一、改造目标及规范

（1）系统的先进性：实现自动化检测、控制与监视。各水泵房水泵自动控制系统将单片机控制技术、计算机网络通信技术和排水控制系统相结合，形成以“集中控制为主， 远程监测为辅”的控制模式，实现中央水泵房的无人值守。在自动化技术装备上达到国内领先水平。

（2） 系统的可扩充性：为满足矿井水处理的需要，在系统接口等方面充分考虑可扩充性。

（3） 操作方式的灵活性：系统具备自动控制、一键控制、就地手动控制、远程控制等操作方式。

（4） 软件画面的友好性：设计的软件和画面要直观、实用，充分考虑启停顺序及其各种例外情况，关联信息紧凑方式显示，方便操作和故障判断。

（5）信号传输部分：即以太网传输系统，保障水处理控制系统与自动化综合平台之间进行数据交换。

（6）系统能够对电机和水泵的运行参数及保护参数进行实时监测和上传，上传主要参数包括：电机温度、水泵轴温、电压、电流，水泵实时流量、水位、真空度、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。

二、泵房自动化监控系统设计

1、 系统方案设计

 井下泵房自动化控制系统工程的建设，考虑无人值守的系统设计，并应实现自动化排水。考虑到排水自动化系统安全性与可靠性，此自动化系统的控制结构设计为多CPU控制模式。此模式为每台泵组设计一台就地水泵控制器，各水泵控制器内配置CPU控制模块与数据采集模块，用以实现各泵组的运行参数独立采集与启、停控制的故障保护，此时可在就地控制或远程控制模式“一键启停”泵组。当其中一台水泵控制器出现故障时，不会影响其他泵组的正常运行，同时各就地控制柜内的元器件型号一致，均可互换，维护方便、快捷。

各就地控制柜之间通过以太网进行通讯，当集中控制柜出现故障时，不影响各就地水泵控制器独立控制运行，达到各水泵启停互不影响，保证井下排水正常安全运行。

1.1、中央泵房监控部分

a）PLC集中控制柜：主要由可编程控制器、信号变送器、中间继电器、显示屏（嵌装）、接口模块、中间继电器等组成，主要完成对信号的接受、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。实现水泵房的无人值守。PLC的输出信号采用中间继电器隔离。PLC选用西门子公司S7-1200系列。

PLC 的I/O接口备有不少于20%的备用量。PLC通过以太网模块（光口）接入工业以太环网，实现水泵监控子系统与全矿井的监控系统信息共享。

图1-1：控制系统结构示意图

b）就地水泵控制器：以单片机开发的本安型水泵控制器，MA安全标志编号：MAB210343,防爆编号：CQEx20.1508,采用标准模块化生产，内置标准的控制程序，将各种外围配套设备监控及环境影响因素都引入整体系统内，通过采用各种数学模型，依据各种运算规则进行数据处理，实现传统PLC控制功能全覆盖，使各子系统执行最优运行方案。每台水泵单独配置一台“水泵控制器”，内置单独CPU,“水泵控制器”之间采用以太网通信，通信稳定。水泵控制器同时搭载8类传感器，3路电动闸阀，3路电动球阀，配备显示屏，将监测数据实时显示并循环保存，内置电流监测模块、云服务模块；能控制水泵运行所关联的电动机、闸阀、球阀、真空系统、启动柜等所有设备；实现水泵的一键启停及全自动控制，具备故障诊断、声光报警；多种人机交互方式，支持Can、modbus、Tcp、5G、WiFi等多种通讯方式，可用实现多台水泵组泵站的运行控制，大大降低矿井泵站运行人工费用，让有限的运行费用更多的用于泵站设备维修和维护。更有效提高泵站设备完好率和可用保证率使水泵控制系统可靠的工作，降低矿井安全隐患，提高矿井生产的安全系数。

图1-2：就地水泵控制器

   1.2、传感器部分

液位计：系统通过液位自动控制水泵自动启停，因此井下水仓配置两台超声波液位计，用于监测水仓水位，两台液位计互为备用，数据互为修正。

流量传感器：流量作为水泵一项重要参数，负责判断水泵启泵时是否成功上水，同时可反应每台水泵运行功耗，提供水泵检修依据。因此每趟主排水管路和水泵进水口配置一台双声道超声波流量传感器的，有效监测水泵运行流量，为水泵的能效分析提供重要的依据。

温度、振动传感器：每个水泵后轴安装温度振动传感器，将水泵温度振动准确的传递至PLC，反应水泵运行的稳定性，为水泵运行状态监测及设备维护供准确的数据。

正压变送器：每台水泵出水口分别安装一台正压传感器，用于水泵在起泵机开泵过程中对水泵扬程的观察，为水泵的能效分析提供重要的依据。

负压变送器：每个水泵进水安装一台负压传感器，用以监测真空引水系统效果是否充分，并为设备的检修提供准确的数据。

温度传感器：每个水泵前轴、电机前后轴安装温度传感器，将水泵和电动轴承运行温度准确的传递至PLC，反应水泵和电动的稳定性，为水泵和电动运行状态监测及设备维护供准确的数据。

烟雾传感器：烟雾传感器用于监测矿井下因机械磨擦、电缆发热、设备自燃等原因引起的火灾事故。本产品为矿用本质安全型，安装在煤矿井下机电硐室和水泵房。RS485信号传递至PLC，反应水泵和配电室的周围环境。

2水泵控制系统

水泵控制系统控制过程可概括为以下六个环节：自动引水环节、闸阀操作环节、水位自动监测环节、参数传输环节、故障保护环节和电动机的自动控制环节。

2.1自动引水环节

因水泵安装基础高于吸水面，水泵腔体内部只有形成必要的真空度，才能将水吸入水泵腔体，使其内部叶轮完全淹没于水中，达到启泵时正常排水。因此，启动前的引水是水泵工作的重要操作项目之一。本系引水方式采用真空罐引水方式，真空罐注水采用潜水泵和主管水源，互为备用,潜水泵采用380V,2.2KW,不锈钢材质，电动球阀采用螺纹连接，阀体材质:304，阀芯阀座材质:哈氏合金，硬密封， 密封等级:ANSI CLASS V ，电源: 220VAC。

2.2闸阀操作环节

本系统各类排水闸阀及引水阀门改造后均为电动方式，泵房内各就地控制箱可对各电动阀就地进行开关控制。电动阀门可采用手动/自动两种方式控制，在自动状态下，通过PLC对阀门进行集中控制和监视；在手动控制方式下，可在就地控制箱上的按钮对各阀门进行点动操作。当电动闸阀处于检修状态下，可通过闸阀手柄手动开、停阀门，电动闸阀采用天二通电动执行机构。

2.3水位自动监测环节

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。系统实时采集井下液位，并通过系统内部设定控制逻辑启动相应水泵台数，超警戒水位时，发出紧急报警指令，同时启动排水系统内所投入的所有水泵（故障水泵、检修水泵除外）。

2.4参数传输环节

井下PLC可编程集中控制箱内10寸模拟屏上可实时显示水仓动态水位、水泵运行时流量、水泵压力及电动机、电动球阀和电动闸阀的各种工作状态。所有的检测参数及工作状态均可由系统通过以太网传输至地面监控平面，监控平面分析处理系统各项数据，并在显示器反映出水泵运行曲线、报表，以利于地面管理人员做出正确判断，向井下PLC可编程控制器发出控制命令。

2.5故障保护环节

“预警信息”:“预警信息”仅通过报警对话框提示用户预警信息，不会对系统进行任何操作。

“报警信息”:针对报警信息，系统提示用户报警信息及报警内容。

“故障报警”:针对故障报警，系统提示用户故障信息及内容。系统如有出现故障的水泵在运行中，系统将自动停止运行中的水泵，并报警提示用户。

2.6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，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，当紧急情况需要水泵投入而不能运行，以至影响矿排水时效。为解决此问题，系统应能按“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。系统根据井下水泵台数，切除1~2台备用水泵，当系统按一定顺序轮换开启水泵时，发现某台水泵或其所属配套阀门故障需检修时，系统可将该泵组退出轮换，其余各泵仍按轮换工作制运行，避免设备检修时出现误操作。如系统内所投入水泵总体运行时间均达到检修时限，则系统将其切除并投入备用水泵，达到排水安全性。