井下主排水自动化系统设计方案

煤矿二水平水仓水泵自动化排水系统

设

计

技

术

方

案

煤矿

2012年4月25日

一、概述

煤矿井下排水系统主要区分为两个水平，各建有一个水仓，矿井涌水和井下工业用水通过自然流动汇集到一、二水平水仓。二水平排水系统现配有五台主驱动电机为400KW的水泵，1#、2#水泵作为工作水泵，3#、4#水泵作为备用水泵，5#水泵作为维修水泵，正常运行时以1#、2#水泵将二水平水仓中的水通过两套管路排至一水平水仓。

水泵主电机为直接起动方式，启停控制主要由水泵工按矿井涌水量的大小定时排水，由于缺少对水仓水位检测的装置、对矿井涌水的监测也不够科学，而且排水时间多安排在夜间，所以主电机频繁启停，致使排水系统能耗大、效益低，而且工业用电调谷避峰效果也不理想。根据2012年股份公司维简、安全工程计划，决定对井下二水平水仓排水系统进行自动化改造，配置现代化自动控制系统，以提高二水平排水系统的安全性、可靠性和自动化水平，降低排水系统综合能耗，为矿井的安全生产奠定基础。

煤矿水泵自动化控制系统是依据矿井的实际情况，通过工业计算机的决策控制，对设备的运行状态、运行过程进行自动检测、自动控制，使设备在无人干涉的情况下自动运行和自我诊断的一套系统。系统综合了现代工业控制技术和软件技术，保证了系统的稳定性和可靠性，能有效地节约能源、降低劳动强度、降低运行成本和延长设备使用寿命，并可与全矿自动化系统进行联网，作为全矿自动化系统的一个子系统分站。

二、水泵自动化系统设计原则

煤矿二水平水仓排水系统在配置自动化系统时，必须竖持安全可靠、技术先进、经济实用的原则，具体要求如下：

1、可靠性：可靠性是煤矿安全生产的重要保障，二水平水仓自动化排水系统在设计、硬件选型、软件环境和应用系统的建设中要充分体现可靠性原则。

2、实用性：二水平水仓自动化排水系统在正常情况下能实现工作水泵的自动启停，异常情况下能实现备用水泵的自动启停，检修状态下能实现检修水泵的自动启停，并能接入矿井远程调度系统中组成全矿井综合自动化监控系统。

3、先进性：充分利用计算机网络技术和先进的通信、控制方式，建立一套技术先进、功能完整、易管理的排水自动化系统。该系统能实现地面远程调度和无人值守功能，并充分考虑系统以后的扩展和兼容，预留有多种通讯接口。

4、经济性：结合煤矿二水平排水系统现状，在不更换或少更换原系统管路的情况下组建系统，并对原系统中手动闸阀进行电动化改造。进行设备选型与配置系统时遵循性能价格比最优的原则。

三、水泵自动化系统功能特点

二水平水泵系统进行自动化改造后，要求能实现无人值守和远程调度功能，具体为：

1、实现二水平水仓排水系统无人值守，由工业计算机控制，根据水仓液位变化自动启、停水泵，自动实现水泵的轮换工作，做出合理调度；

2、系统具有过载、欠压、泄漏、超温、轴温等保护功能，当出现以上状况或电机出现故障，系统自动停止该水泵的工作，同时启用备用水泵；

3、该系统具有管路压力监测功能，可以实现水泵排水量与管路承压能力达到一个平衡状态；

4、该系统保留了设备原先手动控制方式（即手动控制就地模式），手动控制具有最高优先控制权，保证了即使系统出现故障，也可以在手动控制下实现水泵的正常工作；

5、系统的实时性好，对各设备的运行工况能够实时监测、实时控制，可以随时查询、打印实时趋势及任意时间段的历史趋势；

6、工控机提供人机界面，通过组态软件模拟出排水系统远行状态图，能实时显示水仓液位、排水流量、管路排水流速、管路承压、驱动电机远行状态和电机、水泵轴承温度等内容，并且丰富、形象、直观，操作简单、易懂；

7、软件中嵌入大量的控制策略，可以根据实际情况做出不同的决策，大大提高系统的自动化程度和智能程度。根据不同时期的具体情况，可以对软件的运行参数进行调整，以适应复杂的情况，提高系统的适应性；

8、系统能够进行远距离监控，接入工业以太网能实现地面调度；

9、软件对操作权限进行了划分，不同的值班人员具有不同的操作权限。

四、水泵自动化系统改造

1、排水管路阀门自动化改造

二水平中央变电所水仓排水系统现用管路规格为DN325、DN219、DN108、DN25、DN32，所有阀门均为手动控制阀门，在进行自动化改造时，先得对现用的管路阀门进行电动化改造，新阀门系统根据管路规格选用矿用隔爆型和矿用本质安全型电动球阀，具体配置及数量见系统配置明细表。

2、信息采集和数据处理系统

水泵自动化系统主要采用西门子S7－300/400系列PLC系统对水泵远行状态、电动阀门开闭状态、排水流量及相关监测量等数据进行采集、处理，并通过工控机和组态软件实现画面显示及状态监控。接入井下工业以太环网后，还能实现远程监控和地面调度。

3、水泵自动化系统控制要求

水泵自动化排水系统具有自动控制、手动控制、检修状态模式，手动控制又分为就地控制、远方控制（地面调度和工控机人机界面），具体控制要求如下：

3.1、自动控制模式：自动控制下，由液位传感器连续检测水仓水位，根据水仓水位及其他因素，按照工艺流程及PLC闭锁程序顺序控制水泵及闸阀的自动开停。在正常水位时，工作水泵能自动工作，当工作水泵出现故障时，能够及时报警，并能够自动开启备用水泵；最大涌水及突出涌水时，在启动工作水泵后能自动投入备用水泵运行；检修工作水泵时，能自动投入检修水泵运行。还可以结合水仓水位和全矿电力负荷信息，以“移峰填谷”原则确定开、停工作水泵。

此方式下可实现无人值守。

3.2、手动控制就地模式：手动控制就地模式具有最高权限，操作工人根据水仓水位，人工手动开停水泵及确定开泵台数，包括完成单台水泵抽真空、启停泵、开关液压阀等手动控制。此方式主要用于水泵自动化系统故障或瘫痪状态下人工启停排水系统。

3.3、手动控制远方模式：地面调度人员或工控机人机界面处可根据水仓水位，一键启停水泵及确定开泵台数，电机及其阀门的开、停由PLC自动执行，即PLC完成单台水泵抽真空、启泵、开液压阀等自动控制，并完成运行停止。此方式用于半自动化条件下的人工控制。

3.4、检修状态模式：该模式下可操作任意一台水泵电机、电动阀的开关，可以实现不通过PLC完成水泵的启停，各装置的动作互不闭锁。

五、水泵自动化系统改造装置配置明细

为了保证水泵自动化系统安全可靠运行，并保证系统的完整性，原则上由乙方提供一套全新的水泵自动排水系统，相关配置如下表：表一：二水平水泵自动化系统改造装置配置明细表