動。在排水管的壓力表上安裝了壓力傳感器(壓 力變送器)其數據傳送方式與路徑與負壓傳感器相同，在水泵正常開啟後， 壓力應在5.2MPa左右，如果壓力低於5Mpa，說明水泵己不能正常排水，系 統報警延時50秒後停泵，以防水泵損壞。
(7) 系統故障判斷PLC控制櫃依據在現場採集到的各種信息，判斷排水系統中的各種參數 數值，將採集到的參數數值與系統報警設定值相比較，如果數據異常，說明 有故障，PLC控制櫃將驅動報警器報警並顯示故障類別；例如過電流、欠電
壓、過電壓、軸承溫度超標、閥位不正常、水泵排水流量低等，根據程序設 定要求必要時停泵。
3、水泵啟動工藝流程
(1) 全自動方式
當排水系統工作方式選定為全自動時，系統啟動程序以下當吸水井水 位低於1.5米時，系統自動啟動開泵程序，首先PLC控制櫃根據收集到的信
息判斷各種閥位處於正確位置，設備各測監點溫度值正常、壓力、負壓信號 值正常、高壓啟動開關櫃斷路器位置正常，電氣參數正常後，判定水泵已具 備啟動條件。
首先PLC控制櫃發生控制指令，命令水泵抽真空裝置工作(水泵抽真空 裝置分為兩種 一種是真空泵， 一種是水射流裝置，為保證抽真空裝置工作 正常，兩種抽真空裝置我們均都安裝了，一套工作， 一套備用；控制系統自行 選擇其中一套工作)PLC工作指令經過對應的數據傳送路徑將指令傳送到執 行機構，抽真空裝置工作，待水泵真空度達到-100Pa時，水泵高壓開關櫃自 動啟動送電，延時2秒，水泵排水管閘閥電動機構動作將閘門打開，待排水 表壓力穩定在5.2MPa時，說明水泵正常啟動，排水開始，整個過程不需人工參與。
(2) 半自動運行方式
當系統運行方式選為半自動運行方式時，有兩個操作界面可供選擇一是 地面調度室遠程半自動運行，二是井下觸控螢幕半自動運行.當選為地面調度室 遠程半自動運行時(PLC控制櫃的所有數據通過乙太網傳至地面調度室內的 計算機)操作人員在地面調度室計算機的屏幕上，點擊某臺水泵的啟動按鈕， 則某臺水泵自動啟動，停止水泵也是如此，地面調度室的計算機可實時觀測 水泵的各種運行參數，如電壓、電流、功率、功率因數、水泵排水壓力、 水泵流量、運行時間、水泵排水流量、設備各溫度測量點的溫度等參數，故 障情況、報警並顯示故障類型，緊急情況也可自動停泵，PLC控制櫃按照預 先設定的程序啟動和停止水泵。當半自動運行方式選為井下觸控螢幕集控時，操作人員在井下PLC控制櫃 的觸控螢幕上即可完成對每臺水泵的啟動停止和狀態檢査，只需在觸控螢幕上按 啟動停止鍵，PLC控制櫃就可根據控制程序完成流水泵的啟動停止操作。
(3)當系統工作方式選為就地控制箱控制時，操作人員啟動水泵時先檢査 水泵電機狀態是否完好，各閥門位置是否正常、水位是否正常、電氣參數是 否正常等並判斷能夠開泵時，先按下抽真空裝置的啟動按鈕(真空泵或水射 流抽真空裝置)抽真空裝置的球閥打開，抽真空裝置工作啟動，待水泵真空 度達到要求後，關閉抽真空裝置的閥門，抽真空裝置停止工作，按下水泵高 壓開關櫃啟動按鈕，再按下閘閥開關按鈕，水泵壓力正常後，水泵啟動成功。 停泵時，先按下閘門關閉按鈕，閘門關閉到位後，再按下水泵啟動櫃停止按 鈕，水泵停止運行，停泵結束，以上水泵的啟動停止均在就地操作箱完成。
另外由於系統所選的閘門、閥門等均為手動電動兩用，所以當電動機構 失效時，排水系統可以在完全人工的方式下啟動或停止水泵。
4、 水泵運行狀態監測；
排水系統設備各測量點所測量的信號，分別進入對應的數字量或模擬量 輸入模塊，處理後進入PLC控制櫃，在PLC控制櫃的觸控螢幕上實時顯示，排 水系統的各種參數，例如，電機電壓、啟動電流、運行電流、功率、功率因 數、排水壓力，水泵排水流量，吸水井水位、各種閥門的開關狀態，各種軸 承溫度、電機溫度等以上參數通過乙太網傳送至地面調度室的計算機，在地 面調度室計算機的操作屏幕上實時顯示，如出現故障，系統報警並根據故障 在設置了延時停泵功能。
5、 水泵的停止
(1) 正常停泵，所謂正常停泵是指水泵工作正常並將吸水井水位排至最低 時的停泵。當控制方式選為就地控制箱時，需人工按動閘門關閉按鈕，再按 下水泵開關櫃停止按鈕來停泵，當控制方式選為半自動運行或全自動運行時， 無需人工操作，PLC根據吸水井液位儀提供的水位信號，當水位排至最低時， 自動將水泵按照邏輯運算控制的程序要求停止。
(2) 故障停泵，
當排水系統設備出現故障，例如水泵電機超溫、軸承超溫、排水壓力不 正常、排水流量低於正常值20%等情況時，計算機自動報警，當控制方式選為就地控制箱時，需人工操作就地控制箱上的按鈕停泵，當控制方式選為半
自動或全自運行時，PLC根據邏輯控制，延時自動停泵，保護設備。 七、排水系統設計要求功能的實現方案、流程。
1、 根據吸水井水位等情況自動控制水泵的啟停及運行臺數。在半自動或 全自動運行方式下，當吸水井水位至4.5米時；PLC控制櫃根據邏輯程序首 選判斷哪幾臺泵具備啟動條件，自行選擇其中一臺泵按邏輯控制的指令，將 其選定的水泵啟動；水泵啟動後，隨時監測、運算系統的各種參數，當水泵 開啟後，如果吸水井水位下降的速度低於每小時0. 5米時(此值為程序設定 值也可以調整)系統將在第一臺水泵開啟後半小時之內自動開啟另外一臺水 泵加大排水的能力，如果吸水井水位下降速度的仍達不到每小時0.5米，再 啟動一臺水泵，直至吸水井水位下降速度滿足設計值要求。目的是保障礦井 排水系統的排水能力與礦井實際湧水量相匹配，保障排水安全，當吸水井水 位排至1.5米時，PLC控制櫃控制按程序自動逐臺順序停泵，兩臺水泵之間 的啟動或停止間隔時間6分鐘。
2、 控制各水泵輪流工作，使每臺水泵磨損程度均等。 每臺水泵的運行時間，PLC控制櫃監控系統的計算機內均有記錄並進行
運算；當一臺水泵累計工作10小時後，系統將選擇另外一臺水泵運行；我們 中央泵房安裝有5臺水泵，計算機可以根據邏輯運算結果輪流或交叉啟動水 泵，單臺或多臺運行，保證各臺水泵的運行時間相當。
3、 根據吸水井水位，供電峰谷段時間劃分等情況，合理調度水泵運行， 節省運行費用。在PLC可編程序設置了避峰時間，例如上午8: 00 12: OO為用電高峰，將此時間段輸入PLC程序內，PLC控制櫃計算機根據吸水井 水位情況、吸水井水位上升速度等情況，計算機自動選擇開泵時間、開泵臺 數，確保水泵運行合理，將吸水井的水位在8: OO之前降低最低，使水泵運 行時間避開8: 00 12: 00，在8: 00 12: 00時間段如吸水井水位上升至
4.5米則水泵仍然正常啟動，確保排水安全。在排水安全和避峰時間之間，
本著避峰時間服從排水安全的原則。
4、 實時監測水泵及電機的工作參數。排水系統各測量點的各類探頭、行 程開關所測量的數據通過一定的傳輸方式和路徑進入PLC控制櫃在PLC控制 櫃的觸控螢幕上實時顯示，通過乙太網上傳至地面調度室，在地面調度室的計算機屏幕上實時監測。
5、 具有故障報警、自動保護功能；已在前面敘述。
6、 組網功能通過光纖接入全礦綜合自動化系統，利用區域網進行數據 資源共享，實現遙測，遙信，遙控功能。己在前面敘述。
上面所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本 發明的構思和保護範圍進行限定，在不脫離本發明設計構思的前提下，本領 域中普通工程技術人員對本發明的技術方案作出的各種變型和改進，均應落 入本發明的保護範圍。
權利要求
1、一種井下中央泵房排水自動監控系統，包括井下中央泵房排水系統和排水自動監控系統，其特徵是井下中央泵房排水系統包括水泵及電機、水泵啟動高壓開關櫃、水倉、吸水井、水泵抽真空裝置、閘閥、止回閥、底閥、配水閘門以及排水管路；閘閥、止回閥安裝在排水管路上，底閥安裝在水泵吸水管末端，配水閘門安裝在水倉與吸水井之間或吸水井與吸水井之間；本發明的閘閥、配水閘門、水泵抽真空裝置均具備手動、電動兩種操作方式，並在其電動執行機構上安裝了行程開關；吸水井安裝了超聲波液位儀；水泵高壓啟動開關櫃裝備具有數據傳輸接口的電子綜合保護單元，實現自動化運行及遠處監控；水泵電機定子安裝Pt100電阻，水泵軸承、電機軸承均安裝溫度傳感器，在水泵吸水管上安裝了超聲波流量計和測量水泵真空度的負壓傳感器；水泵排水管安裝了壓力傳感器；所有傳感器及行程開關信號上傳至對應的數字量輸入模塊或模擬量輸入模塊；系統在水泵的進水段安裝有負壓表，用於在開泵前監測水泵的真空度；在水泵的出水口安裝有壓力表，用來監測水泵高壓合上而電動閘沒有開啟時的壓力；排水自動監控系統包括PLC控制櫃及其遠程擴展模塊、現場數據總線、觸控螢幕、模擬量和開關量輸入模塊、各種監測探頭、行程開關、液位儀、執行部分，通過工業乙太網與地面調度室計算機相連；(1)吸水井水位監控由吸水井安裝的超聲波液位儀進行測量，所測量的信號是一個連續信號，能夠實時反映吸水井水位，超聲波液位儀所測的水位信號先進入模擬量輸入模塊，再上傳至PLC控制櫃，隨時在監控系統的計算機界面上顯示；吸水井高水位在設定的值時開泵、停泵；(2)水泵啟動高壓開關櫃狀態監測水泵啟動高壓開關櫃安裝有電子綜合保護單元，開關櫃的各種參數，電壓、電流、功率、功率因數、開關櫃斷路器的位置信號通過RS485通訊方式進入PLC控制櫃，PLC控制櫃根據上傳的信息就可以自行判斷高壓開關櫃是否具備啟動條件，運行中當開關櫃電流、電壓參數出現過電流、過電壓、欠電壓異常時，系統分別設計報警或延時停車；(3)閘閥、水射流抽真空裝置的球閥，配水閘門閥位判斷由在其上面安裝的行程開關來判斷閥位置是處於關閉還是開啟狀態，行程開關提供的開關量信號傳送到數字量輸入模塊，在模塊內處理後傳送到遠程擴展模塊，再經過現場數據總線傳送至PLC控制櫃，以供PLC邏輯運算判斷；(4)真空泵球閥閥位判斷由在其上面安裝的行程開關來判斷閥位置是處於關閉還是開啟狀態，行程開關提供的開關量信號傳送到數字量輸入模塊，在模塊內處理後傳送到遠程擴展模塊，再經過現場數據總線傳送至PLC控制櫃，以供PLC邏輯運算判斷；(5)設備各個測溫點溫度的測量電機定子繞組預埋了Pt100的電阻，電機軸承、水泵軸承也分別安裝了溫度探頭，所測量的信號先傳送到多路溫度巡檢儀，測算出溫度信號後，通過RS485通訊方式，將數據傳送到遠程擴展模塊，再經過現場數據總線傳送至PLC控制櫃，以供計算機邏輯判斷控制；在PLC可編程序控制器中分別設定了電機定子、電機軸承、水泵軸承的上限溫度，上限溫度值為兩級參數，當達到第一級溫度時，系統報警並顯示，當達到第二級溫度時，控制系統自動停止水泵避免設備損壞，以上各點所測量溫度，均能在控制系統的計算機界面上實時顯示；(6)壓力傳感器、負壓傳感器信號測量開泵前應先將水泵腔體抽真空，在水泵的吸水管負壓表上安裝了負壓傳感器，其信號先傳送到模擬量輸入模塊，再經現場數據總線傳送到PLC控制櫃，其負壓值可實時測量，當負壓值達到設定值時表示水泵已抽真空，水泵可以啟動，否則水泵不能啟動；在排水管的壓力表上安裝了壓力傳感器，其數據傳送方式與路徑與負壓傳感器相同；(7)系統故障判斷PLC控制櫃依據在現場採集到的各種信息，判斷排水系統中的各種參數數值，將採集到的參數數值與系統報警設定值相比較，如果數據異常，說明有故障，PLC控制櫃將驅動報警器報警並顯示故障類別，根據程序設定要求停泵；(8)根據吸水井水位情況自動控制水泵的啟停及運行臺數在半自動或全自動運行方式下，當吸水井水位至設定值時，PLC控制櫃根據邏輯程序首選判斷哪幾臺泵具備啟動條件，自行選擇其中一臺泵按邏輯控制的指令，將其選定的水泵啟動；水泵啟動後，隨時監測、運算系統的各種參數，當水泵開啟後，如果吸水井水位下降的速度低於設定值，系統將在第一臺水泵開啟後半小時之內自動開啟另外一臺水泵加大排水的能力，如果吸水井水位下降速度的仍達不到設定值，再啟動一臺水泵，直至吸水井水位下降速度滿足設計值要求；當吸水井水位排至設定值時，PLC控制櫃控制按程序自動逐臺順序停泵；每臺水泵的運行時間，PLC控制櫃計算機內均有記錄並進行運算；當一臺水泵累計工作到設定值後，系統將選擇另外一臺水泵運行；計算機可以根據邏輯運算結果輪流或交叉啟動水泵，單臺或多臺運行，控制各水泵輪流工作，使每臺水泵磨損程度均等，保證各臺水泵的運行時間相當；(9)根據吸水井水位，供電峰谷段時間劃分情況，在PLC可編程序控制器中設置了避峰時間段，將此時間段輸入PLC程序內，PLC根據吸水井水位情況、吸水井水位上升速度情況，自動選擇開泵時間、開泵臺數，確保水泵運行合理，在排水安全和避峰時間之間，本著避峰時間服從排水安全的原則。
2、 根據權利要求l所述的井下中央泵房排水自動監控系統，其特徵是 在所述水泵電機迴路中串入電抗器，在電機啟動後將電抗器切除，電機投入 正常運行。
3、 根據權利要求l所述的井下中央泵房排水自動監控系統，其特徵是在吸水井內增設了一個投入式液位儀。
4、 根據權利要求l所述的井下中央泵房排水自動監控系統系統，其特徵 是所用的閘閥電動機構是多迴轉閥門電動裝置，其控制點有四個，分別為 兩個行程開關電動閥開到位，電動閥關到位；兩個轉矩開關開過轉矩， 關過轉矩；這些接點均為常閉接點。
5、 根據權利要求l所述的井下中央泵房排水自動監控系統，其特徵是 所述的排水自動監控系統採用三級控制結構，用戶可以在地面調度室、PLC 控制櫃以及就地控制箱完成對排水系統的監控；監控網絡採用PROFIBUS DP 現場數據總線與工業乙太網相結合的形式；PLC控制櫃與遠程擴展模塊之間 採用PROFIBUS DP現場數據總線通訊模式；地面調度室計算機與PLC控制櫃 之間的通信採用工業乙太網。
全文摘要
一種井下中央泵房排水自動監控系統，包括PLC控制櫃及其遠程擴展模塊、現場數據總線、觸控螢幕、模擬量和開關量輸入模塊、各種監測探頭、行程開關、液位儀、執行部分，監控網絡採用PROFIBUS DP現場數據總線與工業乙太網相結合的形式。包括(1)吸水井水位監控；(2)水泵啟動高壓開關櫃狀態監測；(3)閘閥、水射流抽真空裝置的球閥、配水閘門閥位判斷；(4)真空泵球閥閥位判斷；(5)設備各個測溫點溫度的測量；(6)壓力傳感器、負壓傳感器信號測量；(7)系統故障判斷；(8)根據吸水井水位情況自動控制水泵的啟停及運行臺數；(9)設置了供電避峰時間段，自動選擇開泵時間、開泵臺數。本發明提高了系統工作可靠性、降低設備事故率，對排水系統採用三級監控結構。
文檔編號E21F16/00GK101476486SQ200810159250
公開日2009年7月8日 申請日期2008年11月26日 優先權日2008年11月26日
發明者彥 劉, 張文寶, 張立俊, 朱西田, 偉 賀, 馬士亮 申請人:棗莊礦業(集團)有限責任公司濱湖煤礦