泵房自动监控系统技术应用

田旭东

兖矿集团兴隆庄煤矿机电队 山东兖州市

十采泵房是兴隆庄煤矿主要的采区泵房，担负着矿井十采、一采、七采和八采几个采区300m3/h的排水任务，为减少泵房内工作人员强度，降低噪音污染对职工的危害，同时对设备进行合理有效的维护，提高效率，兴隆庄煤矿对十采泵房进行了自动监控系统改造。改造完成后，设备能够安全、稳定、可靠的运行，并且运行过程中能够及时发现异常，对保障煤矿的安全生产非常关键。

一、监控系统功能综述

1.地面监控机的主要功能

实时与采区PLC数据通信，采集现场的检测参数；实时记录、显示现场运行数据；在远程控制允许方式下，实现对各水泵的启停运行控制；实时监测采区隔爆开关的闭合状态。具有采区水泵工艺画面的动态模拟。具有操作人员的登录管理功能，有效防止非法操作、误操作。对井下设备的启停控制实时记录，便于对设备的操作查询管理。可以查询设备实时运行数据及历史运行数据。具有实时动作状态变化报警提示。

2.采区控制站的功能

对井下十采泵房的排水泵、抽真空系统和电动阀门的自动监控。实时采集水泵的出水口压力，并根据此值作为保护电机的一项参数。实时采集水泵进水口的真空度，在启动电机时作为启动的依据。实时采集水泵电机前后轴温度、振动，作为电机是否运行正常的依据。实时采集隔爆开关的电压、电流运行参数以及故障保护信号。实时采集两水仓水位，在自动运行方式时，根据水仓水位的液位控制电机的自动运行。实时采集出水母管的管网压力和出水总流量。通过就地隔爆显示箱，就地显示系统运行参数。就地控制箱安装工业以太网模块通过矿井千兆工业以太网将运行数据传到地面监控机。

3.自动轮换工作

对井下十采泵房的排水泵，为防止因备用泵及其电气设备长期不用而使电机和电气设备受潮或锈死，在工作泵出现紧急故障需投入备用泵时，而不能及时投入以至影响矿井安全，系统程序设计了自动轮换工作控制。控制程序将水泵运行时间自动记录并累计，决定下次开机时的开机顺序，实现各台水泵轮换运转，原则上1#～4#泵依次运行，即打开1#泵启停1次后，下次开停即为2#泵，依次为3#泵，2#泵故障不能启动时，及时启动开启3#泵。以使各台水泵具有较为平均的开机时间，延长其使用寿命，保证煤矿的安全生产。

4.自动控制

水泵泵体内部只有达到一定的真空度，使其叶轮完全淹没于水中，才能实现正常的排水。若真空度不够，泵内有空气存在，将会造成不上水和转动部件烧坏等故障。系统一般采用真空泵或射流泵抽真空，由真空表监测真空度，正常运行情况下，有出口压力、流量和真空度三个参数判断水泵运行是否正常。为减少启动时间和对电网的冲击，水泵操作规程规定离心式水泵一定要关闭出水闸阀启动，而当水泵停车时，为避免水锤事故，必须先关闭闸阀，缓慢减少流速，最后停车。

（1）水泵的开机顺序。打开真空泵，自动抽真空；抽真空完毕，开启水泵；打开排水管路上电动阀门；关闭真空泵运行；水泵自动开机完毕。

（2）水泵关机顺序。关闭出水电动阀门；停止排水泵运行。监控系统框图见图1，结构组成设计成为上、下位机结构，工控机为上位机，PLC为下位机。

二、系统工作原理及工作方式

井下十采泵房水泵启动开关的电量参数由微机测控单元配合PLC共同完成，PLC自动巡检，通过扩展工业以太网模块CP343-1及工业以太网介质转换器OMC TP11-LD接入信息化系统设在该处矿千兆环网交换机上传给地面调度中心。系统工作方式如下。

（1）全自动运行。系统的井下下位机PLC实时采集水仓水位和浮球状态，并根据水仓水位情况和浮球的状态，按照各台水泵的运行时间长短启动相应水泵的运行或停机。不需要人工参与。下位机在正常运行过程中，可以脱离上位机的通信仍能正常运行。

（2）就地手动。根据水仓水位或浮球状态，就地通过西门子操作面板手动控制水泵的启停。

图1 泵房自动监控系统框图

（3）远程手动。由授权值班工作人员通过上位计算机控制水泵的启动和停止；系统在正常运行过程中，不论何种工作方式，均可实时将现场的各种参数、设备状态通过工业以太网传到地面调度室。

三、设备配置

1.系统软件配置

主监控系统操作系统软件为Windows2000 Professional，编程软件、组态软件和通信软件分别采用西门子公司STEP7 V5.3SP3、WINCC V6.0SP3和SOFTNET，数据库软件采用微软公司SQLserver2000专业版。

2.硬件配置

（1）采用国际知名品牌德国西门子公司S7-300系列PLC。供电AC 85～264V，频率50Hz，运算速度0.08Hs，存储容量 64路，开关量输入、输出0～128点，模拟量输入0～64点，A/D分辨率13位+符号位，A/D通道转换时间＜70ms，A/D运行误差±0.5%

（2）超声波液位仪。供电电压DC 12～30V，测量范围20～6000mm，输出 4～20mA。

（3）压力变送器。供电电压DC 24V，测量范围0～5MPa，输出 4～20mA。

（4）振动、温度变送器。振动测量量程范围0～20mm/s，振动测量综合误差±5%；温度测量量程范围0～150℃，温度测量综合误差±2%，输出特性两线制DC/4～20mA，推荐工作电压+24V。

（5）KJD15-A矿用隔爆兼本安型主控站（主控制箱）。适用于有沼气爆炸性混合物，有煤尘的煤矿井下场所。

（6）KJK5矿用控制显示屏（6寸）。由可编程操作屏和防爆腔组成，作为KJD15控制机的配套设备，用于胶带机就地控制和各种故障的就地显示。本产品按GB3836.2-2000《爆炸性气体环境用电气设备 第2部分：隔爆型“d”》设计制造，是隔爆型电器设备，其专门的接线腔，有多组电缆进出线口，供与控制主机或其他装置通信，操作灵活，坚固可靠。

（7）BZQDF型防爆电磁阀。防爆标志EXDII BT3 DII BT4，外壳 温 度 T3 200℃ ，T4 135℃，出线接口内螺纹M20×1.5mm 或 1/2 英寸，环境温度-40～60℃，电压电压 AC 127V。特点：带有防爆接线盒，防爆外壳热锻成型更加安全可靠。

四、系统通信网络

（1）MPI通信网络。PLC与人机界面间的通信，将PLC中处理后现场的各种运行数据送就地人机界面显示，同时可以将人机界面输入的控制命令送到PLC，控制设备运行。

（2）Profibus通信网络。由于一个控制箱的外引端子数量不够，故分成两个，两个箱子间采用Profibus总线实时通信。

（3）RS485通信网络。在水泵的隔爆开关与PLC间的控制采用RS485，MODBUS-RTU通信协议。

（4）工业以太网通信网络。在十采泵房PLC控制系统与地面监控系统间实现数据通信。

五、系统控制流程

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控制的一个非常重要的参数，水位传感器的可靠性和准确性直接影响整个控制系统的工作可靠性，为此选用超声波液位传感器，其具有精度高、非接触式、非机械型、维护方便、安装容易和标定简单等优点，可根据控制的要求将水位信号的上限和下限分别设置超高、高、中和低等4个级别。另外还增设一套开关量水位信号传感器（浮球），进一步保证水位控制的可靠性。

六、应用效果

十采泵房自动监控系统采集信号齐全，故障保护也很全面，工作流程准确无误，通过应用自动监控系统以后，减轻了职工的劳动强度，提高了泵房的安全性、可靠性、用电效率、经济效益和现代管理水平，实现了泵房的无人值守。