唐山开诚电器有限责任公司
山西新元煤矿水泵自动化控制系统设计方案
第一章 概 述
一、企业简介
唐山开诚电器有限责任公司（原唐山市矿用电器厂、唐山市矿用电器
厂二厂）,总部位于唐山高新技术开发区内，在唐山丰南市设有一万多平米 “唐山开诚自动化产品有限责任公司”：在深圳罗湖区设有“深圳开成电 子有限公司”。是一家专业制造矿山自动化控制产品、节能产品、电力电 子产品、楼宇自控系统、水管理自控系统、计算机网络系统的民营企业， 河北省软件协会理事单位，是河北省认定的高新技术企业之一，河北省十 强高科技民营企业，原煤炭部成套自动化设备定点厂。是我国煤炭自动化 领域的知名生产厂家。为世界著名的美国 ROCKWELL 公司（全球 500 强）的 OEM 生产厂家， 其中两项产品被纳入国家火炬计划项目， 2000 年通过 IS09002 质量体系认证和英国 NQA 质量体系认证。产品远销全国 30 多个省区并出口 东南亚各国，多次容获国家级和省、市级优秀产品和科技成果奖。 开诚公司长期坚持技术创新，新产品研发能力强，科技含量高，拥有 多项自主知识产权。我公司开发成功的 PXK-2 型 PLC 绞车提升信号操车综 合控制系统被列为国家级火炬计划项目。 2000 年下半年开发成功的 “ZJT-30 型隔爆兼本安智能变频调速装置”填补了国内空白， “BGRQ-6A 矿用隔爆高 压软起动装置”经以张仲华院士为首的专家鉴定委员会评定为“填补国内、 外空白”、“达到国际先进水平”。全部产品均获得了国家法定检验部门 颁发的防爆合格证和煤矿安全标志证和其他所必须的的认证，并得到了国 内、国际市场的积极回应。 开诚公司在多年的经营实践中，总结出了一套有自身特色的民营企业 管理经验。多方引入各类人才组建职业经理人管理团队，结合公司现状将 当前最先进的管理思想和管理方法有选择地引入公司。目前，公司的人力 资源管理、战略规划体系、预算体系、信息管理体系、人才与激励体系、 营销渠道管理、品牌管理等日臻完善，初步具备了一个高速发展的现代化 企业的基本特征。 2000 年 2 月 23 日朱镕基总理亲切接见公司董事长许开成先生, 并对 开诚公司提出了更高的要求：“与世界接轨，为煤炭现代化服务”；2001 年 2 月，上任伊始的河北省委书记王旭东同志率考察团考察开诚公司，在 听取了公司管理者的汇报后作出了重要指示。
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我们相信：开诚电器您值得信赖的伙伴。
二、规范与标准
2.1 遵循的设计原则
1）以《煤矿安全规程》为
基础，并结合现场实际情况； 2）遵循“五高”建设方针，即高起点、高技术、高质量、高效率、高 效益，突出效益优先； 3）技术先进，可靠性高，扩展与升级容易，具有故障自诊断功能，做 到够用、适用、好用、易扩展； 4）充分利用现有资源，在技术先进的基础上，做到经济实用； 5）网络通讯功能强大，易于与其它系统集成。
2.2 遵守的主要现行标准
GB4796 GB20062 GB50058 《电工电子产品环境条件》 《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》 《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》
GB4720-84 《低压电器电控设备》 GB50171-92 《电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施式及验收 规范》 IEC144 ANSI488 ISA-55.2 ISA-55.3 ISA-55.4 《低压开关和控制设备的外壳防护等级》 《可编程仪器的数字接口》 《过程运算的二进制逻辑图》 《过程操作的二进制逻辑图》 《仪表回路图》
2.3 系统适用环境
工作温度 存储温度 工作湿度 0～60℃ -40～85℃ 5～95%，无冷凝
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工作环境 抗干扰性 保护等级 防爆类型
无滴水及震动 距电子设备 1.2m 处发出的电磁和射频干扰(频率 400～ 500MHz，功率 5W)，不影响其正常工作。 IP54、 IP33（本安） 隔爆，本安
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第二章 方案设计
一、 现场情况： 1、 山西新元煤炭有限责任公司新元矿井设计生产能力 6.0Mt/a,属高 瓦斯矿井。井下主排水泵房设于中央进风立井井底，井下涌水经 敷设于进风立井井筒的排水管路，排至地面中央风井场地内的井 下水处理站。 2、 3、
4、
矿井为高瓦斯矿井、有煤尘爆炸危险的矿井。 主排水泵房位于矿井中央进风立井井底，安装地点海拔标高： 电源频率：50HZ 高压电源：额定电压 AC 10KV 低压电源：额定电压 AC 660V。引自井下中央变电所低压 660V 母 线。 信号电源电压 AC127V， 控制电源电压≤AV36V， 由集中控制设备自 供。
5、
新元矿井按现代化矿井建设，全矿建立综合自动化控制系统，要 求矿井各主要生产环节都将实现计算机控制，井下主排水泵房作 为重要的生产部门，拟建设成无人值班机房，要求泵房电控系统 实现自动控制，并可以遥控。 本方案从实际出发，在井下水泵站配备一套自动控制系统（简称 系统） ，以实现水泵站排水自动化控制。
6、 系统主要设备情况： 主排水泵房设有 5 台型号为 MD450-60*10 耐磨离心水泵，电机电 压为 10KV 直接起动，型号为 YB710-4，定子每相二个（PT100）测 温元件。吸水管路系统，采用 ZP
BG 型气、水两用喷射泵总成构成 多台喷射泵并联互为备用上水系统，使水泵吸上引水，实现水泵 无底阀运行。五台水泵共用三台喷射泵并联，互为备用。即任意 一台喷射泵工作时，能启动任意一台水泵。每台喷射泵总成与排 水管之间、与每台水泵之间管道设电磁阀控制管道通、断。排水 系统敷设三趟排水管路，两趟工作，一趟备用。每台水泵对应三 趟排水管路分别设置一个电动闸阀（计 3 个） 。每台水泵工作时， 利用三趟排水管路中一趟管路排水，相应排水管路电动闸阀开启，
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其余两个电动闸阀处于关闭状态。
二、系统要求
1. 能够自动采集、显示水泵的各种运行参数； 2. 能够根据水仓水位、生产工作制及负荷情况控制水泵自动工作。 3. 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，并根据故障类型停泵。 4.可自动、手动控制水泵的启停及电动闸阀的开、关。 5. 在矿井地面调度监控中心可完成对水泵控制的各种操作。 6. 系统应能与矿井综合调度系统无缝连接，实现数据的共享。
三、设计方案
系统控制柜采用防爆型，配以本安操作台实现对水泵的自动控制，在水 泵房设一台防爆控制站。系统应具有现场可编程、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 RS485 或工 业以太网传输接口模块与设置在井下中央变电所的网络交换机连接，由井 上调度中心监控所有排水泵等被控设备。 控制系统应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。 系统的主要监测信号有：各水泵及真空泵的开停信号；各电动闸阀的开 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；水泵电机的工作电流等。 系统的控制信号有：主电机的开停控制；真空泵开停控制；液动闸阀控 制。 为实现控制系统的功能，在每台水泵出口各设三台电动闸阀对应三趟排 水管路；在三趟排水管路上安装三台超声流量计，以检测排水量；在两个 水仓分别设一超声波水位计及响应液位开关，以检测水仓水位。可实现低 水位—用于停泵信号；第一水位—用于启动第一台水泵信号；高水位—用 于启动第二台水泵运行信号；危险水位—用于启动备用泵信号。另外，为 更好地保护电机，还应各设一台红外温度传感器，以检测电机轴承温度。 系统应预留水窝排水泵液动闸阀控制和监测接口，由 PLC 实现水窝的自 动排水。
系统功能: 1、自动控制功能
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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、第一水位、高水位、危险 水位信号。低水位时停泵；第一水位时启动第一台水泵；高水位时启动第 二台水泵；危险水位时启动备用泵。 3）每台水泵设置运行、备用和检修三种工作方式，该方式可直接在本 机上设定或由地面主机设定。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，当达到低位或不在高位而处在用电高峰时间 内时自动停泵。当水位达到上限水位时，自动启动“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” ， 当达到低位或不 在高位而处在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。此方式下操作人员在分站上人工手动控制。 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. 就地手动控制：各设备工作方式打到就地位置时，可直接在开关柜 上人工手动控制。此方式主要用于设备检修时。 5. 现场编程：用户可在现场通过面板上的键盘对程序或参数进行修改。 6. 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。 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
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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。 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。
四、 系统功能与特点
本设计方案是唐山开诚电器有限责任公司根据新元矿中央泵房控制原 理图而设计。本系统投入后，可使中央泵房系统更加安全可靠，提高排水 能力，降低事故率，减少故障处理时间，提高矿井效益。能够最大限度地 减少因电控系统故障而造成的事故，提高供电、排水系统的可靠性，节约 设备维修费用，延长设备使用寿命。 为达到主排水系统安全可靠运行，系统实现自动化控制是很有必要的。 同时，根据现在的技术水平，配备先进的检测、监控系统，完成水泵的自 动开停和工况检测，实现主排水系统自动化控制。 本控制系统在井下泵房集控室设 PLC 集中控制站，采集各种信号，按 照工艺流程控制各台水泵及相应的电动闸阀，显示各种工作状态。整个集 中控制系统由 PLC 集控及监控部分、现场设备两大部分组成，具体配置见 附表。 1. PLC 配置及功能特点： 本系统采用 SIEMENS 公司的 S7-300 系列可编程控制器。S7-300 是 模块化中小型 PLC 系统，它能满足中等性能要求的应用。
----
模块化，无排风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握等特点使得
S7-300 成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解 决方案。它具有如下特点： SIMATIC S7-300 的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维护 。
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高速的指令处理
0.6~0.1ms 的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了 全新的应用领域。
浮点数运算
用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算
方便用户的参数赋值
一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值，这样就 节省了入门和培训的费用。
人机界面 (HMI)
方便的人机界面服务已经集成在 S7-300 操作系统内。因此人机对 话的编程要求大大减少。SIMATIC 人机界面(HMI)从 S7-300 中要求 数据，S7-300 按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300 操作系 统自动地处理数据的传送。
诊断功能
CPU 的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误 和特殊系统事件 (例如：超时，模块更换，等等)。
口令保护
多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经 允
许的复制和修改。
操作方式选择开关
操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改 变操作方式。这样就防止非法删除或改写用户程序。
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SIMATIC S7-300 具有多种不同的通讯接口：
多种通讯处理器用来连接 AS-i 接口、PROFIBUS 和工业以太网
总线系统
通讯处理器用来连接点到点的通讯系统 多点接口(MPI) 集成在 CPU 中，用于同时连接编程器、PC 机、
人机界面系统及其他 SIMATIC S7/M7/C7 等自动化控制系统。 ---- 这是一个经济而有效的解决方案； 方便用户的 step7 的用户界面提 供了通讯组态功能，这使得组态非常容易、简单。 ---- CPU 支持下列通讯类型：
过程通讯
通过总线(AS-i 或 PROFI- BUS)对 I/O 模块周期寻址(过程映象交换)
数据通讯
在自动控制系统之间或人机界面(HMI)和几个自动控制系统之间， 数 据通讯会周期地进行或被用户程序或功能块调用。 2. 本监控系统具有以下几方面特点： 1) 选用先进的控制器，系统的实时性好，可靠性高，数据处理速 度快。 2) 可扩展性强，便于系统的扩展及管理网络的发展。 3) 维护方便，运行费用低。系统扩展方便，可随时增加节点。本 系统可根据生产需要随时增加控制接点，控制器和网络可靠性 高，维护工作量小。 4) 总结各矿中央泵房集控系统的经验教训，特别采取了增加设备 可靠性的措施。系统投入运行时，PLC 对软起动装置、高压防
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爆开关状态进行扫描分析，运行过程中对传感器监控，故障时 报警。
5) 根据水位控制原则，自动实现水泵的轮换工作，大大延长了水
泵的寿命； 6) 该监控装置可根据电网负荷信息，以“移峰填谷”原则确定开、 停水泵时间，从而提高了矿井的电网质量；本监控装置采用超 声水位计连续检测水仓水位，超声水位计输出 4～20mA 信号送 PLC，PLC 经运算判别，自动开停水泵。在正常水位时，各台泵 能自动轮换工作，在危险水位时，自动投入必要数量的水泵运 行，并自动控制相应管路上的阀门。系统以水仓水位为主，结 合分时计费和“移峰填谷”原则，确定开停水泵时间，从而达 到节能、节耗目的。 3.监控系统具有的功能 实时监测水仓水位，当水位达到上限时能够报警，自动开启水泵； 当水位达到下限时，发出声光信号，自动停泵。 实施监测水泵各工况参数，包括水位、流量、电压、电流、压力、 功率、温度、真空度、闸阀开启度等。 具有
数据分析功能，对水泵的效率、电耗、工况点等进行分析，确 保经济运行。 当水泵出现故障时，能够及时报警，并能够自动开启备用水泵，不 能满中排水能力时，根据水量情况自动确定开启水泵台数。 具有自动控制、就地控制、检修闭锁功能。 实现远程编程、现场编程、完善修改系统功能。 具备完善的系统保护功能。 可与电力监测系统、煤矿安全生产检测系统联网，实现远程检测监 控。 系统应具有以水仓水位为主，结合分时计费和“避峰填谷”原则， 确定开停水泵时间。 具有较强的兼容性和扩展性。
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4.控制原理详见如下原理图。 水泵控制原理图：
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闸阀控制原理图：
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五、工作环节
监控装置可概括为以下六个环节：自动注水环节、闸阀操纵环节、水 位自动监控环节、参数传示环节、故障保护环节和电动机的自动控制环节。 参照系统图作以下详细说明。 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。本方案采用喷射泵方式抽真空。由真空表监测真空度，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。 当泵体内充满水后，以启动和停止 1＃泵为例，其过程如下：启动时， 先启动 1＃电机，然后打开 11＃或 12＃电动阀（以“轮换工作”原理，根 据上次所使用的管路，此次换另一趟管路） ，最后开 10＃电动阀即可，停止 时，先关 11＃或 12＃电动阀，再关 10＃电动阀，最后停 1＃电机。 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。
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当水位达到水位 2 时
，若处于低计费时段，可以立即启动，若处于高 计费段，则暂缓启动。当水位继续上升至水位 3 时，则不论电网如何，必 须启动水泵。若水位继续上升至水位 4 时，则表明一台水泵的排水量已不 足于排除矿井出水，必须启动第二台水泵，两台水泵一齐排水，以矿井的 最大排水能力来排除矿井出水。不论投入几台泵，水位必须下降到水位 1 方可停泵。上述水位 1 至水位 4 均由超声液位计将模拟信号送入 PLC，由 PLC 通过软件标定。分时计费亦由 PLC 通过软件标定。 4、 参数传示环节 在主控柜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
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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。
六、系统设备及组成
水泵房监控装置包括 PLC 隔爆控制箱、井底集中操作台、LED 模拟显 示屏、就地控制箱和外围传感器，地面上位工控机等五部分。 （1） PLC 控制箱主要由可编程控制器、信号变送器、中间继电器 等组成，主要完成对信号的变换、放大，并由 PLC 运算、 判断发出各种控制信号，监控水泵的运行工况。 （2） 井底集中操作台 由指示灯、按钮、平板电脑等组
成，完成 整套系统的控制与监视。 （3） （4） （5） LED 模拟显示屏，显示系统主要设备的各个工况。 就地控制箱主要由按钮、指示灯、智能 PLC 分站等组成； 传感器包括超声水位计、流量传感器、液位传感器、负压 传感器、正压传感器等组成。
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新元矿水泵集控系统设备清单
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 名称型号 泵房 PLC 隔爆箱 泵房闸阀隔爆 配电箱 井地集控台 超声波水位计 超声波流量计 液位开关 负压传感器 正压传感器 台 台 台 台 台 台 1 2 3 8 5 5 2 0．6 1．6 0．1 0．8 0．8 北京昆仑海岸 唐山汇中 单位 台 台 数量 1 1 单价万 9 5 合计万 备 注 西门子 PLC
注： 此配置不包括地面控制部分及电缆
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界面实例
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一、企业简介
唐山开诚电器有限责任公司（原唐山市矿用电器厂、唐山市矿用电器
厂二厂）,总部位于唐山高新技术开发区内，在唐山丰南市设有一万多平米 “唐山开诚自动化产品有限责任公司”：在深圳罗湖区设有“深圳开成电 子有限公司”。是一家专业制造矿山自动化控制产品、节能产品、电力电 子产品、楼宇自控系统、水管理自控系统、计算机网络系统的民营企业， 河北省软件协会理事单位，是河北省认定的高新技术企业之一，河北省十 强高科技民营企业，原煤炭部成套自动化设备定点厂。是我国煤炭自动化 领域的知名生产厂家。为世界著名的美国 ROCKWELL 公司（全球 500 强）的 OEM 生产厂家， 其中两项产品被纳入国家火炬计划项目， 2000 年通过 IS09002 质量体系认证和英国 NQA 质量体系认证。产品远销全国 30 多个省区并出口 东南亚各国，多次容获国家级和省、市级优秀产品和科技成果奖。 开诚公司长期坚持技术创新，新产品研发能力强，科技含量高，拥有 多项自主知识产权。我公司开发成功的 PXK-2 型 PLC 绞车提升信号操车综 合控制系统被列为国家级火炬计划项目。 2000 年下半年开发成功的 “ZJT-30 型隔爆兼本安智能变频调速装置”填补了国内空白， “BGRQ-6A 矿用隔爆高 压软起动装置”经以张仲华院士为首的专家鉴定委员会评定为“填补国内、 外空白”、“达到国际先进水平”。全部产品均获得了国家法定检验部门 颁发的防爆合格证和煤矿安全标志证和其他所必须的的认证，并得到了国 内、国际市场的积极回应。 开诚公司在多年的经营实践中，总结出了一套有自身特色的民营企业 管理经验。多方引入各类人才组建职业经理人管理团队，结合公司现状将 当前最先进的管理思想和管理方法有选择地引入公司。目前，公司的人力 资源管理、战略规划体系、预算体系、信息管理体系、人才与激励体系、 营销渠道管理、品牌管理等日臻完善，初步具备了一个高速发展的现代化 企业的基本特征。 2000 年 2 月 23 日朱镕基总理亲切接见公司董事长许开成先生, 并对 开诚公司提出了更高的要求：“与世界接轨，为煤炭现代化服务”；2001 年 2 月，上任伊始的河北省委书记王旭东同志率考察团考察开诚公司，在 听取了公司管理者的汇报后作出了重要指示。
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二、规范与标准
2.1 遵循的设计原则
1）以《煤矿安全规程》为
基础，并结合现场实际情况； 2）遵循“五高”建设方针，即高起点、高技术、高质量、高效率、高 效益，突出效益优先； 3）技术先进，可靠性高，扩展与升级容易，具有故障自诊断功能，做 到够用、适用、好用、易扩展； 4）充分利用现有资源，在技术先进的基础上，做到经济实用； 5）网络通讯功能强大，易于与其它系统集成。
2.2 遵守的主要现行标准
GB4796 GB20062 GB50058 《电工电子产品环境条件》 《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》 《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》
GB4720-84 《低压电器电控设备》 GB50171-92 《电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施式及验收 规范》 IEC144 ANSI488 ISA-55.2 ISA-55.3 ISA-55.4 《低压开关和控制设备的外壳防护等级》 《可编程仪器的数字接口》 《过程运算的二进制逻辑图》 《过程操作的二进制逻辑图》 《仪表回路图》
2.3 系统适用环境
工作温度 存储温度 工作湿度 0～60℃ -40～85℃ 5～95%，无冷凝
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工作环境 抗干扰性 保护等级 防爆类型
无滴水及震动 距电子设备 1.2m 处发出的电磁和射频干扰(频率 400～ 500MHz，功率 5W)，不影响其正常工作。 IP54、 IP33（本安） 隔爆，本安
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第二章 方案设计
一、 现场情况： 1、 山西新元煤炭有限责任公司新元矿井设计生产能力 6.0Mt/a,属高 瓦斯矿井。井下主排水泵房设于中央进风立井井底，井下涌水经 敷设于进风立井井筒的排水管路，排至地面中央风井场地内的井 下水处理站。 2、 3、
4、
矿井为高瓦斯矿井、有煤尘爆炸危险的矿井。 主排水泵房位于矿井中央进风立井井底，安装地点海拔标高： 电源频率：50HZ 高压电源：额定电压 AC 10KV 低压电源：额定电压 AC 660V。引自井下中央变电所低压 660V 母 线。 信号电源电压 AC127V， 控制电源电压≤AV36V， 由集中控制设备自 供。
5、
新元矿井按现代化矿井建设，全矿建立综合自动化控制系统，要 求矿井各主要生产环节都将实现计算机控制，井下主排水泵房作 为重要的生产部门，拟建设成无人值班机房，要求泵房电控系统 实现自动控制，并可以遥控。 本方案从实际出发，在井下水泵站配备一套自动控制系统（简称 系统） ，以实现水泵站排水自动化控制。
6、 系统主要设备情况： 主排水泵房设有 5 台型号为 MD450-60*10 耐磨离心水泵，电机电 压为 10KV 直接起动，型号为 YB710-4，定子每相二个（PT100）测 温元件。吸水管路系统，采用 ZP
BG 型气、水两用喷射泵总成构成 多台喷射泵并联互为备用上水系统，使水泵吸上引水，实现水泵 无底阀运行。五台水泵共用三台喷射泵并联，互为备用。即任意 一台喷射泵工作时，能启动任意一台水泵。每台喷射泵总成与排 水管之间、与每台水泵之间管道设电磁阀控制管道通、断。排水 系统敷设三趟排水管路，两趟工作，一趟备用。每台水泵对应三 趟排水管路分别设置一个电动闸阀（计 3 个） 。每台水泵工作时， 利用三趟排水管路中一趟管路排水，相应排水管路电动闸阀开启，
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其余两个电动闸阀处于关闭状态。
二、系统要求
1. 能够自动采集、显示水泵的各种运行参数； 2. 能够根据水仓水位、生产工作制及负荷情况控制水泵自动工作。 3. 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，并根据故障类型停泵。 4.可自动、手动控制水泵的启停及电动闸阀的开、关。 5. 在矿井地面调度监控中心可完成对水泵控制的各种操作。 6. 系统应能与矿井综合调度系统无缝连接，实现数据的共享。
三、设计方案
系统控制柜采用防爆型，配以本安操作台实现对水泵的自动控制，在水 泵房设一台防爆控制站。系统应具有现场可编程、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 RS485 或工 业以太网传输接口模块与设置在井下中央变电所的网络交换机连接，由井 上调度中心监控所有排水泵等被控设备。 控制系统应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。 系统的主要监测信号有：各水泵及真空泵的开停信号；各电动闸阀的开 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；水泵电机的工作电流等。 系统的控制信号有：主电机的开停控制；真空泵开停控制；液动闸阀控 制。 为实现控制系统的功能，在每台水泵出口各设三台电动闸阀对应三趟排 水管路；在三趟排水管路上安装三台超声流量计，以检测排水量；在两个 水仓分别设一超声波水位计及响应液位开关，以检测水仓水位。可实现低 水位—用于停泵信号；第一水位—用于启动第一台水泵信号；高水位—用 于启动第二台水泵运行信号；危险水位—用于启动备用泵信号。另外，为 更好地保护电机，还应各设一台红外温度传感器，以检测电机轴承温度。 系统应预留水窝排水泵液动闸阀控制和监测接口，由 PLC 实现水窝的自 动排水。
系统功能: 1、自动控制功能
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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、第一水位、高水位、危险 水位信号。低水位时停泵；第一水位时启动第一台水泵；高水位时启动第 二台水泵；危险水位时启动备用泵。 3）每台水泵设置运行、备用和检修三种工作方式，该方式可直接在本 机上设定或由地面主机设定。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，当达到低位或不在高位而处在用电高峰时间 内时自动停泵。当水位达到上限水位时，自动启动“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” ， 当达到低位或不 在高位而处在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。此方式下操作人员在分站上人工手动控制。 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. 就地手动控制：各设备工作方式打到就地位置时，可直接在开关柜 上人工手动控制。此方式主要用于设备检修时。 5. 现场编程：用户可在现场通过面板上的键盘对程序或参数进行修改。 6. 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。 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
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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。 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。
四、 系统功能与特点
本设计方案是唐山开诚电器有限责任公司根据新元矿中央泵房控制原 理图而设计。本系统投入后，可使中央泵房系统更加安全可靠，提高排水 能力，降低事故率，减少故障处理时间，提高矿井效益。能够最大限度地 减少因电控系统故障而造成的事故，提高供电、排水系统的可靠性，节约 设备维修费用，延长设备使用寿命。 为达到主排水系统安全可靠运行，系统实现自动化控制是很有必要的。 同时，根据现在的技术水平，配备先进的检测、监控系统，完成水泵的自 动开停和工况检测，实现主排水系统自动化控制。 本控制系统在井下泵房集控室设 PLC 集中控制站，采集各种信号，按 照工艺流程控制各台水泵及相应的电动闸阀，显示各种工作状态。整个集 中控制系统由 PLC 集控及监控部分、现场设备两大部分组成，具体配置见 附表。 1. PLC 配置及功能特点： 本系统采用 SIEMENS 公司的 S7-300 系列可编程控制器。S7-300 是 模块化中小型 PLC 系统，它能满足中等性能要求的应用。
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模块化，无排风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握等特点使得
S7-300 成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解 决方案。它具有如下特点： SIMATIC S7-300 的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维护 。
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高速的指令处理
0.6~0.1ms 的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了 全新的应用领域。
浮点数运算
用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算
方便用户的参数赋值
一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值，这样就 节省了入门和培训的费用。
人机界面 (HMI)
方便的人机界面服务已经集成在 S7-300 操作系统内。因此人机对 话的编程要求大大减少。SIMATIC 人机界面(HMI)从 S7-300 中要求 数据，S7-300 按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300 操作系 统自动地处理数据的传送。
诊断功能
CPU 的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误 和特殊系统事件 (例如：超时，模块更换，等等)。
口令保护
多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经 允
许的复制和修改。
操作方式选择开关
操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改 变操作方式。这样就防止非法删除或改写用户程序。
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SIMATIC S7-300 具有多种不同的通讯接口：
多种通讯处理器用来连接 AS-i 接口、PROFIBUS 和工业以太网
总线系统
通讯处理器用来连接点到点的通讯系统 多点接口(MPI) 集成在 CPU 中，用于同时连接编程器、PC 机、
人机界面系统及其他 SIMATIC S7/M7/C7 等自动化控制系统。 ---- 这是一个经济而有效的解决方案； 方便用户的 step7 的用户界面提 供了通讯组态功能，这使得组态非常容易、简单。 ---- CPU 支持下列通讯类型：
过程通讯
通过总线(AS-i 或 PROFI- BUS)对 I/O 模块周期寻址(过程映象交换)
数据通讯
在自动控制系统之间或人机界面(HMI)和几个自动控制系统之间， 数 据通讯会周期地进行或被用户程序或功能块调用。 2. 本监控系统具有以下几方面特点： 1) 选用先进的控制器，系统的实时性好，可靠性高，数据处理速 度快。 2) 可扩展性强，便于系统的扩展及管理网络的发展。 3) 维护方便，运行费用低。系统扩展方便，可随时增加节点。本 系统可根据生产需要随时增加控制接点，控制器和网络可靠性 高，维护工作量小。 4) 总结各矿中央泵房集控系统的经验教训，特别采取了增加设备 可靠性的措施。系统投入运行时，PLC 对软起动装置、高压防
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爆开关状态进行扫描分析，运行过程中对传感器监控，故障时 报警。
5) 根据水位控制原则，自动实现水泵的轮换工作，大大延长了水
泵的寿命； 6) 该监控装置可根据电网负荷信息，以“移峰填谷”原则确定开、 停水泵时间，从而提高了矿井的电网质量；本监控装置采用超 声水位计连续检测水仓水位，超声水位计输出 4～20mA 信号送 PLC，PLC 经运算判别，自动开停水泵。在正常水位时，各台泵 能自动轮换工作，在危险水位时，自动投入必要数量的水泵运 行，并自动控制相应管路上的阀门。系统以水仓水位为主，结 合分时计费和“移峰填谷”原则，确定开停水泵时间，从而达 到节能、节耗目的。 3.监控系统具有的功能 实时监测水仓水位，当水位达到上限时能够报警，自动开启水泵； 当水位达到下限时，发出声光信号，自动停泵。 实施监测水泵各工况参数，包括水位、流量、电压、电流、压力、 功率、温度、真空度、闸阀开启度等。 具有
数据分析功能，对水泵的效率、电耗、工况点等进行分析，确 保经济运行。 当水泵出现故障时，能够及时报警，并能够自动开启备用水泵，不 能满中排水能力时，根据水量情况自动确定开启水泵台数。 具有自动控制、就地控制、检修闭锁功能。 实现远程编程、现场编程、完善修改系统功能。 具备完善的系统保护功能。 可与电力监测系统、煤矿安全生产检测系统联网，实现远程检测监 控。 系统应具有以水仓水位为主，结合分时计费和“避峰填谷”原则， 确定开停水泵时间。 具有较强的兼容性和扩展性。
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4.控制原理详见如下原理图。 水泵控制原理图：
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闸阀控制原理图：
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五、工作环节
监控装置可概括为以下六个环节：自动注水环节、闸阀操纵环节、水 位自动监控环节、参数传示环节、故障保护环节和电动机的自动控制环节。 参照系统图作以下详细说明。 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。本方案采用喷射泵方式抽真空。由真空表监测真空度，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。 当泵体内充满水后，以启动和停止 1＃泵为例，其过程如下：启动时， 先启动 1＃电机，然后打开 11＃或 12＃电动阀（以“轮换工作”原理，根 据上次所使用的管路，此次换另一趟管路） ，最后开 10＃电动阀即可，停止 时，先关 11＃或 12＃电动阀，再关 10＃电动阀，最后停 1＃电机。 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。
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当水位达到水位 2 时
，若处于低计费时段，可以立即启动，若处于高 计费段，则暂缓启动。当水位继续上升至水位 3 时，则不论电网如何，必 须启动水泵。若水位继续上升至水位 4 时，则表明一台水泵的排水量已不 足于排除矿井出水，必须启动第二台水泵，两台水泵一齐排水，以矿井的 最大排水能力来排除矿井出水。不论投入几台泵，水位必须下降到水位 1 方可停泵。上述水位 1 至水位 4 均由超声液位计将模拟信号送入 PLC，由 PLC 通过软件标定。分时计费亦由 PLC 通过软件标定。 4、 参数传示环节 在主控柜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
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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。
六、系统设备及组成
水泵房监控装置包括 PLC 隔爆控制箱、井底集中操作台、LED 模拟显 示屏、就地控制箱和外围传感器，地面上位工控机等五部分。 （1） PLC 控制箱主要由可编程控制器、信号变送器、中间继电器 等组成，主要完成对信号的变换、放大，并由 PLC 运算、 判断发出各种控制信号，监控水泵的运行工况。 （2） 井底集中操作台 由指示灯、按钮、平板电脑等组
成，完成 整套系统的控制与监视。 （3） （4） （5） LED 模拟显示屏，显示系统主要设备的各个工况。 就地控制箱主要由按钮、指示灯、智能 PLC 分站等组成； 传感器包括超声水位计、流量传感器、液位传感器、负压 传感器、正压传感器等组成。
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新元矿水泵集控系统设备清单
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 名称型号 泵房 PLC 隔爆箱 泵房闸阀隔爆 配电箱 井地集控台 超声波水位计 超声波流量计 液位开关 负压传感器 正压传感器 台 台 台 台 台 台 1 2 3 8 5 5 2 0．6 1．6 0．1 0．8 0．8 北京昆仑海岸 唐山汇中 单位 台 台 数量 1 1 单价万 9 5 合计万 备 注 西门子 PLC
注： 此配置不包括地面控制部分及电缆
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界面实例
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