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    黃沙坪礦山井下泵房無人值守改造系統(礦山井下排水自動化系統)
    專欄:解決方案
    發布日期:2021-08-13
    閱讀量:881
    作者:長沙昌佳
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    各就地控制柜之間通過以太網進行通訊,當集中控制柜出現故障時,不影響各就地水泵控制器獨立控制運行,達到各水泵啟?;ゲ挥绊?,保證井下排水正常安全運行。PLC的輸出信號采用中間繼電器隔離。

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    一、改造目標及規范

    1)系統的先進性:實現自動化檢測、控制與監視。各水泵房水泵自動控制系統將單片機控制技術、計算機網絡通信技術和排水控制系統相結合,形成以“集中控制為主, 遠程監測為輔”的控制模式,實現中央水泵房的無人值守。在自動化技術裝備上達到國內領先水平。

    (2) 系統的可擴充性:為滿足礦井水處理的需要,在系統接口等方面充分考慮可擴充性。

    (3) 操作方式的靈活性:系統具備自動控制、一鍵控制、就地手動控制、遠程控制等操作方式。

    (4) 軟件畫面的友好性:設計的軟件和畫面要直觀、實用,充分考慮啟停順序及其各種例外情況,關聯信息緊湊方式顯示,方便操作和故障判斷。

    (5)信號傳輸部分:即以太網傳輸系統,保障水處理控制系統與自動化綜合平臺之間進行數據交換。

    (6)系統能夠對電機和水泵的運行參數及保護參數進行實時監測和上傳,上傳主要參數包括:電機溫度、水泵軸溫、電壓、電流,水泵實時流量、水位、真空度、水泵出水口壓力,各種閘閥、電動球閥的位置信號、過轉矩信號等。

    二、泵房自動化監控系統設計

    1、 系統方案設計

     井下泵房自動化控制系統工程的建設,考慮無人值守的系統設計,并應實現自動化排水??紤]到排水自動化系統安全性與可靠性,此自動化系統的控制結構設計為多CPU控制模式。此模式為每臺泵組設計一臺就地水泵控制器,各水泵控制器內配置CPU控制模塊與數據采集模塊,用以實現各泵組的運行參數獨立采集與啟、??刂频墓收媳Wo,此時可在就地控制或遠程控制模式“一鍵啟?!北媒M。當其中一臺水泵控制器出現故障時,不會影響其他泵組的正常運行,同時各就地控制柜內的元器件型號一致,均可互換,維護方便、快捷。

    各就地控制柜之間通過以太網進行通訊,當集中控制柜出現故障時,不影響各就地水泵控制器獨立控制運行,達到各水泵啟?;ゲ挥绊?,保證井下排水正常安全運行。

    1.1、中央泵房監控部分

    a)PLC集中控制柜:主要由可編程控制器、信號變送器、中間繼電器、顯示屏(嵌裝)、接口模塊、中間繼電器等組成,主要完成對信號的接受、變換、放大,并由PLC運算、判斷發出各種控制信號,監控水泵的運行工況。實現水泵房的無人值守。PLC的輸出信號采用中間繼電器隔離。PLC選用西門子公司S7-1200系列。

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    PLC 的I/O接口備有不少于20%的備用量。PLC通過以太網模塊(光口)接入工業以太環網,實現水泵監控子系統與全礦井的監控系統信息共享。

             

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    圖1-1:控制系統結構示意圖

    b)就地水泵控制器:以單片機開發的本安型水泵控制器,MA安全標志編號:MAB210343,防爆編號:CQEx20.1508,采用標準模塊化生產,內置標準的控制程序,將各種外圍配套設備監控及環境影響因素都引入整體系統內,通過采用各種數學模型,依據各種運算規則進行數據處理,實現傳統PLC控制功能全覆蓋,使各子系統執行最優運行方案。每臺水泵單獨配置一臺“水泵控制器”,內置單獨CPU,“水泵控制器”之間采用以太網通信,通信穩定。水泵控制器同時搭載8類傳感器,3路電動閘閥,3路電動球閥,配備顯示屏,將監測數據實時顯示并循環保存,內置電流監測模塊、云服務模塊;能控制水泵運行所關聯的電動機、閘閥、球閥、真空系統、啟動柜等所有設備;實現水泵的一鍵啟停及全自動控制,具備故障診斷、聲光報警;多種人機交互方式,支持Can、modbus、Tcp、5G、WiFi等多種通訊方式,可用實現多臺水泵組泵站的運行控制,大大降低礦井泵站運行人工費用,讓有限的運行費用更多的用于泵站設備維修和維護。更有效提高泵站設備完好率和可用保證率使水泵控制系統可靠的工作,降低礦井安全隱患,提高礦井生產的安全系數。

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    圖1-2:就地水泵控制器

       1.2、傳感器部分

    液位計:系統通過液位自動控制水泵自動啟停,因此井下水倉配置兩臺超聲波液位計,用于監測水倉水位,兩臺液位計互為備用,數據互為修正。

    流量傳感器:流量作為水泵一項重要參數,負責判斷水泵啟泵時是否成功上水,同時可反應每臺水泵運行功耗,提供水泵檢修依據。因此每趟主排水管路和水泵進水口配置一臺雙聲道超聲波流量傳感器的,有效監測水泵運行流量,為水泵的能效分析提供重要的依據。

    溫度、振動傳感器:每個水泵后軸安裝溫度振動傳感器,將水泵溫度振動準確的傳遞至PLC,反應水泵運行的穩定性,為水泵運行狀態監測及設備維護供準確的數據。

    正壓變送器:每臺水泵出水口分別安裝一臺正壓傳感器,用于水泵在起泵機開泵過程中對水泵揚程的觀察,為水泵的能效分析提供重要的依據。

    負壓變送器:每個水泵進水安裝一臺負壓傳感器,用以監測真空引水系統效果是否充分,并為設備的檢修提供準確的數據。

    溫度傳感器:每個水泵前軸、電機前后軸安裝溫度傳感器,將水泵和電動軸承運行溫度準確的傳遞至PLC,反應水泵和電動的穩定性,為水泵和電動運行狀態監測及設備維護供準確的數據。

    煙霧傳感器:煙霧傳感器用于監測礦井下因機械磨擦、電纜發熱、設備自燃等原因引起的火災事故。本產品為礦用本質安全型,安裝在煤礦井下機電硐室和水泵房。RS485信號傳遞至PLC,反應水泵和配電室的周圍環境。


    2水泵控制系統

    水泵控制系統控制過程可概括為以下六個環節:自動引水環節、閘閥操作環節、水位自動監測環節、參數傳輸環節、故障保護環節和電動機的自動控制環節。

    2.1自動引水環節

    因水泵安裝基礎高于吸水面,水泵腔體內部只有形成必要的真空度,才能將水吸入水泵腔體,使其內部葉輪完全淹沒于水中,達到啟泵時正常排水。因此,啟動前的引水是水泵工作的重要操作項目之一。本系引水方式采用真空罐引水方式,真空罐注水采用潛水泵和主管水源,互為備用,潛水泵采用380V,2.2KW,不銹鋼材質,電動球閥采用螺紋連接,閥體材質:304,閥芯閥座材質:哈氏合金,硬密封, 密封等級:ANSI CLASS V ,電源: 220VAC。

    2.2閘閥操作環節

    本系統各類排水閘閥及引水閥門改造后均為電動方式,泵房內各就地控制箱可對各電動閥就地進行開關控制。電動閥門可采用手動/自動兩種方式控制,在自動狀態下,通過PLC對閥門進行集中控制和監視;在手動控制方式下,可在就地控制箱上的按鈕對各閥門進行點動操作。當電動閘閥處于檢修狀態下,可通過閘閥手柄手動開、停閥門,電動閘閥采用天二通電動執行機構。

    2.3水位自動監測環節

    水位自動監控環節的任務是根據水位的高低自動準確發出開、停水泵命令。系統實時采集井下液位,并通過系統內部設定控制邏輯啟動相應水泵臺數,超警戒水位時,發出緊急報警指令,同時啟動排水系統內所投入的所有水泵(故障水泵、檢修水泵除外)。

    2.4參數傳輸環節

    井下PLC可編程集中控制箱內10寸模擬屏上可實時顯示水倉動態水位、水泵運行時流量、水泵壓力及電動機、電動球閥和電動閘閥的各種工作狀態。所有的檢測參數及工作狀態均可由系統通過以太網傳輸至地面監控平面,監控平面分析處理系統各項數據,并在顯示器反映出水泵運行曲線、報表,以利于地面管理人員做出正確判斷,向井下PLC可編程控制器發出控制命令。

    2.5故障保護環節

    “預警信息”:“預警信息”僅通過報警對話框提示用戶預警信息,不會對系統進行任何操作。

    “報警信息”:針對報警信息,系統提示用戶報警信息及報警內容。

    “故障報警”:針對故障報警,系統提示用戶故障信息及內容。系統如有出現故障的水泵在運行中,系統將自動停止運行中的水泵,并報警提示用戶。

    2.6電動機的自動控制環節

    該環節是排水設備綜合自動化控制系統的中心環節,根據水位情況自動開停水泵。

    為了防止因備用泵長期不用而使電機受潮或有其它故障而未被發現,當緊急情況需要水泵投入而不能運行,以至影響礦排水時效。為解決此問題,系統應能按“輪換工作制”來控制,以達到有故障早發現、早處理,以免影響礦井安全的目的。系統根據井下水泵臺數,切除1~2臺備用水泵,當系統按一定順序輪換開啟水泵時,發現某臺水泵或其所屬配套閥門故障需檢修時,系統可將該泵組退出輪換,其余各泵仍按輪換工作制運行,避免設備檢修時出現誤操作。如系統內所投入水泵總體運行時間均達到檢修時限,則系統將其切除并投入備用水泵,達到排水安全性。

     

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