无人值守自动监控系统设计方案.docx
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无人值守自动监控系统设计方案
水泵无人值守系统
设
计
方
案
2020年
1、建设背景
煤炭行业是我国的支柱产业,随着煤炭行业高产高效的发展,矿井安全问题已成为制约煤炭生产的关键因素。
涌水是危及矿井安全的重要因素,一旦发生透水事故,不仅影响生产,甚至会使矿井淹没,危及生产工人生命。
水泵房排水系统担负着整个矿井积水排除的任务,其安全可靠性直接影响矿井生产的效率和安全。
目前我国大多矿井水泵房仍然普遍使用传统的人工操作排水系统,这种排水系统由于自动化程度低,应急能力差,还做不到根据水位或其它参数自动开停水泵,这将严重影响主排水泵房的管理水平和经济效益的提高,存在很大的安全隐患。
随着我国煤炭行业的发展,排水系统自动化已成为亟待解决的问题。
从煤矿自动化生产实际出发,针对现有排水系统存在的弊病,结合现代工业技术和控制理论,开发适于煤矿使用的自动排水系统,利用工业专用测控保护器和液位检测装置,组成自动监控系统,根据水仓水位变化情况,实现自动排水。
自动排水系统解决了排水系统自动控制的难题,利用现代最优控制理论,分析矿井涌水情况和用电情况,建立了排水系统的离散数学模型。
根据最优性原理,用动态规划法,对排水系统进行分段决策控制,并提出通过递推算法对数学模型进行求解,得出获取最优控制策略的一般方法。
自动排水系统具有以下特点:
水位实时在线检测与显示水泵自动启动与停止多台水泵实行“轮班工作制”,提高水泵使用寿命,根据涌水量大小和用电“避峰就谷”原则,自动控制投入运行的水泵台数与矿井监控系统联网,便于集中控制。
2、系统设计目标
2.1系统建设意义
随着全球网络化进程的不断发展,企业的信息化管理已广泛受到各级领导的重视,信息化管理的实现,对不断提高企业的生产、经营、管理、决策的效率和水平,发挥着越来越重要的作用。
综合自动化系统的实现,也对煤矿企业减员增效的实施有着直接的促进作用。
煤矿水泵是煤矿生产的主要设备之一,实现泵房的远程控制与监测,是综合自动化建设的重要组成部分。
目前,在矿井泵房的排水系统设计中,一般设置多台多级离心水泵,二组工作、一组备用,并设置了用于轮换检修的水泵。
这些水泵电压高、功率大、运行工况复杂,人工很难做到实时监控。
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,有必要使泵房水泵实现自动化控制。
系统设计以系统安全、可靠、先进为原则,系统实现在安全生产指挥调度中心对排水系统泵房的所有设备进行网络监视和控制,做到泵房无人值守、设备安全可靠运行。
2.2系统建设目标
项目建设的总方针是立足信息化大前提,保证系统的先进性、安全性、可靠性,安装、使用和维护方便简单,将煤矿主排水泵配套集控系统建设成为技术先进、稳定可靠、利用率高的煤矿排水监控系统,为矿井安全、高效、节能生产做好基础。
系统设计目标如下:
◆将PLC控制系统、计算机网络通信技术和排水控制系统结合,实现以“集中控制为主,远程监测为辅”的控制模式,保证系统技术方面的先进性。
◆保证自动排水系统运行的连续性和可靠性,系统连续可靠运转时间达到360天/年以上。
◆系统立足建设无人值守泵房的总目标,同时提高节能效率和管理水平,减少操作人员和工人的劳动强度,为今后矿井生产综合自动化打下良好基础。
◆实现地面对主排水系统设备的多点位信息传输和集中监测监控。
具有在线监测、分析及完善的保护和报警功能。
◆调度监测中心计算机可以对排水系统的运行管理、事故跟踪与处理、打印各种运转日志报表。
◆采用国际流行的组态软件,动态画面美观,修改灵活,数据保存时间长。
历史数据可以长期保存。
◆排水系统自身具备标准的以太网接口,提供标准TCP/IP协议数据。
系统采用B/S结构,运行的主要参数可以通过矿局域网络,在矿上和矿调度室浏览。
2.3系统设计依据
1《煤矿安全规程》和《煤矿设计规范》
2《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》GB3836.4-83
3《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》GB3836.1-83
4《矿用一般型电气设备》GB12173-90
5《煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求》MT209-90
2.4系统总体功能
煤矿排水系统是综合生产自动化的一个组成部分,信号传输和控制系统框架应满足信息化的整体设计,具体要求为:
1)实现排水泵房无人值守自动控制运行。
2)具备远程测控功能。
3)系统具备网络控制、就地自动控制、就地手动控制、启动柜面板控制几种操作方式。
4)在水仓水位满足条件的前提下,系统能按避峰填谷的原则进行。
5)水泵的启停控制;按连续运转的时间长短控制倒机运行。
6)按操作规程要求的顺序进行水泵的启动和停止操作。
7)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、电动球阀的位置信号、过转矩信号等。
8)整个系统做到可靠运行、维护方便、修改灵活。
3、系统设计方案
3.1中央泵房现状
泵房设备基本情况表
水泵型号
D280-65*8
水泵单台电机功率
710kW
水泵数量
4台
扬程(m)
714
管路直径(mm)
325
流量(m3/h)
电动闸阀数量
无
主排水管
2趟
抽真空
射流泵
泵房控制电源
6000V
射流泵
电动球阀
无
信号传输
以太网或光纤传输
启动方式
软启动
4台水泵改造完成后形成一个独立的排水系统,把射流装置引水改为无底阀控制,采用工业以太环网,实时监测水泵的运行情况、水文参数及故障信息等。
3.2系统组成
井下泵房自动化监控系统主要由三部分组成:
地面自动化控制中心、信息传输通道、泵房现场设备。
3.2.1地面自动化控制中心
地面监控站设置在地面自动化控制中心,通过工作站对井下泵房相关设施进行集控和监视。
地面监控站的具体设计如下:
Ø配置两台工作站和排水监控系统软件,完成对排水系统的监控。
Ø配置一台硬盘录像机和液晶显示器,完成对水泵房实时视频的监控。
Ø配置一台彩色多功能一体打印机,完成对数据报表的打印等功能。
3.2.2信息传输通道
利用工业以太环网作为井下泵房监控系统的传输通道,实现泵房相关设备的数据的实时传输。
信息传输通道的具体设计如下:
地面配置两台工业以太网交换机,通过矿用光缆与井下矿用本安型环网交换机相连,组成千兆光纤工业以太环网,保障传输的可靠性。
3.2.3泵房现场设备
1)概述
泵房现场设备由矿用隔爆兼本安型可编程控制箱、矿用本安型集中操作台、矿用网络接口、矿用电动阀门及矿用流量传感器、矿用水位传感器、矿用压力传感器、矿用温度传感器等部分组成。
2)系统实施
针对煤矿的实际情况和要求,泵房内配备矿用本安型集中操作台,完成泵、电动闸阀和电动球阀的就地控制,将每台泵的出水口处的手动闸阀更换为电动闸阀,改造引水方式,将原来的手动射流阀更换为手动电动一体的电动球阀以达到电控的要求,同时配备水位、流量、温度、压力、负压等传感器。
使用隔爆兼本质安全型可编程控制箱制作井下水泵房电控系统,PLC控制柜内有以太网模块,通过工业以太环网将数据传输到地面调度室,通过软件编程,在调度中心能发布控制命令,并能监视该系统所需运行参数和该系统设备运行画面情况。
利用操作台触摸屏对运行状态实时显示及现场控制,可以达到相关数据的实时监测及报警功能;利用工业以太网将数据传送到地面生产调度中心,从而极大的提高响应时间。
泵房自动化控制系统的具体设计如下:
Ø电控设计
1)每台泵配备三台DN20/5电动球阀,将原来的手动球阀更换为电动球阀。
2)每台泵配备一台DN200电动闸阀,将原来的手动闸阀更换为电动闸阀。
3)每趟排水总承配备两个电动球阀,将原来的手动球阀更换为电动球阀。
4)中央泵房配备一台操作台,实现排水系统的现场集中控制。
5)中央泵房配备3套矿用隔爆兼本安型PLC控制柜,实现泵、电动闸阀和电动球阀及各种传感器等设备的数据采集和控制。
6)配备一台矿用隔爆兼本安电源,实现过压、过流和短路保护功能以及备用电源功能。
Ø传感器设计
1)每台水泵一台流量传感器,完成对泵房排水流量的统计和计算。
2)每个水仓配备一台水位传感器,完成对水仓水位的实时监测。
3)每台泵配备一台压力传感器和一台负压传感器,完成对泵的正压和负压的监测。
4)每台水泵泵体配备一套温度传感器,完成对泵体、电机温度的监控。
5)每台泵配备一套电量参数采集装置,完成对电量、开停状态参数采集及控制。
Ø数据传输
泵房内PLC控制站配置以太网模块,通过井上下工业以太环网将PLC数据传输到地面集控室,视频图像也通过工业以太环网实现数据传输。
3.2.4系统拓扑图
3.3工艺流程
单台水泵自动启动的过程为:
启动射流系统、检测真空度、启泵、检测水泵出水口压力、打开水泵出水口电动阀。
停机过程则为先关水泵出口电动阀,后通过启动柜停止水泵。
1)运行前状态检测
开泵前必须检查待开水泵的高压柜、直流柜、直流接触器柜、低压柜及电机综保的供电是否正常。
待开水泵的各种显示是否正常,水仓水位显示不小于2米,且应无故障显示。
2)启动
系统根据水仓水位的情况启动水泵,井下泵房排水泵的启动方式有两种:
(一)自动
1.工作方式选择开关打在“自动”位置;
2.选定排水管路;
3.选定待开水泵,并确定射流管路;
4.按下待开水泵的启动按纽,计算机将按照《泵房水泵运行流程图》所设定的运行程序,自动启动待开水泵。
(二)手动
1.工作方式选择开关打在“手动”位置;
2.选定排水管路,打开管路闸阀;
3.选定待开水泵,并确定射流管路;
4.开启射流;
5.观察真空表,确认泵体内已充水(否则不能进行下一步操作);
6.启动电机;
7.关闭射流
8.打开所启动水泵的出水口电动闸阀,并观察电机、水泵运转情况是否正常;
3)运行
(一)水泵在运行期间,应经常进行以下观测,发现问题及时采取措施:
1.电压不得超过额定值的正负5%,电流不得超过额定值;
2.观察压力、真空和流量指示的变化情况;
3.观察模拟量的显示和水仓水位的变化情况;
4.电机和水泵有无异状;
5.检查进、出水管路,泵体、闸门、盘根密封等有无漏水现象。
(二)水泵在运行期间出现下列情况之一时,应紧急停泵:
1.水泵不上水;
2.水泵或电机有异状;
3.电机或电气设备冒火和冒烟;
4.泵体严重漏水;
5.平衡水失常;
4)正常停泵
与启动相对应,正常停泵方式也有两种:
(一)自动:
水泵在“自动”工作方式下运行,需要停泵时,司机应按下“停止”按钮,计算机也将按照《泵房水泵运行流程图》所设定的停泵程序自动停止运行水泵。
(二)水泵在“手动”工作方式下运行,需要停泵时,司机应按照下列顺序操作:
1.关闭出水管路电动闸阀;
2.关闭水泵出水口电动闸阀,严禁阀门在开通位置停机;
3.待阀门关闭到位后,停电动机。
5)故障停泵
1.水泵在“自动”工作方式下运行,当发生故障时,计算机将按照《泵房水泵运行流程图》中所设定的停泵程序自动停止运行水泵。
2.水泵在“手动”工作方式下运行,当发生故障需要停泵时,应按下列顺序操作:
a、关闭水泵出水口的电动闸阀,严禁阀门在开通位置停机;
b、待阀门关闭到位后,停电动机;
c、不论水泵在哪一种工作方式下运行,当发生故障需要紧急停泵时,司机可按下“急停”按纽(带机械自锁)。
3.故障停泵后,查明故障原因,立即向有关领导汇报。
4.按下“故障复位”按纽,使系统恢复正常,为启动备用水泵做好准备。
3.4系统功能
系统建成后可以实现自动采集、现实水泵的各种运行参数;根据水仓水位、生产工作制及负荷情况控制水泵自动工作。
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,并根据工作类型停泵;可自动、手动控制水泵的启停及电动闸阀的开、关。
在矿井地面调度监控中心可完成对水泵控制的各种操作。
系统能与矿井综合调度系统无缝连接,实现数据的共享。
系统设自动、手动操作控制方式,在自动控制中可实现无人值守全自动运行或在上位机上通过鼠标键盘完成操作,在手动控制中可实现自动控制故障或退出集控时在机房操作箱上操作。
具体表现以下几个方面:
1.自动控制功能
系统根据工况设定,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起动,对运行中的各种参数进行实时控制,通过接口向上传送数据。
1)地面计算机统计每天矿井的用电负荷情况,确定用电高峰、低谷时间,并将参数传给本系统控制主机机;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)每台水泵设置运行、备用和检修三种工作方式,该方式可以在本机上设定或地面主机设定。
当水位达到高位或不在高位而处在用电低谷时间内,将自动启动运行泵。
当水位达到高位或不在高位而处在用电高峰时间时自动停泵。
当水位到上限水位时,自动运行泵及备用泵,直到水位低于高位时停止“备用泵”只运行“运行泵”,当达到低于或不在高位而处于用电高峰时间内时自动停泵。
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.手动控制功能
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。
系统采用手动操作时,由工作人员根据生产需要以及设备状况操作控制箱上的按钮完成设备的启动、停止。
3.单机自动控制
地面监控主机将工作方式切转到单机自动时,可在地面监控主机上单独控制系统中的各设备。
此时各分站仍处于自动状态,当保护信号动作时仍报警停机。
4.自动轮换
在正常水位时,为了防止因备用泵及其电气设备或备用管路长期不用,而使电机和电气设备受潮或其他故障未经及时发现,当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,本系统程序设计了3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管路使用次数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启停水泵和相应管路,使各水泵及其管路的使用率分布均匀,当某台泵或所属阀门故障时,系统自动发出声光报警,并在显示屏上动态闪烁显示,记录事故,同时将故障泵或管路自动退出轮换工作,其余各泵和管路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,以免影响矿井安全生产的目的。
5.就地紧停功能
不论在何种控制方式下,均可在通过紧停按钮来停止运行该设备。
6.组网功能
该分站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。
7.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。
8.图形曲线显示
在地面控制站上应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,图形画面具有链接功能,可以很方面地切换其它画面显示。
可显示实时曲线,可显示年、月、日个时间段的历史曲线和具体数据表。
9.实时报警/报警记录
在现场PLC控制器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。
3.5系统示例界面
系统主界面
系统控制面板
系统监控面板
系统参数报表
系统操作记录
系统运行记录
系统报警记录
系统参数设置
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