摘要：安徽龙桥铁矿井下排水泵房标高-370m，井口标高+80m，排水垂高450m，装设4台450kW抽水泵，采用直接启动方式，供电电压等级10kV，4台泵两主两备。目前龙桥铁矿-370排水站仍然采用传统的人工操作控制，这种排水系统由于自动化程度低、应急能力差、劳动强度大等弊端，不仅浪费人力财力，而且存在很大的安全隐患。为解决上述问题，现拟通过本次改造实现该矿-370排水站的自动排水。本方案从实际出发，在井下泵房配备一套适合于矿井井下环境的自动控制系统（简称系统），以实现排水自动化控制。
关键词：排水自动化 井下自动排水
中图分类号：TD744 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）03-0029-02
1 工程概述
结合矿井排水系统的特点，在确保先进性与可靠性的基础上，采用矿用本安可编程控制器庞大的软硬件资源，通过各种先进可靠的传感器、保护装置、电动闸阀、电动球阀等设备组成矿井主排水自动控制系统。该自动控制系统达到准确及时的掌握各种设备的工作状态、减少排水系统操作人员工作量，降低劳动强度，结合水仓水位变化，充分提高矿井井下主排水系统效率，使水泵排水系统能够安全可靠、节能高效、经济合理的优化运行。对于进一步实现全矿井生产系统的自动化、科学化、网络化管理具有十分重要的意义。
本方案包括如下内容：泵组的自动化控制，保留手动操作功能；自动化元器件的配备及控制；电气保护自动化；测量自动化；计算机与各控制单元的通讯。
系统按照“无人值班”（少人值守）原则进行设计，系统主要硬件设备采用优质进口设备。配置和设备选型符合计算机发展迅速的特点，硬件采用标准模件，即便于硬件设备的扩充，又能适应功能的增加和系统规模的扩展。软件采用通用的标准化组态模块，使系统更能适应功能的增加和规模的扩充。
系统设计具有先进性，具有开放、标准的通讯接口能力。
实时性好，抗干扰能力强，适应矿井的现场环境。
人机接口功能强，人机界面采用中文，操作控制简洁、方便、灵活。
在保证系统的实时性和可靠性等技术指标的同时，系统可维护性好，保证较小的MTTR指标。针对现场施工及机电设备安装情况，监控系统采取总体设计，分布实施的办法，供方将与有关单位密切配合，完成系统的全部投运工作。
2 技术要求
2.1 设计依据
设计方案根据龙桥铁矿安全生产泵房自动化监控实际要求而提出，系统设备符合矿井生产环境条件，电气设备的设计和制造符合标准。
2.2 设计原则
系统以保障安全为第一前提，选择高可靠性、高安全性的自动化元器件，实现无人值守的自动化泵房。
系统要依据水仓水位和峰谷时段实现自动起停水泵。
系统要实现手动/自动、运行/切除/备用等控制模式，在自动控制方式下，能自动依据水泵运行/切除/备用状态的选择，实现水泵启/停以及远方启/停控制。在手动控制方式下，能通过控制柜上的自复式 控制开关实现各水泵的手动启/停操作。
保留手动控制回路，当自动控制系统全部失灵时，应能通过手动起停水泵。
根据电网负荷和共代理部门所规定的峰、平、谷时段，以“避峰填谷”原则确定水泵的启停时间，从而合理的利用电网信息，提高矿井的电网运行质量。
3 系统功能
3.1 控制功能
（1）可依据峰谷时段和水仓水位自动起停水泵，提高水泵有效利用率，降低成本，节能增效。系统设置低限水位、高水位、上限水位和危险水位四种水位线。在非峰谷时段，若水位没有达到高水位，则不启动水泵，若达到高水位，则按流程自动启动水泵；在晚上峰谷时段，则若水位不低于低限水位，也自动启动水泵，直至达到低限水位时，自动停泵。充分利用峰谷时段进行抽水。（2）系统控制具有自动、半自动、手动三种工作方式。自动时，由PLC检测水位、压力及有关信号，自动完成各泵组的启停控制，不需人工干预；半自动工作方式时，由工作人员选择某台或某几台泵组投入，PLC自动完成已选泵组的启停和监控工作；手动方式为故障检修和手动试车时使用（或自动控制系统故障退出时备用），当某台水泵及其附属设备发生故障时，该泵组将自动退出运行，不影响其他泵组的正常运行。LCU柜上设有泵组的禁止启动按钮，设备检修时，可防止其他人员误操作，以保证系统安全可靠。（3）每台水泵可设置“运行”、“备用”、“切除”三种工作方式。当水位达到高限水位时，系统自动启动 “运行泵”；达到上限水位时，系统自动启动下一个“运行泵”；达到危险水位时起动“备用泵”。水位低于上限水位时自动停止“备用泵”；低于高限水位时停止一个“运行泵”；当达到低位时自动停止另一个“运行泵”。（4）可根据实际需求将水泵切换到手动控制方式，此方式下操作人员可通过手动控制按扭人工手动控制各台水泵电机的起停及各电动闸阀开关。（5）当出现水位超限、开关故障、压力下降、流量下降等故障时系统将自动作出相应处理，并发出提示及声光报警信号。
3.2 显示及数据记录功能
（1）实时动态模拟显示系统的整体运行状态，如水仓水位、水泵流量、水泵压力、电流及电动机、电动闸阀等的各种工作状态。（2）动态监视各种自动化元件的工作状态，并对低电压、漏电、过电流、真空度、流量开关、过温、水位超限等故障类型进行诊断分析和显示。（3）可实时显示系统的故障信息，并发出报警。（4）动态显示各水泵电机的运行状况，电流、电压、频率、有功功率、无功功率、功率因数等。（5）系统具有水位、流量、压力等模拟量的实时曲线显示。（6）可将系统的各种参数状态、故障及开停时间统计等信息记录到数据库中。
3.3 保护功能
（1）超温保护：通过安装于电动机轴承内的热电偶监，可直接实现电机内部的温度监测，当温度超过设定值时，及时报警并执行预设的停机动作。（2）水泵启动保护：根据水泵启动时流量、压力、真空度等参数判断水泵是否正常启动，非正常启动时能及时报警。（3）当电机、水泵、电动闸阀、系统故障时，能及时发出告警信息并在监控站界面上以声光、闪烁等显著警示。（4）通过电机保护装置实现对电机的全面的保护，详见电动机保护测控单元DCAP-5010的功能说明。
4 系统效益
（1）可依据水仓水位起停水泵，提高水泵有效利用率，降低成本，节能增效。（2）可减少看护人员，并可充实设备维护检修队伍，提高维护质量，减少事故发生，变发生事故后的被动检修为主动的定期检修，提高设备的使用率，实现减人增效。（3）可以保证矿山的安全生产，改善工作环境，提高劳动生产率。（4）可有效的保护水泵电机等设备，延长使用寿命，减少事故停机时间，提高排水能力。（5）可有效的提高突、透水事故的应急处理能力，防止灾害的发生。
5 系统特点
（1）主控制单元选用高可靠性PLC可编程控制器，采用模块化结构，系统可按程序模块分段调试，分段运行。该程序结构具有清晰、简捷、易懂，便于模拟调试，运行速度快等特点。（2）系统根据水位和峰谷时段控制原则，自动实现水泵启动和停机。（3）PLC自动检测水位信号，计算单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，自动投入和退出水泵运行台数，合理地调度水泵运行。（4）系统具有通讯接口功能，PLC可随时与监控主机通讯，传送数据，交换信息，实现遥测遥控功能。
6 系统设计
本系统采用全分层、分布开放式系统结构。以保证各子系统选用不同计算机时的兼容性，系统扩展和设备更新时的可移植性。计算机监控系统从功能上分为二层：泵站级控制层和负责完成电机泵组、配电站、公用设备等监控任务的现地控制层。现地控制LCU通过通信管理机与操作员工作站连接，实现与泵站控制层的数据交换，通信介质采用超五类网络线。
计算机监控系统是泵站的实时监控中心，负责全泵站的生产自动化功能，包括安全监视、控制操作等；并对历史数据进行处理，包括运行报表、设备档案、运行参数等。
6.1 主机兼操作员工作站
系统配置1套监控主机兼操作员工作站，采用台湾研华公司的工控机，放于中控室内。用于监视全站的信息显示主接线图等各种实时数据和报表、事件顺序记录及各种故障信息，控制全站机组的启停、断路器及电动隔离刀闸等的分合。操作员站可选用语音报警系统。配有全图形彩色LCD显示器、键盘、鼠标器。
主要配置如下：
CPU：3.0
主存贮器：1G
硬盘：160GB
光驱：16XDVD
附件：键盘、鼠标、声卡、网卡等。
显示器：22″液晶显示器
操作员工作站配置声卡、音箱和语音软件，设置语音报警系统作为泵站监控系统的一部分，对泵站故障和事故发语音报警，提醒运行人员。具有语音报警、测试等功能。
6.2 打印设备
系统设置1台HP1008 A4激光打印机，用于报表打印和操作及报警记录打印。
6.3 通信卡
通信卡作为泵站综合自动化系统的枢纽装置，具有连接各种不同的智能采集控制设备和监控端，协调各设备与监控端的数据和命令交互。具体来说，它连接着间隔层的监控保护装置和各种智能采集设备，收集系统模拟量、开关量、压力和温度等信息，经规约转换后向泵站层的后台监控传送，并通过模拟或数字通道远传调度；同时，它接收后台监控或调度的控制命令，转发给相应的智能设备，完成控制端和间隔层设备的信息交互。
6.4 UPS电源装置
本系统配置山特UPS电源系统一套，容量为1kVA，给主控级设备供电。UPS电源由防雷器、静止整流器、充电器、逆变器、切换开关、控制保护装置、信号指示灯、馈线回路设备等组成。
