湖南湘煤集团井下排水远程监控系统设计方案

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1、湖南湖南 XX 煤矿煤矿 泵房自动排水控制系统设计方案泵房自动排水控制系统设计方案系统版本：R1.0文档编号：CHI -NJBL-A2南京北路自动化系统有限责任公司2011 年 7 月南京北路自动化系统有限责任公司位于南京江宁经济技术开发区，是南京市高新技术企业，现有高级工程师、工程师及其他专业技术人员 100 余名。是专业从事煤矿人员定位系统，无线通信系统，自动化系统产品的研发、生产、销售及服务的高科技公司。公司拥有 ISO9001:2000 质量管理体系认证，坚持“质量第一、用户至上、至诚服务、持续改进”的质量方针，得到了广大客户的信赖和支持。目前公司产品覆盖全国 10 多个省、自治区，并

2、在多个煤炭主产区设有售后服务机构。公司以满足客户需求为己任，不断生产高性价比的产品，为客户创造价值。南南京京北北路路自自动动化化系系统统有有限限责责任任公公司司 联系地址：南京市江宁开发区菲尼克斯路 99 号邮政编码：211106电话号码：(025)52187543传 真：(025)52185703邮件地址：售后服务电话：400-611-5166 客户支持网站：http:/湖南 XX 煤矿泵房自动排水控制系统设计方案1目 录1概概述述.22系系统统设设计计依依据据 .23现现有有系系统统介介绍绍 .33.1泵房排水系统结构.33.2现有控制方式.34水水泵泵远远程程监监控控系系统统设设计计.3

3、4.1系统技术要求.34.2系统整体结构.44.2.1地面控制中心 .54.2.2控制器结构配置 .64.2.3传感器配置.74.2.4控制方式设计 .74.3系统功能.94.4系统特点.115核核心心设设备备介介绍绍 .115.1KXJ-24 矿用隔爆兼本质安全型可编程控制箱 .115.2KDW99 矿用隔爆兼本安稳压电源.136设设备备清清单单.15湖南 XX 煤矿泵房自动排水控制系统设计方案21概述概述能源是国民经济的基础，我国一次性能源 70%以上来自于煤炭，95%以上的煤炭产量来自于井工开采矿井，煤矿井下采、掘工作面地质条件复杂，环境恶劣，自然灾害多，严重影响煤矿生产和人身安全。随着

4、时代的发展和技术的进步，越来越多的煤矿都或多或少地配置了各种监测监控系统，对保障煤矿的安全生产起到很好的作用。作为煤矿重中之重的井下排水系统，对其实现远程监测和控制，是能保证煤矿安全的重要组成部分。在矿井泵房的排水系统中，一般设置多台多级离心水泵 ，一组工作、一组备用，并设置了用于轮换检修的水泵。这些水泵运行电压高、功率大、运行工况复杂及高扬程，另外，对于水泵启动前吸水管路的充水（抽真空）、水仓水位监测、泵房内设备的运行与管理等工作，普遍采用人工操作方式。传统模式操作过程繁琐、劳动强度大、人为因素多、启泵时间长、自动化程度低，已不能适应现代化矿井管理的要求。因此，有必要使泵房水泵排水系统实现自

5、动化控制。2系统设计依据系统设计依据煤矿安全规程（2010 年 3 月 1 日起施行）煤矿矿井设计规范GB 50215-2005爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备要求GB 3836.4-83爆炸性环境用防爆电气设备通用要求GB 3836.1-2000矿用一般型电气设备GB/T 12173-2008煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求MT 209-90通用用电设备配电设计规范GB5OO55 一 93矿山电力设计规范GB50O7O 一 2009工业标准及国际商务建筑布线标准电气装置安装工程施工及验收规范:第十七篇:电气设备交接试验标准篇 GB 50150-91湖南 XX 煤

6、矿泵房自动排水控制系统设计方案33现有系统现有系统介绍介绍3.1泵房排水系统结构泵房排水系统结构XX 煤矿泵房现有 12 台水泵：水泵出水口共配有 12 台手动闸阀，抽真空由射流结构和真空泵结构完成，系统结构图如下： 1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#11#12#图 3-1 泵房排水系统结构图3.2现有控制方式现有控制方式XX 煤矿泵房现有水泵系统为现场手动控制方式，值班人员根据水仓水位，决定泵的启停。水泵的开停、所有阀门的开关及开泵前的排真空工作均由值班人员手动完成。 4水泵远程监控系统设计水泵远程监控系统设计4.1系统系统技术要求技术要求XX 煤矿泵房自动控制系统是 XX 煤矿生产

7、自动化系统的组成部分，其信号传输和控制系统框架应满足如下具体要求： 具备网络监控功能 具备就地/远程、自动/手动、正常/检修相组合的操作方式 具备视频就地监视、远程监视功能湖南 XX 煤矿泵房自动排水控制系统设计方案4 按操作规程要求的顺序进行水泵的启动和停止操作 对电机和水泵的运行参数及保护参数进行实时的监测和传送这些参数包括：电机温度、实时流量、水位、真空度、电压、电流、水泵出水口压力、各种闸阀、电动球阀位置信号等。 报表及打印：对各项重要参数进行记录汇总并制作相应的报表，并可打印保存。 整个系统做到可靠运行、维护方便、修改灵活。4.2系统整体结构系统整体结构XX 煤矿泵房远程监控系统主要

8、由三部分组成：地面控制系统、工业以太网传输以及泵房控制系统，结构框图如下：监监控控室室水泵系统阀门开关电机开停泵状态阀门状态电机及水泵温度水管流量、压力、真空度汲水井及水仓水位检测电机配电系统参数控制分站水泵系统本安型操作台控制主站工业以太网图 4-1 泵房排水系统结构图湖南 XX 煤矿泵房自动排水控制系统设计方案5地面控制系统：包括监测、监视、控制组态软件，操作人员可以根据画面窗口随时了解井下水泵房内的系统运行状况，实现远程监视或控制。工业以太网：用其进行地面控制系统与井下控制器之间的信息传输。泵房控制系统：由控制主站、控制分站、本安操作显示台、各类闸阀和传感器组成，完成水泵房排水设备、供电

9、设备的运行状态和参数的采集。可实现自动程序控制，单泵自动控制，就地手动控制及检修方式等多种控制方式。各分站设备相互独立运行，避免设备故障造成整个排水系统瘫痪。4.2.1地面控制中心地面控制中心地面控制中心通过地面操控站，完成对控制器的参数传递与命令的传达，同时也是人机交互的核心，完成数据的图形、报表、曲线等形式的存储与展示，担负着系统运行的监测和维护、报警以及命令的执行等任务。通过授权的方式管理操作员，使之具有部分或全部操作权限，进行设备的相关操作，同时监控整个系统的运行状况，以及查看各种数据的统计、分析与报警的报表。系统功能结构图如下： 控制中心主要包括硬件和软件两大部分： 硬硬件件设设备备

10、配置 1 台工业控制计算机、1 台显示器、1 台打印机、1 台 UPS。 软软件件每台控制计算机配置一套组态软件和控制软件，管理人员可以根据画面窗口随时了解井下水泵房内的系统运行状况，实现远程监视或控制。控制功能扩充功能报表功能报警管理历史数据显示功能备份和恢复系统功能湖南 XX 煤矿泵房自动排水控制系统设计方案64.2.2控制器结构配置控制器结构配置根据 XX 煤矿水泵房现有情况，配置一台控制主站和 4 台控制分站以及一台本安操作显示台。结构图如下：水泵系统阀门开关电机开停泵状态阀门状态电机及水泵温度水管流量、压力、真空度汲水井及水仓水位检测电机配电系统参数控制分站水泵系统本安型操作台控制主

11、站1#2#3#4#图 4-2 泵房排水系统结构图控制主站配置高性能西门子 300PLC，上行 10/100 Mbps 以太网、下行PROFIBUS 总线，通过 PROFIBUS 总线连接各水泵控制分站，采集整个泵房各单元数据和状态，显示泵房排水系统运行模拟图、报警信息、数据报表和运行曲线，完成与环网的连接以及与各分站的调度通信，实现水泵的自动化运行与自动轮换，避峰填谷。每 3 台水泵配置一台控制分站，用于接入水位、压力、真空度、温度、阀门开度等传感器。采集、显示传感器的数据和状态，通过控制水泵电机启动器和电动阀门控制器，来控制水泵、主管路阀门、排水阀门、射流阀门、引水阀门、吸水阀门等设备。湖南

12、 XX 煤矿泵房自动排水控制系统设计方案7集控操作台上有操作按钮，可切换系统控制模式（远程、就地），切换系统运行模式（自动、程控、手动），设置水泵工作模式（运行、备用、检修），实现水泵和阀门就地集中控制。用于泵房设备运行状态的就地显示，方便现场操作与设备维护。4.2.3传感器配置传感器配置水泵传感器配置如下：对水泵排水管路改造配置把每台泵出水口和总管路的手动阀门改成电动闸阀，共 12 台。对于排真空管路改造配置把每台水泵的射流阀改成电动球阀，共 24 台。出口压力监测在每个泵出水口配置一个压力传感器，共 12 台。真空度监测在泵进水口上端配置一个真空度传感器，共 12 台。流量监测在每个总管路

13、配置一台超声波流量计，共 4 台。液位监测在每台水泵的水井配置一台液位传感器，共 4 台。泵温度监测每个泵前轴和后轴各配置一个温度传感器，共 24 各。水泵电机相关电气参数监测对每台电机配置一台电力采集模块监测电机的电压、电流、功率等参数。4.2.4控制方式设计控制方式设计系统具备远程自动控制、远程单泵自动控制、远程单设备控制、就地手动控制和检修方式 5 种操作方式。1)远程自动控制：在地面控制中心对水泵进行自动控制，包括水位上升自动启泵、水泵自动轮询开泵、用电高峰与低谷时条件启泵等方式。2)远程单泵自动控制：在地面控制中心单独自动开启、抽真空各台水泵。湖南 XX 煤矿泵房自动排水控制系统设计

14、方案83)远程单设备控制：在地面控制中心单独开启或关闭电机、闸阀、射流阀等单台设备。4)就地手动控制：和现有工作方式类似，由现场人员通过操作台控制水泵和闸阀的开停。5)检修方式：当设备进行检修时，启用此方式。系统在正常运行过程中，不管工作在何种工作方式，均可实时将泵房现场的各种运行参数、设备状态通过通讯网络传到地面监控计算机。根据以上控制方式设计，可完成以下功能：1水水位位自自动动监监控控启启泵泵水位自动监控的任务是根据水位的变化，能自动准确发出开、停水泵的命令。水位传感器的可靠和准确直接影响控制系统的可靠性，所以设计选择多个水位传感器保证系统的可靠运行。2水水泵泵自自动动轮轮换换为了防止因备

15、用泵长期不用而出现电机受潮或其他故障，设计采用“轮换工作制”来控制水泵的开启，以达到有故障早发现、早处理，避免影响矿井安全生产。轮换工作制控制原理是：系统根据水泵的开启次数，按照一定的顺序轮换开启水泵。当某台泵或其所属的阀门出现故障或检修时，该泵退出轮换机制，其他泵仍按轮换工作制运行。3故故障障保保护护水泵电机容量较大，耗电量大，属一级负荷。因此，对排水设备自动控制系统的安全性、可靠性要求较高。本系统设置以下几种保护功能：超温保护：水泵长期运行，当轴承温度或定子温度超出允许值时，通过温度保护装置及 PLC 实现超限报警及故障停车。流量保护：当水泵启动后正常运行状态下，如流量达不到正常值，通过流

16、量保护功能使水泵停车，转而启动另外一台水泵。电动机故障：利用地面上位机与电力监控系统的 OPC 接口通讯，监控水泵电机过电流、漏电、低电压等电气故障时实现报警，并根据设定使水泵停车，转而启动另外一台水泵。湖南 XX 煤矿泵房自动排水控制系统设计方案9电动闸阀故障：由闸阀的限位、开度指示检测故障，并参与水泵的联锁控制。4.3系统功能系统功能1显显示示功功能能a工况图：动态显示井下泵房运行的工况，以及水流量的大小。图 4-3 上位机监控系统图b故障及保护显示：实时显示单个水泵中各种保护传感器的工作状态，对低电压、过电流、真空度、流量、轴承温度、水位等故障类型进行诊断分析显示。2控控制制功功能能根据

17、实际水位情况，自动控制水泵的开停，水泵的轮换。3报报表表功功能能把需要的工况数据如电流、温度等各类数据做成矿上需要的报表的格式，供操作人员查询参考。湖南 XX 煤矿泵房自动排水控制系统设计方案10图 4-4 报表4扩扩充充功功能能易于扩展和集成：采用分布式网络结构，系统可以方便地满足各种应用类型和应用规模的需要。不但可以满足当前系统应用的需要，还可以在将来需要的时候随时方便地扩展系统规模。5报报警警管管理理方便、灵活、可靠、易于扩展的报警系统可报告系统活动及系统潜在的问题，保障系统安全运行。分布式报警管理提供多种报警管理功能，包括：无限的报警区管理、基于事件的报警、报警优先级、报警过滤功能。图

18、 4-5 报警管理湖南 XX 煤矿泵房自动排水控制系统设计方案116历历史史数数据据通过配置软件具有自动采集、存储、显示历史数据，分析过程趋势，为官方的查询提供相应的文档依据。7备备份份和和恢恢复复软件的备份和恢复专家方便了用户管理工程文件，用户可以手动指定文件备份并压缩，之后手动恢复到需要的软件平台节点上。4.4系统特点系统特点1每套控制分站独立运行可靠性设计，并通过控制主站进行统一调度控制，实现无人值守，自动完成程控排水。2每台水泵独立程控设备，防止水泵程控设备故障导致排水系统瘫痪，保证工作、备用、检修设备独立控制，同时方便检修维护。3地面监控中心、泵房集控系统均有显示和可操作。4系统自动

19、检测水位信号，计算单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，自动投入和退出水泵运行台数，合理地调度水泵运行。5系统根据水位和运行时间和次数，自动实现水泵的轮换工作。6系统具有通讯接口功能，PLC 可同时与操作屏及地面监测监控主机通讯，传送数据，交换信息，实现水泵自动监控功能。5核心设备介绍核心设备介绍5.1KXJ-24 矿用隔爆兼本质安全型可编程控制箱矿用隔爆兼本质安全型可编程控制箱KXJ-24 隔爆兼本质安全型可编程控制箱是我公司针对煤矿自动化控制系统的对设备可靠性的严格需求，而开发一款适用于煤矿行业自动化控制系统的核心设备，采用了知名公司的 CPU 模块。主要功能组建煤矿井

20、下自动化控制系统控制器，根据系统要求配置继电器输出、无源触点输入、模拟量输入、以太网接口等模块。是煤矿井下自动化控制系统主要设备。1组组成成KXJ-24 矿用隔爆兼本质安全型可编程控制箱内部由 PLC 一套，信号隔离模块等组成。外部为防爆箱设计。其结构如图所示。湖南 XX 煤矿泵房自动排水控制系统设计方案12图 5-1 KXJ-24 矿用隔爆兼本质安全型可编程控制箱结构图2用用途途及及使使用用场场所所使用场所：煤矿井下有甲烷及煤尘爆炸危险场所。用途：KXJ-24 隔爆兼本质安全型可编程控制箱是一种先进的监控设备，可以作为多种设备的自动控制装置。环环境境条条件件1、控制箱在下列条件下应能正常工作

21、：a环境温度：040；b平均相对湿度： 不大于 95（25）；c大气压力： 80kPa106 kPa；d煤矿井下有瓦斯，煤尘等爆炸危险的环境,但无破坏绝缘的腐蚀性气体场合；e无溅水或淋水的场所；f无显著振动和冲击的场所。2、控制箱能承受的最恶劣的贮运条件为：a高温： +60；b低温： -40；c平均相对湿度： 95（25）；湖南 XX 煤矿泵房自动排水控制系统设计方案13主主要要技技术术参参数数1、供电a供电电源： DC24V (由 KDW99 矿用隔爆兼本安型直流稳压电源提供)；b额定工作电压：DC 24Vc工作电流：3A 2、主要技术指标1) 传输方式：以太网；2) 输入输出a)开关量输入

22、：无源触点信号;b)开关量输出：常开触点型（36V0.5A）;c)模拟量输入： 420MA;d)模拟量输出： 420MA；3) 本安参数a)本安最高开路电压：24.5 Vb)本安电路最大电流：550mA主主要要功功能能a)控制器的输入输出通道均采用隔离模块隔离，保证设备安全；b)通讯接口，RS232 与以太网两种通讯方式可选，数据传输方便、快捷；c)防爆箱有电源指示灯，并预留指示灯及按钮，功能可自由定义。5.2 KDW99 矿用隔爆矿用隔爆兼本安稳压电源兼本安稳压电源KDW99-7/24 矿用隔爆兼本质安全型直流稳压电源是一种允许在瓦斯、煤尘爆炸危险环境中使用的通用隔爆兼本质安全型不间断电源，

23、适用于向矿用本质安全型设备、矿用隔爆兼本安型设备及矿用隔爆型设备提供电源。1用用途途及及使使用用场场所所a使用场所：煤矿井下有甲烷及煤尘爆炸危险场所。b可作为煤矿井下额定输出电压 24V 及以下的本质安全型机电设备、仪表提供本质安全直流电源之用。湖南 XX 煤矿泵房自动排水控制系统设计方案142环环境境条条件件1) 稳压电源应能在下列环境中正常工作：a)环境温度：040；b)平均相对湿度： 95%（25）；c)大气压力： 80kPa106 kPa；d)煤矿井下有瓦斯，煤尘等爆炸危险的环境,但无破坏绝缘的腐蚀性气体场合；e)无溅水或淋水的场所；f)无显著振动和冲击的场所。2)稳压电源能承受的最恶

24、劣的贮运条件为： a) 高温：+60；b) 低温：-40；c) 平均相对湿度：95%（+25）；d) 振动：50m/s2；e) 冲击：500m/s2。3主主要要技技术术参参数数1) 电源输入：AC127V/AC660V；频率 50HZ，电压变化范围 75%110%。a) 非本安额定输出电压：24V 二路b) 非本安额定输出电流：24V 3A/路c) 输出电压偏离值：5%d) 负载效应：5%e) 源效应：5%f) 周期与随机偏移峰-峰值：250mvg) 本安额定输出电压：24V 二路h) 本安额定输出电流：24V 450 mA/路i) 输出电压偏离值：5%j) 负载效应：5%k) 源效应：5%湖南 XX 煤矿泵房自动排水控制系统设计方案15l) 周期与随机偏移峰-峰值：250mvm) 过压保护电压：24.5Vn) 过流保护电流：550 mA2) 备用电池功能a) 免维护铅酸蓄电池型号：MF12-26；规格：12V 26Ah；b) 节数：3 节（12V 26Ah）；3 节串联；c) 最高充电电压: ：42 V；d) 放电截止电压：30V-36V；e) 电池切换时间：0S；f) 工作时间：2 小时（额定输出电流）g) 充电方式：内部浮充。6设备清单设备清单