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1、白象山铁矿井下中央泵房远程控制方案设计马钢（集团）控股有限公司姑山矿业公司 李晓宾安徽 马鞍山 243184摘 要：此设计方案以可编程控制器为主体，配置触摸屏、传感器及其它信息采集设备共同完成现场信息的采集和设备的直接控制，能够可靠实现井下中央泵房生产过程控制的自动化，并通过光纤工业以太网与地面控制中心（操作站）进行通讯，实现中央泵房与控制中心（操作站）的数据交换和共享，实现了地面操作站与井下的远程控制，从而达到管控一体化。关键词：泵房；PLC；工业以太网；组态显示；检测变送0 前言矿井主排水系统是保证矿井安全的关键设备之一，在矿山安全生产中起着举足轻重的作用。为提高自动化水平，实现井下中央泵
2、房半无人值守或者无人值守及地面远程监控，增强中央泵房排水设备安全运行的可靠性、有效性和经济性，采用中央泵房远程控制方式。1 系统设计1.1 系统设计原则1.安全、可靠、先进和经济实用；2.安全、可靠、先进和经济实用；3.方便管理、便于维护；4.系统控制设备具有较高性价比。1.2 系统设计要求及系统概述系统设计要求要求系统能够自动采集、显示水泵的各种运行参数；能够根据水仓水位、涌水量、生产工作制及电力负荷情况等多种策略来控制水泵开停；能够根据监测到的信号判断水泵的工作情况，故障时能及时发出报警信号，并根据故障类型进行停泵等操作；可自动、手动控制水泵的启停过程及闸阀的开、关；自动记录、统计各种排水
3、作业过程中的重要参数；在地面完成对水泵的遥控操作，实现无人值守，达到管控一体化；具有良好的组网功能，可方便的纳入全矿井综合自动化系统，与其它各生产环节的控制子系统协调运行，以求达到整个矿井生产过程的最佳运行状态。系统设计概述1.现场设备情况白象山铁矿井下中央泵房内设5台主排水泵、2趟排水管路、2台真空泵（一用一备）。每台泵设2台电动闸阀，分别对应2趟排水管路，水泵电机（额定电压10kV，额定功率1120kW）由井下中央变电所高压柜直接起动。2.系统概述根据设计要求及现场设备情况该控制系统拟采用1个控制主站远程I/O的控制系统和集中操作台，分别对5台水泵运行的过程进行检测、显示、控制、保护、报警
4、。并通过光纤工业以太网与地面控制中心（操作站）进行通讯。本控制系统的主站是一个具有开放式控制系统，作为矿井综合自动化系统的一个子站，两者通过有线工业以太网的连接对井下主排水泵房控制主站送来的数据进行分析、处理和管理，并根据矿井生产的要求及设备运行的时间和性能，统一进行设备管理和调度。1.3 系统硬件设计1.控制主站:内置带有CPU、工业以太网通讯、远程I/O通讯和I/O模块、电源以及西门子MP277 10.4触摸屏。2.远程I/O站:带有远程I/O通讯和I/O模块和电源。3.现场操作台及控制箱：水泵房设一集中操作台，实现对水泵的各种控制和选择。同时，在每台水泵附近分别设1台就地按钮箱对水泵、出
5、口阀门以及抽真空电磁阀进行手动控制，在真空泵附近设1台就地按钮箱对2台真空泵和出口电磁阀进行手动控制，确保在任何时候均能可靠启动水泵。4.现场数据采集设备：数据自动采集与检测主要分为两类：模拟量数据和数字量数据。模拟量检测的数据主要有：排水管流量、水仓水位、电机工作电流、电机轴承温度和定子温度、水泵轴承温度、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力等。数字量检测的数据主要有：水泵高压启动柜的状态（工作、停止、故障）、电动闸阀的工作状态与启闭位置（全开、全关）以及真空引水浸没水泵叶轮的水电接点、真空泵运行、故障等。5.上位机：地面操作站设2台监控主机冗余。上位机PLC控制主站操作台及控制箱触摸屏数据采集
6、设备执行机构 图1 系统硬件结构图1.4 系统程序流程图设计1.4.1系统控制方式系统控制具有自动、半自动和手动三种工作方式和就地、远程两种控制方式。就地控制方式包括自动、半自动和手动三种工作方式，即在自动工作方式时，由PLC检测水位、压力及有关信号；自动完成各泵组运行，不需人工参与；半自动工作方式时，由工作人员选择某台或几台泵组投入，PLC自动完成已选泵组的启停和监控工作。手动方式为故障检修和手动试车时使用。其次，当某台水泵及其附属设备发生故障时，该泵组将自动退出运行，不影响其它泵组正常运行，控制台上设有该泵的禁止启动按钮，设备检修时，可防止其他人员误操作，以保证系统安全可靠。系统可随时转换
7、为自动和半自动工作方式运行。远程控制方式包括上述的自动、半自动两种工作方式，即在控制中心可以实现自动、半自动的水泵启动、停止过程。1.4.2工作泵自动轮换为了防止备用泵及其电气设备和备用管路因长期不用导致电机和电气设备受潮或其他故障未能及时发现，当工作泵出现紧急故障需投入备用泵时，而备用泵因故障不能及时投入以至影响矿井安全，本系统程序设计了5台泵自动轮换工作控制。控制程序将水泵启停次数及运行时间和流量等参数自动记录并累计，系统根据这些运行参数按一定顺序自动依次启停工作水泵，使各水泵的使用率分布均匀，当某台泵或所属阀门故障时，系统自动发出报警，并在操作显示终端上动态闪烁，记录并显示事故，同时将故
8、障泵或管路自动退出轮换工作，其余各泵继续按一定顺序自动轮换工作，以达到有故障早发现、早处理，确保矿井正常安全生产的目的。1.4.3自动控制PLC自动化控制系统根据水仓水位的高低、井下用电负荷的高、低峰和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段等因素，建立数学模型，合理调度水泵，自动准确发出启、停水泵的命令，控制5台水泵高效地经济运行。为了保证井下安全生产、系统可靠运行，水位信号是水泵自动化运行的一个非常重要参数。因此，系统设置了两套水位传感器，PLC将接受到的模拟量水位信号分成若干个水位段，计算出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，同时检测井下供电电流值，计算用电负
9、荷率；根据矿井涌水量和用电负荷率，将水泵控制在用电低峰和一天中电价最低时开启运行，而在用电高峰和电价高时停止运行，以达到避峰填谷和节能的目的。系统程序流程图开始系统初始化水位是否超限？N Y启动真空泵N是否涌水？真空压力到位？水位状态检测超时？Y N启动累计运行时间短的水泵Y声光报警N停止运行Y启动另外的水泵 水泵运行状态检测是否涌水？N是否故障？N停止多余的水泵声光报警 Y停止工作Y 图2 系统程序流程图1.5 系统组态设计井下动态模拟显示通过触摸屏对系统进行监控，系统通过图形动态显示水泵、真空泵、电磁阀和电动闸阀的运行状态，采用改变图形颜色和闪烁功能进行事故报警；直观地显示电磁阀和电动闸阀
10、的开闭位置，实时显示水泵抽真空情况和压力值。地面上位机采用WINCC软件进行组态显示。用图形填充以及趋势图、棒状图方式和数字形式准确实时地显示水仓水位，并在启停水泵的水位段发出预告信号和低段、超低段、高段、超高段水位分段报警，用不同形式提醒工作人员注意。采用图形、趋势图和数字形式直观地显示电机电流、电机及水泵轴温、电机定子温度等进行动态显示、超限报警，自动记录故障类型、时间等历史数据，并在屏幕下端循环显示最新出现的3条故障（故障显示条数可在触摸屏上设置），以提醒工作人员及时检修，避免水泵和电机损坏。主要画面有系统监视、单台水泵控制、状态与报警监视、参数监视、操作指导等画面，且每一种画面中有嵌入
11、多个子画面。WINCC组态图如下：图3 系统监视图 图4 单台水泵的运行组态显示图5 参数监视画面1.6 系统通讯设计PLC通过通讯接口和通讯协议与触摸屏进行高速通讯，将水泵机组的工作状态与运行参数传至触摸屏，完成各数据的动态显示；同时，PLC将水泵机组的运行状态与参数经工业以太网传至地面控制中心，管理人员在地面既可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态，又可根据自动化控制信息，实现井下主排水系统的遥测、遥控，并为矿领导提供生产决策信息。触摸屏与地面监测监控主机均可动态显示主排水系统运行的模拟图、运行参数图表，记录系统运行和故障数据，并显示故障点以提醒操作人员注意，同时具有故障记录，历
12、史数据查询等功能。1.7系统保护功能及特点1.7.1超温保护水泵长期运行，当水泵、电机轴承温度或电机定子温度超出允许值时，通过温度保护装置及PLC实现超限报警以及停泵。1.7.2电动机故障保护利用PLC及触摸屏、操作站监视水泵电机过电流等电气故障，对故障电机进行停泵并选择投入备用泵的控制。1.7.3启动超时停泵水泵在启动时，当超过一定的时限，出口压力仍达不到设定值停泵。在水泵运行时，电机电流突然变小，并超过一定的时限停泵。系统特点1.系统可根据投入运行泵组的位置，自动选择启动的真空泵，若在程序设定的时间内达不到真空度，便自动启动备用真空泵。2.系统根据电网负荷和供电部门所规定的平段、谷段、峰段
13、供电电价时间段，以“避峰填谷”原则确定开、停水泵时间，从而合理地利用电网信息，提高矿井的电网运行质量。3.PLC自动检测水位信号，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。4.地面操作站自动建立数据库，对于重要的工艺参数、电气参数自动生成趋势曲线，并打印运行报表（班、日、月、年）和报警、故障实时报表。5.地面操作站监控主机冗余（双机切换）：两台监控主机正常工作时，一台为主机，另一台处于热备状态。2 总结井下中央泵房运程控制系统具有稳定性高，操作直观方便，并能够与上位机进行实时数据交换，实现了现场水泵控制的实时性和准确性，并大大减少了工作人员的劳动强度，优化了水泵的工作方式，从而提高了设备的使用寿命及节省了排水成本，实现了泵房的无人值守。参考文献：1 李泽松.井下水泵房自动排水系统研究D.太原：太原理工大学，2005.2 郭宗仁，吴亦锋，郭永编著.可编程控制器应用系统设计及通信网络技术M.北京:人民邮电出版社，2002
