泵房自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

田旭東

兗礦集團(tuán)興隆莊煤礦機(jī)電隊(duì) 山東兗州市

十采泵房是興隆莊煤礦主要的采區(qū)泵房，擔(dān)負(fù)著礦井十采、一采、七采和八采幾個(gè)采區(qū)300m3/h的排水任務(wù)，為減少泵房?jī)?nèi)工作人員強(qiáng)度，降低噪音污染對(duì)職工的危害，同時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行合理有效的維護(hù)，提高效率，興隆莊煤礦對(duì)十采泵房進(jìn)行了自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)改造。改造完成后，設(shè)備能夠安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，并且運(yùn)行過程中能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，對(duì)保障煤礦的安全生產(chǎn)非常關(guān)鍵。

一、監(jiān)控系統(tǒng)功能綜述

1.地面監(jiān)控機(jī)的主要功能

實(shí)時(shí)與采區(qū)PLC數(shù)據(jù)通信，采集現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)參數(shù)；實(shí)時(shí)記錄、顯示現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)；在遠(yuǎn)程控制允許方式下，實(shí)現(xiàn)對(duì)各水泵的啟停運(yùn)行控制；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采區(qū)隔爆開關(guān)的閉合狀態(tài)。具有采區(qū)水泵工藝畫面的動(dòng)態(tài)模擬。具有操作人員的登錄管理功能，有效防止非法操作、誤操作。對(duì)井下設(shè)備的啟?？刂茖?shí)時(shí)記錄，便于對(duì)設(shè)備的操作查詢管理。可以查詢?cè)O(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)及歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)。具有實(shí)時(shí)動(dòng)作狀態(tài)變化報(bào)警提示。

2.采區(qū)控制站的功能

對(duì)井下十采泵房的排水泵、抽真空系統(tǒng)和電動(dòng)閥門的自動(dòng)監(jiān)控。實(shí)時(shí)采集水泵的出水口壓力，并根據(jù)此值作為保護(hù)電機(jī)的一項(xiàng)參數(shù)。實(shí)時(shí)采集水泵進(jìn)水口的真空度，在啟動(dòng)電機(jī)時(shí)作為啟動(dòng)的依據(jù)。實(shí)時(shí)采集水泵電機(jī)前后軸溫度、振動(dòng)，作為電機(jī)是否運(yùn)行正常的依據(jù)。實(shí)時(shí)采集隔爆開關(guān)的電壓、電流運(yùn)行參數(shù)以及故障保護(hù)信號(hào)。實(shí)時(shí)采集兩水倉(cāng)水位，在自動(dòng)運(yùn)行方式時(shí)，根據(jù)水倉(cāng)水位的液位控制電機(jī)的自動(dòng)運(yùn)行。實(shí)時(shí)采集出水母管的管網(wǎng)壓力和出水總流量。通過就地隔爆顯示箱，就地顯示系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。就地控制箱安裝工業(yè)以太網(wǎng)模塊通過礦井千兆工業(yè)以太網(wǎng)將運(yùn)行數(shù)據(jù)傳到地面監(jiān)控機(jī)。

3.自動(dòng)輪換工作

對(duì)井下十采泵房的排水泵，為防止因備用泵及其電氣設(shè)備長(zhǎng)期不用而使電機(jī)和電氣設(shè)備受潮或銹死，在工作泵出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵時(shí)，而不能及時(shí)投入以至影響礦井安全，系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)了自動(dòng)輪換工作控制?？刂瞥绦?qū)⑺眠\(yùn)行時(shí)間自動(dòng)記錄并累計(jì)，決定下次開機(jī)時(shí)的開機(jī)順序，實(shí)現(xiàn)各臺(tái)水泵輪換運(yùn)轉(zhuǎn)，原則上1#～4#泵依次運(yùn)行，即打開1#泵啟停1次后，下次開停即為2#泵，依次為3#泵，2#泵故障不能啟動(dòng)時(shí)，及時(shí)啟動(dòng)開啟3#泵。以使各臺(tái)水泵具有較為平均的開機(jī)時(shí)間，延長(zhǎng)其使用壽命，保證煤礦的安全生產(chǎn)。

4.自動(dòng)控制

水泵泵體內(nèi)部只有達(dá)到一定的真空度，使其葉輪完全淹沒于水中，才能實(shí)現(xiàn)正常的排水。若真空度不夠，泵內(nèi)有空氣存在，將會(huì)造成不上水和轉(zhuǎn)動(dòng)部件燒壞等故障。系統(tǒng)一般采用真空泵或射流泵抽真空，由真空表監(jiān)測(cè)真空度，正常運(yùn)行情況下，有出口壓力、流量和真空度三個(gè)參數(shù)判斷水泵運(yùn)行是否正常。為減少啟動(dòng)時(shí)間和對(duì)電網(wǎng)的沖擊，水泵操作規(guī)程規(guī)定離心式水泵一定要關(guān)閉出水閘閥啟動(dòng)，而當(dāng)水泵停車時(shí)，為避免水錘事故，必須先關(guān)閉閘閥，緩慢減少流速，最后停車。

（1）水泵的開機(jī)順序。打開真空泵，自動(dòng)抽真空；抽真空完畢，開啟水泵；打開排水管路上電動(dòng)閥門；關(guān)閉真空泵運(yùn)行；水泵自動(dòng)開機(jī)完畢。

（2）水泵關(guān)機(jī)順序。關(guān)閉出水電動(dòng)閥門；停止排水泵運(yùn)行。監(jiān)控系統(tǒng)框圖見圖1，結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)成為上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)，工控機(jī)為上位機(jī)，PLC為下位機(jī)。

二、系統(tǒng)工作原理及工作方式

井下十采泵房水泵啟動(dòng)開關(guān)的電量參數(shù)由微機(jī)測(cè)控單元配合PLC共同完成，PLC自動(dòng)巡檢，通過擴(kuò)展工業(yè)以太網(wǎng)模塊CP343-1及工業(yè)以太網(wǎng)介質(zhì)轉(zhuǎn)換器OMC TP11-LD接入信息化系統(tǒng)設(shè)在該處礦千兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)上傳給地面調(diào)度中心。系統(tǒng)工作方式如下。

（1）全自動(dòng)運(yùn)行。系統(tǒng)的井下下位機(jī)PLC實(shí)時(shí)采集水倉(cāng)水位和浮球狀態(tài)，并根據(jù)水倉(cāng)水位情況和浮球的狀態(tài)，按照各臺(tái)水泵的運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短啟動(dòng)相應(yīng)水泵的運(yùn)行或停機(jī)。不需要人工參與。下位機(jī)在正常運(yùn)行過程中，可以脫離上位機(jī)的通信仍能正常運(yùn)行。

（2）就地手動(dòng)。根據(jù)水倉(cāng)水位或浮球狀態(tài)，就地通過西門子操作面板手動(dòng)控制水泵的啟停。

圖1 泵房自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)框圖

（3）遠(yuǎn)程手動(dòng)。由授權(quán)值班工作人員通過上位計(jì)算機(jī)控制水泵的啟動(dòng)和停止；系統(tǒng)在正常運(yùn)行過程中，不論何種工作方式，均可實(shí)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)的各種參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳到地面調(diào)度室。

三、設(shè)備配置

1.系統(tǒng)軟件配置

主監(jiān)控系統(tǒng)操作系統(tǒng)軟件為Windows2000 Professional，編程軟件、組態(tài)軟件和通信軟件分別采用西門子公司STEP7 V5.3SP3、WINCC V6.0SP3和SOFTNET，數(shù)據(jù)庫(kù)軟件采用微軟公司SQLserver2000專業(yè)版。

2.硬件配置

（1）采用國(guó)際知名品牌德國(guó)西門子公司S7-300系列PLC。供電AC 85～264V，頻率50Hz，運(yùn)算速度0.08Hs，存儲(chǔ)容量 64路，開關(guān)量輸入、輸出0～128點(diǎn)，模擬量輸入0～64點(diǎn)，A/D分辨率13位+符號(hào)位，A/D通道轉(zhuǎn)換時(shí)間＜70ms，A/D運(yùn)行誤差±0.5%

（2）超聲波液位儀。供電電壓DC 12～30V，測(cè)量范圍20～6000mm，輸出 4～20mA。

（3）壓力變送器。供電電壓DC 24V，測(cè)量范圍0～5MPa，輸出 4～20mA。

（4）振動(dòng)、溫度變送器。振動(dòng)測(cè)量量程范圍0～20mm/s，振動(dòng)測(cè)量綜合誤差±5%；溫度測(cè)量量程范圍0～150℃，溫度測(cè)量綜合誤差±2%，輸出特性兩線制DC/4～20mA，推薦工作電壓+24V。

（5）KJD15-A礦用隔爆兼本安型主控站（主控制箱）。適用于有沼氣爆炸性混合物，有煤塵的煤礦井下場(chǎng)所。

（6）KJK5礦用控制顯示屏（6寸）。由可編程操作屏和防爆腔組成，作為KJD15控制機(jī)的配套設(shè)備，用于膠帶機(jī)就地控制和各種故障的就地顯示。本產(chǎn)品按GB3836.2-2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第2部分：隔爆型“d”》設(shè)計(jì)制造，是隔爆型電器設(shè)備，其專門的接線腔，有多組電纜進(jìn)出線口，供與控制主機(jī)或其他裝置通信，操作靈活，堅(jiān)固可靠。

（7）BZQDF型防爆電磁閥。防爆標(biāo)志EXDII BT3 DII BT4，外殼 溫 度 T3 200℃ ，T4 135℃，出線接口內(nèi)螺紋M20×1.5mm 或 1/2 英寸，環(huán)境溫度-40～60℃，電壓電壓 AC 127V。特點(diǎn)：帶有防爆接線盒，防爆外殼熱鍛成型更加安全可靠。

四、系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

（1）MPI通信網(wǎng)絡(luò)。PLC與人機(jī)界面間的通信，將PLC中處理后現(xiàn)場(chǎng)的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)送就地人機(jī)界面顯示，同時(shí)可以將人機(jī)界面輸入的控制命令送到PLC，控制設(shè)備運(yùn)行。

（2）Profibus通信網(wǎng)絡(luò)。由于一個(gè)控制箱的外引端子數(shù)量不夠，故分成兩個(gè)，兩個(gè)箱子間采用Profibus總線實(shí)時(shí)通信。

（3）RS485通信網(wǎng)絡(luò)。在水泵的隔爆開關(guān)與PLC間的控制采用RS485，MODBUS-RTU通信協(xié)議。

（4）工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。在十采泵房PLC控制系統(tǒng)與地面監(jiān)控系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

五、系統(tǒng)控制流程

為了保證井下安全生產(chǎn)，系統(tǒng)可靠運(yùn)行，水位信號(hào)是水泵自動(dòng)化控制的一個(gè)非常重要的參數(shù)，水位傳感器的可靠性和準(zhǔn)確性直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的工作可靠性，為此選用超聲波液位傳感器，其具有精度高、非接觸式、非機(jī)械型、維護(hù)方便、安裝容易和標(biāo)定簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)控制的要求將水位信號(hào)的上限和下限分別設(shè)置超高、高、中和低等4個(gè)級(jí)別。另外還增設(shè)一套開關(guān)量水位信號(hào)傳感器（浮球），進(jìn)一步保證水位控制的可靠性。

六、應(yīng)用效果

十采泵房自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)采集信號(hào)齊全，故障保護(hù)也很全面，工作流程準(zhǔn)確無誤，通過應(yīng)用自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)以后，減輕了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了泵房的安全性、可靠性、用電效率、經(jīng)濟(jì)效益和現(xiàn)代管理水平，實(shí)現(xiàn)了泵房的無人值守。