唐山矿业分公司705泵房改造安装及远方自动控制

[摘 要]泵房 远控 排水

中图分类号：S276.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）40-0060-02

一、问题提出

唐山矿业公司排水系统由中央排水系统和对角排水系统组成。中央排水系统有12L、11L和9L三个排水泵房。井下水分别由12L水泵房排至11L水泵房，再分别经11L水泵房直排净化水厂和经9L水泵房排至净化水厂。对角排水系统有950、805、南三、705、501、7L 22六个排水泵房。矿井水分别由南三、805、950排水泵房排至二水平707水仓，再由705水泵房通过501、7L 22排水泵房排至地面，系统比较复杂。矿井最大涌水量约为23.29m3/mim，中央排水系统排出约为12.68m3/mim，对角排水系统排出约为10.61 m3/mim。随着开采区域的不断延伸，矿井涌水量将不断增加。待-680首采区开采后和岳胥区开采后，矿井最大涌水量将达到32.60 m3/mim。矿井正常涌水量：20.00 m3/mim。

705泵房位于南翼二水平井底车场，是公司B区主要排水系统，泵房现在安装5台200D43×4水泵，排水系统为从705泵房排至11水平501泵房，再从501泵房排至7水平22泵房，至地面，排水系统环节多，比较复杂，而且排水管路在回风巷道内，维护困难。对705泵房进行改造，取消7L 22和501水泵房。利用原已建成的备用泵房即705泵房背面设有安装泵位的泵房，安装上8台PJ200B×9型排水泵及电控设备，再做一61米长的管子道直通10号井，通过10号井直排地面，然后用管道将水排至净化水厂，进行再利用。

二、设计方案

1、系统控制柜实现对水泵的自动控制， 每套水泵及相关设备外，还进行就地/集控的转换。系统具有现场可编程、输入/输出点数可扩展、显示操作简便等特点，除能完成水泵的单机控制外，还可通过现场的光线模块传输接口模块与设置在井上调度中心的工业控制计算机连接。

2、控制系统具有较强的抗干扰能力，并具有汉字显示功能，可自动汉字提示故障信号和系统有关信息。

3、系统的主要监测信号有：各主水泵及真空泵的开停信号；各闸阀的开关位置信号；排水管路的流量；水仓的水位信号；水泵的真空度、排水压力；电机温度及电机轴承温度信号；水泵电机轴承温度及工作电流、电压等。

4、系统的控制信号有：主水泵的开停控制；真空泵开停控制；闸阀控制；真空引水电磁阀的开闭控制。

5、排水管路的流量选用超声波流量计进行检测；

6、水仓的水位选用超声波液位计进行检测；

7、水泵轴承温度选用现有PT100传感器进行检测；电机轴承温度由电机厂家设6只PT100（每相2只）进行检测；

8、真空度和压力传感器选用精度高、稳定性好的传感器；

三、系统主要功能及特点：

1、基本功能概述：

根据工况设定，以及时间、水位、煤矿用电负荷等参数自动开启、停止

水泵的运转，并能实现泵阀的联锁启动，对运行中的各种参数进行实时

监控，通过接口向上传送数据。

1）地面计算机统计出每天矿井的用电负荷情况，确定用电高峰、低谷时间，并将参数传给本机；或在本机上根据统计出的时间进行设定。

2）根据所监测的水位信号，设定出低水位、高水位和上限水位信号。

3）低水位时停泵；高位1值时，首先对电网的负荷进行检测，若处于用电低谷时，立即起动水泵，若处于用电高峰时，则暂缓起动，当水位继续上升至高位2值时，则不论电网负荷如何，立即起动水泵；当水位继续上升到高位3值时，则表明起动的水泵台数不足，立即起动备用水泵，以最大的排水能力来排除矿井涌水。

4）系统可自动或手动选择以实现备用泵的循环启动和停止。

5）将本机工作方式转为“地面控制”时，各水泵由地面主机控制。

6）当运行的水泵出现轴承超温、开关柜故障、流量不够时自动停止运行，并提示、报警。

2、控制方式

每台水泵设置遥控/就地手动控制两种工作方式。

a、遥控：接受来自矿井综合信息自动化系统的起动和停止指令。

b、就地控制（主要为检修）：此方式为操作人员在水泵房起、停水泵，但是每个就地控制箱上的停止按钮在任何工作方式下都起作用，以便工作人员发现问题及时停车。

3、控制功能

1）自动控制：在地面中央控制室的工业控制计算机上进行控制，控制主机选用国际通用的性能价格比优的工业控制主机，主要完成以下功能：

a.工作泵的选择及备用泵的切换：根据水仓水位信号，开、停预选水泵，并能自动轮换开、停水泵，以防止备用泵长期不用而使电机受潮或有其它故障而未及时发现，做到有故障早发现、早处理。当工作水泵故障时，PLC系统可以自动切换到备用水泵，保障矿井的安全；同时切除的水泵可以进行检修，不影响其余水泵的运行。

b.完成对各单机控制系统的所有参数的采集，在控制计算机上可显示以下参数及信号，并对相关事件记录：

电机电流及电压、水仓水位信号、出水管压力和流量、电机及轴承温度、水泵正常运行信号、故障信号（包括高压柜、软起动柜等）、电机定子及轴承超温等各种报警信号（声光显示）、各种阀门到位信号显示

c.完成用户要求的排水自动化功能。

水泵起动前的条件：管道中有存水（管道压力变送器检测），水泵出口电动闸阀全闭（1C～3C）；抽真空射流泵或注水装置进出口电磁阀全闭（1a、1b、1c～3a、3b、3c），排水管道上的电动闸阀全闭（1A、1B～3A、3B）。

1）、水位自动监控：水位自动监控时根据水位的高低自动准确地发出开、停泵指令。水位传感器选用高可靠性、高准确性的超声波液位计；当水位达到高位1值时，首先对电网的负荷进行监测，若处于用电低谷时，可以立即起动，若处于用电高峰，则暂缓起动。当水位继续上升至高位2值时，则不论电网负荷如何，立即起动水泵；若水位继续上升到高位3值时，则表明起动的水泵台数不足，立即起动备用水泵，以最大的排水能力来排除矿井涌水。不论起动几台水泵，只有水位下降到低位时方可停泵。

2）、自动注水起动：无底阀，当水仓水位达到高位限值时，PLC程序自动发出开泵指令，首先开启抽真空射流泵进出口电磁阀（1a、1b、1c～3a、3b、3c），然后开启排水管道上的电动闸阀（1A、1B），利用管道中存有的积水，通过射流泵形成射流，依靠射流的吸力使泵内形成真空，靠大气压力将吸水井内的水压入泵体，当压力达到设定值时即泵体充满水后，即可自动起动高压电动机，并监测水泵出口压力，达到额定值后，自动开启出口电动闸阀（1C），完成水泵的自动起动过程； 3）、停泵过程：当水仓水位低到低位限值时，PLC程序自动发出停机指令，首先关闭出口电动闸阀（1C），防止水锤冲击水泵，电动闸阀关闭到位后自动停止水泵电动机，此时电动闸阀全闭（1A、1B），为下次开泵作准备。

4）、水泵主回路起动过程：水泵起动前的条件满足后，接通高压柜和软起动柜，接通智能切换柜相应水泵回路；当软起动器起动水泵达到额定转速后，断开该起动回路的智能开关柜内的真空接触器，延时0.5秒接通相应水泵的正常供电开关柜内的真空断路器，完成水泵的软起动过程。

3.2.3 通信

PLC系统具有远程通信接口，可以方便的挂接到矿井综合信息自动化系统，以实现与地面即时数据通信，并接受来自地面指挥控制中心发出的控制指令。

3.2.4 保护

电气保护：取给电动机供电的高压开关柜的电气电流、电压信号及相应的故障信号送入PLC系统，由PLC系统计算、判断电动机的工况；

超温保护：电动机的定子和轴承设有温度传感器，PLC系统接受其输出信号，当温度超出允许值时，使水泵停车；

漏水保护：如漏水严重，在规定的时间内不能向水泵注满引水（压力变送器检测真空值），通过漏水保护装置阻止本台水泵起动，改为起动下台水泵；

流量、压力保护：水泵起动后或正常运行中，如流量或压力达不到正常值，通过流量、压力保护装置使本台水泵停车，改为起动下台水泵。

根据实际需要也可以从自动控制方式切换到手动控制方式。此方式下操作人员在操作台上人工手动控制。

3.3、 现场编程：用户可在现场通过面板上的键盘对程序或仪表参数进行修改。

3.4、 组网功能：该分站与水窝排水控制器一起挂接在中央变电所的网络交换机上，通过交换机与全矿综合自动化系统连接。

3.5、 水泵运行计量/时间/运行统计：在地面控制站上应可分别对每台水泵的运行电耗、工作时间等进行统计，便于管理人员及时掌握每台水泵的工况。

3.6、 图形曲线显示：在地面控制站上可实时显示各设备运行图。并提供开放式的图形制作软件，用户可随心所欲描绘各种动态图形、静态图形，同时支持多种图形格式（Bmp、Jpg、Gif、Icon、Avi等等），图形画面具有链接功能，可以很方便地切换其它画面显示。可显示实时曲线，可显示年、月、日各时间段的历史曲线和具体数据表。

3.7、 实时报警/报警记录：在现场PLC控制台上可汉字显示各故障信息并报警，在地面控制站上可显示现场单元当前的报警信息以及保存的报警记录。

四、工作环节

1、自动注水环节

水泵只有在其叶轮完全淹没于水中的情况下，泵体内部才能造成必要的真空度实现正常排水。如果真空度不够，泵内有空气存在，将会造成不上水和转动部件烧坏等故障。因此，启动前的注水是水泵工作的重要操作项目之一。本方案采用底阀或喷射泵抽真空。由高精度真空传感器监测真空度，电流、流量作为监测真空度的后备。

2、闸阀操纵环节

为了减小启动功率，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，为了避免水锤事故，必须先关闭闸阀，缓慢减小流速，最后停车。

3、水位自动监控环节

水位自动监控环节的任务是根据水位的高低自动准确发出开、停水泵命令。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，它具有高精度、非接触式、非机械型、维护方便、安装容易、标定简单等许多优点。

4、参数传示环节

在操作台的模拟屏上可模拟显示水仓水位、水泵流量、水泵压力及电动机、电磁阀和电动阀的各种工作状态。所有的检测参数及工作状态均可由井下PLC通过传输网络传送给地面计算机，由计算机分析处理，在显示器上模拟显示，并做出曲线、报表，以利于地面管理人员作出正确判断，向井下可编程控制器发出控制命令。

5、故障保护环节

水泵电机容量大，耗电量高，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。本系统设有以下几种保护：

流量保护：当水泵启动后或正常运行中，如流量达不到正常值，通过流量保护装置使本台水泵停车，转为启动另一台水泵。

电动机故障：PLC监视水泵电机欠压、过流、短路等故障，由高压开关柜的综合保护器提供，并参与控制。

电动闸阀故障：由电动机综保监视闸阀电机的主要保护并参与控制。

6、电动机的自动控制环节

该环节是排水设备综合自动化控制系统的中心环节。它由PLC、中间继电器、接触器等组成，以上环节最终都要与本环节配合，根据水位情况自动开停水泵。

为了防止因备用泵长期不用而使电机受潮或有其它故障而未被发现，当紧急情况需要投入而不能投入以至影响矿井安全，本环节按“轮换工作制”来控制，以达到有故障早发现、早处理，以免影响矿井安全的目的。系统根据水泵的开启次数自动按一定顺序轮换开启水泵。当某台或其所属阀门故障或检修时，该泵退出轮换，其余各泵仍按轮换工作制运行。

五、使用效果

1、705泵房直排地面担负全矿排水，那么，公司井下未来排水泵房可以停止使用的泵房有：中央排水系统有12L、11L和9L三个排水泵房，对角排水系统有501、7L 22两个排水泵房。总计可节省5个水泵房的人员45人，按每人工资每年1.5万元计算每年可节省67.5万元。

2、按现在井下涌水量计算取消5个水泵房后每年可节省电费：

9L水泵房每年可节省电费：683.62万度×0.42元=287.12万元；11L水泵房每年可节省电费：978.27万度×0.42元=410.8734万元；12L水泵房每年可节省电费：28万度×0.42元=11.76万元；

501水泵房每年可节省电费：533.19万度×0.42元=223.9398万元；

7L22水泵房每年可节省电费：678.49万度×0.42元=284.9658万元；

5个水泵房加上705水泵房现在每年电费，总计每年可节省电费：1218.659万元+105.5124万元+67.5万元=1391.6714万元；

705水泵房现在每年电费251.22万度×0.42元=105.5124万元；

改造后705水泵房现在每年电费：矿井最大涌水量时5台泵；每台泵1600千瓦工作10小时；按一年365天算所以5×1600×10×365=2920万度；2920万度×0.42元=1226.4万元；

所以改造后705泵房每年可节省电费：1391.6714-1226.4=165.2714万元；

3、提高公司排水系统自动化水平，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、管理简便的煤矿井下电力监控系统。工程完成后，为集团公司先进水平，为公司井下供电系统的供电安全提供保证，为电网故障处理提供快节。系统留出多种通讯接口，为以后其他变压器硐室的扩容提供方便。它是公司胶带机管理发展的趋势。

4、节省水泵司机人员，企业经济及社会效益显著。

5、提高科学管理水平，利用高科技达到管理生产的目的。