鄆城煤礦排水自動化系統(tǒng)技術(shù)方案(初稿)

1、鄆城煤礦排水自動化系統(tǒng)技術(shù)方案龍礦集團鄆城煤礦2016年7月28日1、工程現(xiàn)狀鄆城煤礦井下設(shè)主排水泵房、擴容排水泵房，主排水泵房已安裝7臺MD420-96×10 多揚程離心水泵，流量420m3/h ，揚程935.1m，電機： 1800kW 10kV（電機采用電抗器降壓啟動方式）；擴建排水泵房設(shè)計安裝5臺（目前已安裝3臺）MD420-96×11多揚程離心水泵，流量420m3/h ，揚程983.3m，電機： 2000kW 10kV（電機采用電抗器降壓啟動方式），擴建主排水泵采用底流泵注水方式，備用射流泵抽真空注水方式。礦井主排水泵房7臺水泵通過副井井筒內(nèi)敷設(shè)的3條325mm管路

2、將井下水排至地面，擴建主排水泵房5臺排水泵通過主井井筒內(nèi)敷設(shè)的2條325mm管路將井下水排至地面。主排水泵房與擴建主排水泵房通過吸水井共用3個水倉，主排水泵房水泵采用底流泵注水方式啟停，擴建主排水泵房水泵通過底流泵注水和射流泵組抽真空兩種方式啟停。2、 工程概況礦井主排水泵房巷道變形嚴重，出水量較多，因此計劃對主排水泵房進行擴刷、返修、灌注，屆時將拆除主排水泵房內(nèi)水泵主體及相關(guān)管路，為確保礦井排水系統(tǒng)正常運行，礦井排水自動化系統(tǒng)分兩期實施。本次排水自動化系統(tǒng)設(shè)計中一并完成12臺水泵的集控方案設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成為三層結(jié)構(gòu)，地面主、備工控機為遠程自動控制層；現(xiàn)場集控臺、PLC為就地集控操作層；各類

3、傳感器、電動閥門為設(shè)備層。系統(tǒng)通過礦井工業(yè)EPON環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實時監(jiān)測礦井水倉水位、排水管網(wǎng)壓力、出水總流量，水泵運行溫度及電壓、電流參數(shù)，實現(xiàn)對水泵、抽真空系統(tǒng)和電動閥門的自動監(jiān)控，另外可根據(jù)生產(chǎn)需要在地面發(fā)出指令遠程控制，可自動實現(xiàn)“避峰就谷”降低運行成本。一期將實現(xiàn)礦井擴建主排水泵房5臺水泵的手動、就地、遠程、自動輪換和自動控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成為三層結(jié)構(gòu)，地面主、備工控機為遠程自動控制層；現(xiàn)場集控臺、PLC為就地集控操作層；各類傳感器、電動閥門為設(shè)備層。系統(tǒng)通過礦井工業(yè)EPON環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實時監(jiān)測礦井水倉水位、排水管網(wǎng)壓力、出水總流量，水泵運行溫度及電壓、電流參數(shù)，實現(xiàn)對水泵、

4、抽真空系統(tǒng)和電動閥門的自動監(jiān)控。二期工程的主排水泵房7臺主排水自動化集成安裝待泵房返修結(jié)束具備條件后，由甲方通知乙方到場施工，在一期工程基礎(chǔ)上實現(xiàn)礦井主排水泵的全面自動化控制。3、 設(shè)計原則本技術(shù)方案在選擇系統(tǒng)控制設(shè)備時，充分考慮了其先進性、可靠性、易操作性、可擴展性、高性價比及靈活性。保證提供的是全新的、成熟的、技術(shù)先進且能使水泵控制系統(tǒng)安全可靠運行的完整設(shè)備。3.1先進性在選擇各類控制設(shè)備時，充分考慮先進性，保證控制系統(tǒng)在投運三年內(nèi)仍具有很強的系統(tǒng)擴展和升級功能。采用先進的技術(shù)和設(shè)備，確保系統(tǒng)的功能、性能優(yōu)質(zhì)，運行可靠，在技術(shù)、管理方面居國內(nèi)同行業(yè)最先進水平。3.2可靠性 硬件控制系統(tǒng)：系

5、統(tǒng)中所選設(shè)備、線纜均須符合煤礦安全規(guī)程及礦用設(shè)備相關(guān)標準要求，選用國內(nèi)外知名廠家、有良好的產(chǎn)品質(zhì)量和完善的售后服務(wù)的產(chǎn)品，可保證系統(tǒng)長期、穩(wěn)定運行。 軟件程序方面：軟件采用結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計；增加系統(tǒng)的各級保護功能，所有控制命令采用兩級確認菜單，防止操作人員誤操作；加強故障檢測報警及急處理功能；全系統(tǒng)的自診斷，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的隱患，提出處理方案，防患于未然；聯(lián)鎖條件的判斷處理；具備Web發(fā)布功能；增強上位監(jiān)控機的易操作性。3.3可擴展性系統(tǒng)軟件和硬件配置及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有前瞻性。一方面，在考慮配置時，為二期工程的完善、提高留有充裕的擴展容量；另一方面，系統(tǒng)必須具有靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。將來系統(tǒng)的擴展在

6、本期系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加部分設(shè)備即可實現(xiàn)，無須變更本期系統(tǒng)的軟件、硬件，不影響本期系統(tǒng)的運行。3.4易操作性人機界面設(shè)計充分考慮其方便、美觀和實用，用戶接口及界面設(shè)計充分考慮人體結(jié)構(gòu)特征及視覺特征進行優(yōu)化設(shè)計，界面美觀大方，操作簡單實用。3.5高性價比在進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和設(shè)備選型時多做比較分析，從而使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備選型、系統(tǒng)整體性能具有高性價比。3.6設(shè)計依據(jù)及標準（1）GB3836.1-2010 爆炸性環(huán)境 第1部分:設(shè)備通用要求（2）GB3836.2-2010 爆炸性環(huán)境 第2部分:由隔爆外殼 “d”保護的設(shè)備（3）GB3836.4-2010爆炸性環(huán)境 第4部分:由本質(zhì)安全型 “i”保護的設(shè)

7、備（4）GB4942.2低壓電器外殼防護等級（5）MT209 煤礦通信、檢測、控制用電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)要求（6）煤礦安全規(guī)程（現(xiàn)行版）（7）煤礦通信、檢測、控制用電工產(chǎn)品通用技術(shù)條件（MT 209）；（8）設(shè)備可靠性試驗（GB 5080.17）；（9）電氣設(shè)備的抗干擾特性基本測量方法（GB4859-84）；（10）信息化與自動化融合技術(shù)標準（11）Q/320412BSK0012007礦用閥門電動裝置技術(shù)條件4、技術(shù)要求4.1基本功能要求 根據(jù)工況設(shè)定，以及時間、水位、煤礦用電負荷等參數(shù)自動開啟、停止水泵的運轉(zhuǎn)，并能實現(xiàn)泵閥的聯(lián)鎖啟動，對運行中的各種參數(shù)進行實時監(jiān)控，通過接口向上傳送數(shù)據(jù)。 （

8、1）地面計算機統(tǒng)計出每天礦井的用電負荷情況，確定用電高峰、低谷時間，或者管理員設(shè)定谷峰時間，根據(jù)所監(jiān)測的水位信號，設(shè)定出低水位、高水位和上限水位信號，綜合判斷水泵的開停。 （2）水位自動監(jiān)控時根據(jù)水位的高低自動準確地發(fā)出開、停泵指令。水位傳感器選用高可靠性、高準確性的超聲波液位計；當水位達到高位1值時，根據(jù)設(shè)定的避峰填谷用電時段進行監(jiān)測和處理，具體是：若處于用電低谷時，可以立即起動，若處于用電高峰，則暫緩起動。當水位繼續(xù)上升至高位2值時，則不論電網(wǎng)負荷如何（不考慮避峰填谷原則），必須起動水泵；若水位繼續(xù)上升到高位3值時，則表明起動的水泵臺數(shù)不足，必須起動備用水泵，以最大的排水能力來排除礦井涌水

9、。不論起動幾臺水泵，水位必須下降到低位時方可停泵。 （3）系統(tǒng)可自動或手動選擇以實現(xiàn)備用泵的循環(huán)啟動和停止。 （4）將本機工作方式轉(zhuǎn)為“地面控制”時，各水泵由地面主機控制。 （5）當運行的水泵出現(xiàn)軸承超溫、開關(guān)柜故障、流量不夠時自動停止運行，并提示、報警。4.2軟件功能要求 （1）軟件采用分層的模塊化結(jié)構(gòu)。任何一層的任何一個模塊的維護和更新以及新模塊的增加都不影響其他模塊的功能。 （2）軟件有容錯能力和防護性能。 （3）具有軟件運行故障的監(jiān)視功能。 （4）實現(xiàn)對現(xiàn)場集控設(shè)備電壓、電流、溫度、壓力、流量、液位等信號的檢測、傳輸及PLC分析控制，必要的故障報警和控制功能；完善、方便的人機通信控制功

10、能；（5）上位機可與礦井綜合信息系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，上位機監(jiān)控軟件支持OPC數(shù)據(jù)交換功能。（6）通過組態(tài)軟件WEB網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，實現(xiàn)在地面多個辦公終端、不同級別權(quán)限的查看與操作。 （7）預留通訊協(xié)議同時提供硬件接口設(shè)備。4.3控制功能要求 該系統(tǒng)具備手動控制/自動控制/遠程控制/檢修控制等四種工作方式。 （1）手動控制：手動控制由操作員通過操作就地/遠控、啟動/停止等按鈕，并目視監(jiān)測各種指示燈、就地儀表等實現(xiàn)。 （2）自動控制：自動控制由PLC根據(jù)設(shè)定的邏輯程序控制相關(guān)設(shè)備的開、關(guān)實現(xiàn)，PLC連續(xù)監(jiān)測相關(guān)的模擬量，當單臺泵或多臺泵處于檢修控制方式時，系統(tǒng)可自動識別判斷，跳過檢修設(shè)備實現(xiàn)其它泵的自動輪換啟

11、動。 （3）遠程控制：遠程控制由地面調(diào)度室操作員通過上位機程序?qū)崿F(xiàn)水泵的遠程啟動/停止等操作，或由具備相應(yīng)權(quán)限的管理人員通過專用WEB網(wǎng)址操作，實現(xiàn)水泵的遠程啟動/停止。 （4）檢修控制模式下，可手動/遠程啟停單臺設(shè)備、閥門，除檢修控制外，其余三種方式均會在啟動與停止過程中嚴格按照設(shè)定的邏輯流程工藝進行相關(guān)設(shè)備的電器與機械動作。4.4水泵啟、停邏輯要求 （1）開啟主排水泵第一步：當水位滿足主排水泵啟動要求時，啟動底流泵給主排水泵注水，延時5s后啟動射流泵組，開始抽真空，當壓力傳感器顯示負壓后，關(guān)閉射流泵組電動閥門，啟動主排水泵，當主排水泵出口壓力達到9.8MPa時，開啟主排水管電動閘閥（任意一

12、路主排水管路，并實現(xiàn)排水管路輪換使用），主排水泵開始正常排水。 （2）關(guān)閉主排水泵首先關(guān)閉主排水泵出水口電動閥，然后停止主排水泵，最后停止底流泵運行。4.4數(shù)據(jù)處理功能要求 系統(tǒng)實施監(jiān)測水泵各工況參數(shù)，包括水位、電流、壓力、溫度、真空度等。 在地面上位機上可實時顯示各設(shè)備運行圖。并提供開放式的圖形制作軟件，用戶可隨心所欲描繪各種動態(tài)圖形、靜態(tài)圖形，同時支持多種圖形格式（Bmp、Jpg、Gif、Icon、Avi等等），圖形畫面具有鏈接功能，可以很方便地切換其它畫面顯示?？娠@示實時曲線，可顯示年、月、日各時間段的歷史曲線和具體數(shù)據(jù)表。水泵運行計量/時間/運行統(tǒng)計：在地面控制站上應(yīng)可分別對每臺水泵的

13、運行電耗、工作時間等進行統(tǒng)計，便于管理人員及時掌握每臺水泵的工況。4.5故障處理功能要求電氣保護：取給電動機供電的高壓開關(guān)柜的電氣電流及相應(yīng)的故障信號送入系統(tǒng)，判斷電動機的工況；超溫保護：電動機的定子和軸承設(shè)有溫度傳感器，系統(tǒng)接受其輸出信號，當溫度超出允許值時，使水泵停車；流量、壓力保護：水泵起動后或正常運行中，如流量或壓力達不到正常值，通過流量、壓力保護裝置使本臺水泵停車，改為起動下臺水泵。實時報警/報警記錄：在現(xiàn)場控制臺上可漢字顯示各故障信息并報警，在地面控制站上可顯示現(xiàn)場單元當前的報警信息以及保存的報警記錄。4.6檢測與保護水泵自動控制系統(tǒng)的檢測與保護主要分為兩類：模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)

14、。4.6.1模擬量檢測的數(shù)據(jù)主要有：井下主變電所進線工作電流、水倉水位、電機工作電流、水泵軸溫、電機軸溫、電機溫度、水泵吸水管真空度及水泵出水口壓力、排水管流量。4.6.2井下工作電流檢測：在線實時監(jiān)測井下電流情況，井下電流信號取自配電設(shè)備進線總開，電流信號為標準的05A電流信號。4.6.3水倉水位檢測：選用礦用液位傳感器，動態(tài)實時檢測水倉水位。將水位信號送至PLC控制機并由控制機送至地面監(jiān)控主機，實現(xiàn)高水位起泵低水位停泵。液位計供電電壓24VDC，量程06m，兩線制輸出420mA模擬信號，具有現(xiàn)場LED數(shù)碼顯示。液位開關(guān)量程06m，兩線制輸出無源節(jié)點信號。4.6.4電機工作電流檢測：電動機的

15、工作電流監(jiān)測信號，由PLC控制系統(tǒng)從高壓開關(guān)柜的綜合保護器取信號，并參與水泵自動化控制，監(jiān)測水泵和電機的運行情況。4.6.5電機溫度檢測：電機的繞組的測溫元件 個，用PT100進行檢測。4.6.6水泵吸水管真空度供電電壓24VDC，控制電壓24vDC,量程-0.10MPa，兩線制輸出420mA模擬信號。 4.6.7水泵出水口壓力供電電壓24VDC，控制電壓24vDC,量程016MPa，四線制輸出420mA模擬信號。 4.6.8排水管路流量檢測：選用礦用防爆流量計，動態(tài)實時檢測主排水管路流量，將主排水管路流量信號送至PLC控制機并由控制機送至地面計算機，可實現(xiàn)低流量報警并停泵。供電電壓127VA

16、C，四線制輸出420mA模擬信號，具有現(xiàn)場LED數(shù)碼顯示，具有瞬時流量和累計流量顯示，卡箍式安裝，具有抗污染性。4.6.9電動閘閥的工作狀態(tài)與啟閉位置電壓等級660V-AC，控制電壓24V-DC,電動閘閥采用小功率多回路組合開關(guān)柜集中控制。4.6.10電動球閥狀態(tài)工作電壓24v-AC,控制電壓24v-DC,由PLC控制柜集中控制和顯示，同時能在集中操作臺和井上調(diào)度室集中顯示每臺電動球閥的開關(guān)狀態(tài)。4.6.11液位開關(guān)狀態(tài)將液位開關(guān)狀態(tài)信號送至PLC控制機并由控制機送至地面監(jiān)控主機，實現(xiàn)超高水位起泵低水位停泵。4.6其它功能 (1）自動輪換原則：系統(tǒng)自動記錄各臺泵組的累計運行時間，并進行排序，下

17、次啟動時優(yōu)先啟動無故障、運行時間短的水泵投入使用，實現(xiàn)水泵的均勻磨損。避免傳統(tǒng)模式中工作泵使用頻率高造成水泵磨損快、壽命短，而備用泵、檢修泵由于長期的閑置造成無法使用。 (2）效率優(yōu)先原則：當執(zhí)行多臺泵組多趟排水管聯(lián)合運行時，通過水泵特性曲線與管路特性曲線的比較，選擇最佳匹配水泵與排水管數(shù)量，保證水泵在最佳效率點運行。 (3)可靠的早期預警系統(tǒng)：報警信息分為一般性預警及報警兩種等級。一般性預警指的是非致命性故障或不致影響系統(tǒng)運行的報警，例如系統(tǒng)檢測的參數(shù)與正常運行的標準值有偏差，但還沒有達到報警的閥值時系統(tǒng)會發(fā)出一般性預警。報警信息指的是系統(tǒng)檢測到已經(jīng)影響系統(tǒng)正常運行的故障信息。5、設(shè)備規(guī)范排

18、水自動化系統(tǒng)包括：地面上位主機、傳輸設(shè)備、集控操作臺、隔爆兼本安型PLC控制箱(內(nèi)裝S7-300系列的PLC)、網(wǎng)絡(luò)攝像儀、接線盒和傳感器等，系統(tǒng)框圖如下所示：5.1上位機部分上位機為2臺研華工控機，互為主備，軟件選用組態(tài)軟件，實現(xiàn)圖形監(jiān)控、動態(tài)圖形顯示、歷史數(shù)據(jù)采集管理、狀態(tài)趨勢圖、自診斷、報警等諸多功能；并提供多種數(shù)據(jù)接口（ODBC、OPC、DDE）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與傳播。為提高系統(tǒng)的性能，上位機與下位機系統(tǒng)通過以太網(wǎng)進行通訊。提高系統(tǒng)的通訊速率及安全性，進而提高系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。5.2傳輸設(shè)備傳輸設(shè)備主要由地面交換機，傳輸光纜和網(wǎng)絡(luò)交換機組成，本次泵房集控系統(tǒng)的傳輸設(shè)備借用全礦井綜合自

19、動平臺的環(huán)網(wǎng)交換機，不需要額外配置傳輸設(shè)備。5.3現(xiàn)場集控設(shè)備要求5.3.1集控操作臺集控操作臺內(nèi)置操作按鈕，可以對每臺水泵的進行一鍵開停的功能，內(nèi)置本安型顯示屏，可以顯示水泵的運行畫面、實時報警、實時曲線等數(shù)據(jù)。5.3.2隔爆兼本安型水泵控制箱隔爆兼本安型水泵控制箱為集控系統(tǒng)的主要設(shè)備，水泵的開停，各種模擬量的采集、各種設(shè)備的控制及邏輯處理都由此設(shè)備完成。隔爆兼本安型水泵控制箱內(nèi)置SIEMENS S7-300系列PLC，采用落地安裝。PLC分站控制柜使用660/127VAC電源，PLC的I/O模塊采用24VDC電源，并自帶變壓、整流裝置。中間繼電器型號由乙方按實際需要確定，用于PLC開關(guān)量輸

20、出的中間繼電器線圈電壓為24VDC，節(jié)點電壓為127/36VAC，用于PLC開關(guān)量輸入的中間繼電器線圈電壓為127/36VAC，節(jié)點電壓為24VDC。5.3.3水位傳感器超聲波水位計選用集控超聲波探頭，具有反應(yīng)速度高、測量精確等特點，從而對水泵的啟停提供精確的信息。5.3.4壓力表水泵的壓力表分為負壓表和正壓表，分別測量水泵的負壓和出水壓力，壓力表應(yīng)具有就地顯示功能和數(shù)據(jù)遠程傳輸功能。5.3.5管道液位傳感器礦用本安型管道液位傳感器可適用于煤礦井下各種水泵、水檢測，用于檢測管道液體是否存在。該傳感器可根據(jù)管道內(nèi)液位情況輸出開關(guān)量號，有水時接點閉合，無水時接點斷開，達到檢測和監(jiān)控液位的目的，該傳

21、感器裝載真空管路上，當真空管路有水時，說明泵體已經(jīng)充滿水，抽真空過程成功，可以開啟水泵。5.3.6流量傳感器流量傳感器實現(xiàn)對管道的流量進行監(jiān)測，可以實現(xiàn)瞬時流量和累計流量的監(jiān)測，信號輸出應(yīng)具備4-20mA和485兩種模式。5.3.7礦用隔爆型電動球閥 用于自動控制灌泵結(jié)構(gòu)小巧，耐壓高，直接螺紋連接動作靈活，有開向和關(guān)向限位對外提供一個開到位和一個關(guān)到位無源節(jié)點以及一組控制節(jié)點，供水壓力范圍0.22.0MPa，供水通徑50mm，工作環(huán)境溫度-5+60。5.3.8電纜及插接件 乙方提供柜內(nèi)、PLC柜之間、各傳感器與集控柜間的連接電纜及相應(yīng)插接件。電纜、電線連接器件應(yīng)滿足其相應(yīng)使用環(huán)境的防護要求。6

22、、供貨范圍設(shè)備清單及明細排水自動化系統(tǒng)一期工程一、集控設(shè)備序號設(shè)備名稱規(guī)格型號單位數(shù)量1監(jiān)控主機 酷睿2 2.6GHz, 500GB硬盤, 4GB內(nèi)存，22寸液晶顯示器 ，鍵鼠臺22上位機組態(tài)軟件套23水泵系統(tǒng)集控軟件套14打印機HP 1108臺15交換機8口臺16防爆網(wǎng)絡(luò)攝像機濟南金豐源 KBA12C2286F套57礦用兼本質(zhì)安全型穩(wěn)壓電源濟南金豐源 KDW660/12B 套58礦用光端機KTG2A臺29礦用本安電源KDW15A臺210本安控制顯示臺含按鈕套211礦用隔爆兼本安型液晶顯示屏套212水泵系統(tǒng)單機控制軟件套113礦用隔爆兼本安型PLC控制箱主站含CPU、I/O模塊、繼電器等臺11

23、4礦用隔爆兼本安型PLC控制箱分站含電源、I/O模塊、繼電器等臺215附件網(wǎng)線、工具、插座、電纜標識牌等套1二、現(xiàn)場設(shè)備序號設(shè)備名稱規(guī)格型號單位數(shù)量1礦用本安型超聲波物位傳感器臺32礦用本安型超聲波流量計臺23礦用壓力傳感器含礦用壓力傳感器嵌入式軟件臺54礦用壓力傳感器含礦用壓力傳感器嵌入式軟件臺55礦用通信信號裝置主機含通信信號裝置主機嵌入式軟件臺16管道液位開關(guān)含礦用液位傳感器嵌入式軟件臺57礦用防爆電動球閥DN20臺108礦用防爆電動球閥DN25臺19礦用防爆電動球閥DN50臺110電流變送器4-20MA輸出臺511閘閥電動裝置DN250臺1512閘閥控制箱一控三臺513單模光纜MGTS

24、V-I-4B米30014控制電纜MKVV 8*0,75米50015控制電纜MKVV 16*0,75米80016電源電纜MVV 4*1.5米80017信號電纜MHYV 1*4(7/0.37)米100018信號電纜MHYV 4*2(7/0,37)米50019礦用網(wǎng)線MHYV 4*2(1/0.97)米10020接線盒JHH-2臺1021接線盒JHH-3臺1022輔材彎頭、三通、手閥、管路等套1排水自動化系統(tǒng)二期工程一、集控設(shè)備序號設(shè)備名稱規(guī)格型號單位數(shù)量1水泵系統(tǒng)單機控制軟件套12礦用隔爆兼本安型PLC控制箱主站含CPU、I/O模塊、繼電器等臺13礦用隔爆兼本安型PLC控制箱分站含電源、I/O模塊、繼電器等臺34附件網(wǎng)線、工具、插座、電纜標識牌等套1二、現(xiàn)場設(shè)備序號設(shè)備名稱規(guī)格型號單位數(shù)量1礦用本安型超聲波物位傳感器臺12礦用本安型超聲