CN101718275A - 一种固定式水泵冗余启动信号自动转换装置 - Google Patents

Abstract

一种固定式水泵冗余启动信号自动转换装置，包括：安装于水泵吸水井上方的超声波水位传感器；安装于固定式水泵冗余启动信号自动转换装置箱内的最高位开泵水位继电器和最低位停泵水位继电器，其探极分别安装于水泵吸水井井筒中允许水泵工作的最高和最低水位处；安装于水泵吸水段入口处的负压传感器；安装于水泵出水口处的光电水传感器；以及安装于自动转换装置箱内的转换开关和可编程控制器。本发明实现了煤矿固定式水泵启动负压值跟随吸水高度的变化自动转换，解决了煤矿固定式水泵在任意水位下可靠性启动问题，同时实现了固定式水泵启动信号的冗余，是煤矿排水系统自动化控制的先决条件，使煤矿排水系统安全、经济、可靠。

Description

一种固定式水泵冗余启动信号自动转换装置

技术领域

本发明属于矿山自动化控制领域，涉及煤矿井下中央水泵房水泵以及其他行业固定式水泵在自动化控制过程中，如何实现水泵启动信号的监测判断和启动信号的冗余问题，是煤矿固定式水泵自动化控制过程中一种可靠性启动装置。

背景技术

煤矿一般在井下水平井底车场处设置大容量储水水仓，依靠固定式水泵进行集中排水，满足煤矿井下安全生产需要，防止淹井事故的发生，同时水泵运行还要做到调荷避峰，满足经济排水需要。

固定式水泵启动的方法是：首先关闭水泵出口管路闸阀，然后排出水泵泵体内的空气，当水淹没水泵叶轮时，水泵进行启动。当电机完全启动时，也就是水泵达到额定转速时，打开水泵出水管路闸阀，直到水泵最大流量为止。水泵的这种启动方式既保证了启动电流最小，也保证了水泵这种流体机械的可靠启动。

目前，煤矿固定式水泵有两种启动方式：一是人工启动水泵，人工关闭水泵出口管路闸阀的情况下，往水泵内灌引水或抽真空，当操作人员发现水泵泵体内充满水时，启动水泵；二是自动启动水泵，一般煤矿在水泵吸水井上方安装超声波水位传感器，在水泵入口处安装负压传感器，设定一个固定水位值，在自动关闭水泵出水管路闸阀的情况下，对水泵进行抽真空，当检测到固定水位值的时候，自动开启水泵。

这两种水泵启动方式都有很大弊端：人工开启水泵，依靠人为因素操作水泵，可靠性太差，无法实现自动化运行；在上述的自动启动水泵的情况下，当水位传感器或负压传感器故障的情况，水泵都不能进行启动。再者，煤矿井下在考虑调荷避峰和突水等情况下，吸水井内的水位很多情况下变化都很大，是一个随机水位，设置一个固定式水位启动，在吸水井水位变化比较大的情况下，水泵也无法启动。无论是传感器故障的不可靠还是单一水位的设置不可靠，都造成了煤矿井下固定式水泵自动化控制过程中，水泵不能可靠性启动现象，不仅矿井不能做到节能排水，而且困扰着煤矿井下的安全生产。因此，在这种情况下，煤矿固定式水泵就无法实现自动化控制。

发明内容

本发明为了克服以上两种方式的不足，发明了一种固定式水泵冗余启动信号自动转换装置，一是实现固定式水泵在随机水位情况下可靠启动水泵；二是固定式水泵启动信号实现冗余，保证传感器故障的情况下，不影响水泵的启动，从根本上解决煤矿固定式水泵可靠性启动问题，满足煤矿固定式水泵安全、经济运行，实现安全生产和节能排水。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种固定式水泵冗余启动信号自动转换装置，包括：安装于水泵吸水井上方的超声波水位传感器；安装于水泵吸水井井筒中最高位开泵水位继电器和最低位停泵水位继电器，高、低水位继电器安装于固定式水泵冗余启动信号自动转换装置箱内，其探极分别安装于水泵吸水井井筒中允许水泵工作的最高和最低水位处；安装于水泵吸水段入口处的负压传感器；安装于水泵出水口处的光电水传感器；安装于固定式水泵冗余启动信号自动转换装置箱内的转换开关和可编程控制器；其特征是：超声波水位传感器完成任意水位的监测，转换成电流信号输入给可编程控制器模拟量输入模块；水泵入口处的负压传感器完成泵体内空气相对压力的监测，转换成电流信号输入给可编程控制器模拟量输入模块；水泵出水口处的光电水传感器在有水的情况下接通，无水的情况下断开，其开关信号输入给可编程控制器的数字模块；转换开关一共四个，输入给可编程控制器数字模块，分别为解除超声波传感器、负压传感器、光电水传感器和高低水位继电器；可编程控制器完成信号检测、计算、判断和输出。

本发明的有益效果是：实现了煤矿固定式水泵启动负压值跟随吸水高度的变化自动转换，解决了煤矿固定式水泵在任意水位下可靠性启动问题，同时实现了固定式水泵启动信号的冗余，是煤矿排水系统自动化控制的先决条件，使煤矿排水系统安全、经济、可靠。

附图说明

图1是本发明的安装结构示意图。

图2是本发明的装置接线示意图。

图3是本发明的程序工作流程图。

附图中：1、低水位继电器探极；2、高水位继电器探极；3、水泵吸水井；4、水泵吸水管路；5、超声波传感器；6、水泵拖动电机；7、固定式水泵冗余启动信号自动转换装置箱；8、水泵；9、光电水传感器；10、水泵排水管路；11、水泵出水管路闸阀；12、负压传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

本发明的一种固定式水泵冗余启动信号自动转换装置，主要由安装于水泵吸水井上方的超声波水位传感器、安装于水泵吸水井井筒中的最高位开泵水位继电器和最低位停泵水位继电器、水泵入口负压传感器、水泵出水口光电水传感器、转换开关和可编程控制器及其附件构成。

超声波水位传感器完成任意水位的监测，量程1～10m，转换成4～20mA电流信号输入给可编程控制器模拟量输入模块；水泵入口负压传感器完成泵体内空气相对压力的监测，0～-100Kpa，转换成4～20mA电流信号输入给可编程控制器模拟量输入模块；高低水位传感器固定于可编程控制器箱内，其水位探极分别置于吸水井允许的最高水位和最低水位(水泵停止水位)；水泵出水口光电水传感器在有水的情况下接通，无水的情况下断开，其开关信号输入给可编程控制器的数字模块；转换开关一共四个，输入给可编程控制器数字模块，分别为解除超声波传感器、负压传感器、光电水传感器和高低水位继电器；可编程控制器安装于固定式水泵冗余启动信号自动转换装置箱内，与其附件一起，是转换装置的主要核心部件，完成信号检测、计算、判断和输出。

在固定式水泵自动控制中，水泵的开启方式为：首先关闭水泵出口管路闸阀，然后排出水泵泵体内的空气，当水泵内空气压力低于大气压力一定值时，也就是负压达到一定值时，水泵泵体内的叶轮就被水淹没了，这时水泵进行启动(如果监测到水泵水轮被水淹没，水泵也可以启动)。当电机完全启动时，也就是水泵达到额定转速时，打开水泵出水管路闸阀，直到水泵最大流量为止。根据水泵的流体力学知识可得，固定式水泵如果能够可靠启动，泵体内的负压值必须等于吸水井水面和水泵出水口之间的水柱高度值，水柱高度值通过超声波水位计测量，泵体内负压值通过负压传感器测量。因此，任意一个水位都对应了一个负压值，水位信号有可编程控制器计算自动转换，与负压传感器传送的数据一致时，即可开启水泵；同时固定式水泵的开启也可通过光电水传感器检测泵体内叶轮是否被淹没来决定，光电水传感器和负压传感器是相互冗余的。因此，在本发明中，装置既检测了水泵允许开启的负压值，也检测了水泵叶轮是否被水淹没；既通过超声波水位计检测线性变化的水位，也利用水位继电器检测两个极限水位，水位继电器和超声波传感器也是冗余的，只不过是在极限状态。

冗余启动信号自动转换装置正常工作中，两套传感器都投入工作，只有传感器故障时，故障传感器才被转换开关解除。所有功能的完成均在可编程控制器内完成。

下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一部描述：

图1是本发明的安装结构图，在图1中，1为低水位继电器探极；2为高水位继电器探极；3为水泵吸水井；4为水泵吸水管路，水泵通过此管进行吸水；5为超声波传感器，检测吸水井水面高度变化，信号输入可编程控制箱；6为水泵拖动电机；7为固定式水泵冗余启动信号自动转换装置箱，内部安装水位继电器、转换开关、可编程控制器及其附件；8为水泵；9为光电水传感器，插入水泵出口管路中，检测是否有水；10为水泵排水管路；11、水泵出水管路闸阀；12、负压传感器。

本发明固定式水泵冗余启动信号自动转换装置，以可编程控制器为转换处理中心，超声波水位传感器安装在煤矿井下主排水泵房水泵吸水井上口，垂直于吸水井横截面，每个吸水井安装一只；负压传感器安装于水泵吸水段入口处，每台水泵安装一只；压力传感器安装于水泵出水段出口处，每台水泵安装一只；防爆高低水位继电器安装于固定式水泵冗余启动信号自动转换装置箱内，其探极分别安装于水泵吸水井井筒中允许水泵工作的最高和最低水位处，每台水泵安装二只；光电式水传感器安装于水泵出水段管路靠近泵体处)，每台水泵安装一只；固定式水泵冗余启动信号自动转换装置箱安装于水泵附近硐室壁龛内。

图2是本发明的装置接线示意图，在图2中，虚线框内为固定式水泵冗余启动信号自动转换装置箱的配置接线，可编程控制器S7-300微处理器为CPU314，其电源模块、输入输出模块通过模块背板总线连接，所有输入输出关系有SM331、SM321、SM322完成，信息判断、计算有CPU314完成，固定式水泵冗余启动信号自动转换装置箱内的1AK为超声波传感器解除开关，2AK为负压传感器解除开关，3AK为光电水传感器解除开关，4AK为高低水位继电器解除开关，开关闭合状态为解除。正常状态下，开关为断开状态，只有某一传感器故障时，相应开关才处于解除状态。

图3是本发明的程序工作流程图，在图3中，流程图为装置正常工作的过程，系统送电后，首先进行初始化，当有来自外界开泵指令或水泵吸水井水位达到最高安全水位时，系统必须进行开泵，此时超声波传感器把水位信号模拟量传递给SM331，SM331转换为数字信号给CPU314，CPU314根据流体力学能量守恒公式，换算出水泵启动需要的负压值，同时，超声波检测的水位值应处于最高和最低水位之间，否则系统进行报警，检查超声波传感器和水位传感器是否故障。如果超声波检测水位处于最高和最低水位之间时，系统随时检测负压传感器传递过来的负压值，负压传感器同样把模拟信号传递给SM331，SM331转换为数字信号后给CPU314，当CPU314接收到的负压信号和超声波水位转换的信号一致时，系统再次判断SM321是否接收到了光电水传感器的信号，如果系统没有接收到光电水传感器的信号，系统要进行报警，检查负压传感器和光电水传感器是否故障。如果CPU314接收到的负压信号和超声波水位转换的信号一致时，此时又收到了光电水传感器传递的信号，此时，SM322给电控系统控制信号，水泵电机得电启动。水泵运行过程中，如果控制系统发出控制指令，则水泵停止。如果超声波水位传感器或低水位传感器任何一个发出低水位信号，系统无论是否接收到停止信号，水泵都要停止。当系统不能同时接收到两个低水位信号时，系统进行告警，检查超声波水位传感器和低水位传感器是否故障。

以上流程图说明了固定式水泵冗余启动信号自动转换装置正常工作时的流程图。当系统中任何一个传感器故障时，可以通过可编程控制箱内的转换开关转换解除相应传感器，流程图中则对相应的传感器数据不再判断对比，系统在没有冗余信号的情况下工作，仍能保证水泵的正常工作。

上面所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和保护范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种固定式水泵冗余启动信号自动转换装置，包括：安装于水泵吸水井上方的超声波水位传感器；安装于水泵吸水井井筒中最高位开泵水位继电器和最低位停泵水位继电器，高、低水位继电器安装于固定式水泵冗余启动信号自动转换装置箱内，其探极分别安装于水泵吸水井井筒中允许水泵工作的最高和最低水位处；安装于水泵吸水段入口处的负压传感器；安装于水泵出水口处的光电水传感器；安装于固定式水泵冗余启动信号自动转换装置箱内的转换开关和可编程控制器；其特征是：超声波水位传感器完成任意水位的监测，转换成电流信号输入给可编程控制器模拟量输入模块；水泵入口处的负压传感器完成泵体内空气相对压力的监测，转换成电流信号输入给可编程控制器模拟量输入模块；水泵出水口处的光电水传感器在有水的情况下接通，无水的情况下断开，其开关信号输入给可编程控制器的数字模块；转换开关一共四个，输入给可编程控制器数字模块，分别为解除超声波传感器、负压传感器、光电水传感器和高低水位继电器；可编程控制器完成信号检测、计算、判断和输出。

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