泵房自動監控系統技術應用

田旭東

兗礦集團興隆莊煤礦機電隊 山東兗州市

十采泵房是興隆莊煤礦主要的采區泵房，擔負著礦井十采、一采、七采和八采幾個采區300m3/h的排水任務，為減少泵房內工作人員強度，降低噪音污染對職工的危害，同時對設備進行合理有效的維護，提高效率，興隆莊煤礦對十采泵房進行了自動監控系統改造。改造完成后，設備能夠安全、穩定、可靠的運行，并且運行過程中能夠及時發現異常，對保障煤礦的安全生產非常關鍵。

一、監控系統功能綜述

1.地面監控機的主要功能

實時與采區PLC數據通信，采集現場的檢測參數；實時記錄、顯示現場運行數據；在遠程控制允許方式下，實現對各水泵的啟停運行控制；實時監測采區隔爆開關的閉合狀態。具有采區水泵工藝畫面的動態模擬。具有操作人員的登錄管理功能，有效防止非法操作、誤操作。對井下設備的啟停控制實時記錄，便于對設備的操作查詢管理。可以查詢設備實時運行數據及歷史運行數據。具有實時動作狀態變化報警提示。

2.采區控制站的功能

對井下十采泵房的排水泵、抽真空系統和電動閥門的自動監控。實時采集水泵的出水口壓力，并根據此值作為保護電機的一項參數。實時采集水泵進水口的真空度，在啟動電機時作為啟動的依據。實時采集水泵電機前后軸溫度、振動，作為電機是否運行正常的依據。實時采集隔爆開關的電壓、電流運行參數以及故障保護信號。實時采集兩水倉水位，在自動運行方式時，根據水倉水位的液位控制電機的自動運行。實時采集出水母管的管網壓力和出水總流量。通過就地隔爆顯示箱，就地顯示系統運行參數。就地控制箱安裝工業以太網模塊通過礦井千兆工業以太網將運行數據傳到地面監控機。

3.自動輪換工作

對井下十采泵房的排水泵，為防止因備用泵及其電氣設備長期不用而使電機和電氣設備受潮或銹死，在工作泵出現緊急故障需投入備用泵時，而不能及時投入以至影響礦井安全，系統程序設計了自動輪換工作控制。控制程序將水泵運行時間自動記錄并累計，決定下次開機時的開機順序，實現各臺水泵輪換運轉，原則上1#～4#泵依次運行，即打開1#泵啟停1次后，下次開停即為2#泵，依次為3#泵，2#泵故障不能啟動時，及時啟動開啟3#泵。以使各臺水泵具有較為平均的開機時間，延長其使用壽命，保證煤礦的安全生產。

4.自動控制

水泵泵體內部只有達到一定的真空度，使其葉輪完全淹沒于水中，才能實現正常的排水。若真空度不夠，泵內有空氣存在，將會造成不上水和轉動部件燒壞等故障。系統一般采用真空泵或射流泵抽真空，由真空表監測真空度，正常運行情況下，有出口壓力、流量和真空度三個參數判斷水泵運行是否正常。為減少啟動時間和對電網的沖擊，水泵操作規程規定離心式水泵一定要關閉出水閘閥啟動，而當水泵停車時，為避免水錘事故，必須先關閉閘閥，緩慢減少流速，最后停車。

（1）水泵的開機順序。打開真空泵，自動抽真空；抽真空完畢，開啟水泵；打開排水管路上電動閥門；關閉真空泵運行；水泵自動開機完畢。

（2）水泵關機順序。關閉出水電動閥門；停止排水泵運行。監控系統框圖見圖1，結構組成設計成為上、下位機結構，工控機為上位機，PLC為下位機。

二、系統工作原理及工作方式

井下十采泵房水泵啟動開關的電量參數由微機測控單元配合PLC共同完成，PLC自動巡檢，通過擴展工業以太網模塊CP343-1及工業以太網介質轉換器OMC TP11-LD接入信息化系統設在該處礦千兆環網交換機上傳給地面調度中心。系統工作方式如下。

（1）全自動運行。系統的井下下位機PLC實時采集水倉水位和浮球狀態，并根據水倉水位情況和浮球的狀態，按照各臺水泵的運行時間長短啟動相應水泵的運行或停機。不需要人工參與。下位機在正常運行過程中，可以脫離上位機的通信仍能正常運行。

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

圖1 泵房自動監控系統框圖

（3）遠程手動。由授權值班工作人員通過上位計算機控制水泵的啟動和停止；系統在正常運行過程中，不論何種工作方式，均可實時將現場的各種參數、設備狀態通過工業以太網傳到地面調度室。

三、設備配置

1.系統軟件配置

主監控系統操作系統軟件為Windows2000 Professional，編程軟件、組態軟件和通信軟件分別采用西門子公司STEP7 V5.3SP3、WINCC V6.0SP3和SOFTNET，數據庫軟件采用微軟公司SQLserver2000專業版。

2.硬件配置

（1）采用國際知名品牌德國西門子公司S7-300系列PLC。供電AC 85～264V，頻率50Hz，運算速度0.08Hs，存儲容量 64路，開關量輸入、輸出0～128點，模擬量輸入0～64點，A/D分辨率13位+符號位，A/D通道轉換時間＜70ms，A/D運行誤差±0.5%

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

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

（4）振動、溫度變送器。振動測量量程范圍0～20mm/s，振動測量綜合誤差±5%；溫度測量量程范圍0～150℃，溫度測量綜合誤差±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控制機的配套設備，用于膠帶機就地控制和各種故障的就地顯示。本產品按GB3836.2-2000《爆炸性氣體環境用電氣設備 第2部分：隔爆型“d”》設計制造，是隔爆型電器設備，其專門的接線腔，有多組電纜進出線口，供與控制主機或其他裝置通信，操作靈活，堅固可靠。

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

四、系統通信網絡

（1）MPI通信網絡。PLC與人機界面間的通信，將PLC中處理后現場的各種運行數據送就地人機界面顯示，同時可以將人機界面輸入的控制命令送到PLC，控制設備運行。

（2）Profibus通信網絡。由于一個控制箱的外引端子數量不夠，故分成兩個，兩個箱子間采用Profibus總線實時通信。

（3）RS485通信網絡。在水泵的隔爆開關與PLC間的控制采用RS485，MODBUS-RTU通信協議。

（4）工業以太網通信網絡。在十采泵房PLC控制系統與地面監控系統間實現數據通信。

五、系統控制流程

為了保證井下安全生產，系統可靠運行，水位信號是水泵自動化控制的一個非常重要的參數，水位傳感器的可靠性和準確性直接影響整個控制系統的工作可靠性，為此選用超聲波液位傳感器，其具有精度高、非接觸式、非機械型、維護方便、安裝容易和標定簡單等優點，可根據控制的要求將水位信號的上限和下限分別設置超高、高、中和低等4個級別。另外還增設一套開關量水位信號傳感器（浮球），進一步保證水位控制的可靠性。

六、應用效果

十采泵房自動監控系統采集信號齊全，故障保護也很全面，工作流程準確無誤，通過應用自動監控系統以后，減輕了職工的勞動強度，提高了泵房的安全性、可靠性、用電效率、經濟效益和現代管理水平，實現了泵房的無人值守。