工业4.0新时代，智能矿山、数字化生产是众多企业发力方向。其中，排水自动化是非常重要的一环。
In the era of Industry 4.0, smart mines and digital production are key focus areas for many enterprises. Among these, drainage automation is a very important component.
以排水为例，自动化的排水系统不仅可以帮矿山减员增效，还能显著提高生产安全性和生产效率。
根据排水泵房通用设计要求，本文章主要介绍以下内容：
1、PLC控制系统的选取：采用西门子S7-1500系列及先进的过程控制软件，综合考虑矿井各种安全信息，实现井下排水控制的最优控制策略；
2、井下排水控制系统的报警，信息显示，报表统计处理情况
3、水泵控制系统设有三种工作方式，在水泵站控制柜上设置“自动（含本地和远程）”、“手动”、“检修”转换开关。
4、PLC控制柜对水泵站设备运行实时在线监控，自动、手动控制水泵的启停及闸阀的开、关，并具有自诊断功能。
5、控制系统通过以太网接入矿井工业以太网，实现水泵控制系统与全矿井的监控系统信息共享，满足全矿井自动化控制的要求。
6、上位机监控系统以计算机图形界面结合现场操作，具有实时状态显示功能，最大程度简化操作。
7、根据井下涌水量预设投入水泵数量，采用非接触式超声波监测水仓水位，由水仓水位变化情况自动投入一定数量的水泵，并根据各台水泵累计运行时间的长短，自动控制水泵进行轮换工作。
8、结合水仓水位和用电时段，以“移峰填谷”原则确定开、停水泵时间。
9、实时监测水泵各工况参数，包括：电机电流、电机轴承温度、水泵轴承温度、水泵流量、电机振动、排水管路压力、吸水管真空度等等
10、自动排水装置具有自检功能。当系统中设备发生故障时，报警并记录故障时间，故障设备，以供查询；系统能自动退出并隔离故障设备及关联水泵的运行，且能根据排水需要启停处在备用状态的水泵。
11、自动排水装置上位机系统具有实时存储功能。存储功能包括：①水位、电流等主要测点模拟量的实时监测值；②模拟量统计值（最大值、平均值、最小值）；③报警及解除报警时间及状态；④设备开/停时间及状态；⑤电能、排水量的统计值，并计入报表中，以作为分析排水效率的依据。
12、自动排水装置通过控制柜能够准确的将水位、电机电流及水泵工作状态、电控闸阀状态等数据传送至地面工业控制计算机。
13、在地表设远程控制室由工业控制计算机、组态管理软件、网络传输部分组成，通过计算机网络，同步显示现场工况。远端监控具有开放的接口，可以实现接入异构控制系统或井下调度系统。
14、自动排水装置具有远程编程、现场编程、完善修改系统功能，具有较强的兼容性和扩展性。
15、监控画面演示：
1．集成原则
节约能源，降低劳动强度，实现井下排水泵房的无人值守和自动排水。
对设备使用状况提前预警，做到实时预警及时维护。
水仓液位智能判断，有突然涌水时，启动水泵及备用泵。
采用PLC控制, 以“移峰填谷”原则对电机运行用电时段进行有效控制。
实现自动开车、手动开车和故障检修。当PLC故障后能够实现手动运行。
系统的元器件、模块、控制器、控制计算机等均采用国内外高等级标准化产品。
PLC采用西门子S7-1500系列，其他主要器件为施耐德产品.
系统满足冶金矿山安全规程和普遍采用的安全措施。
主要检测位置采用双冗余检测,以保证系统的安全性。
2．系统特点
2.1高可靠性和安全性
※系统设置独立PLC控制器，实现集中控制、调度。
※ 重要检测部位采用冗余设计，互为备用。
※ 重要控制部位采用性价比高产品，保证系统安全。
※ 设计上充分考虑系统的电磁抗干扰能力，保证系统本身不受现有系统和电源的干扰，系统外的信号接入系统时，采用信号隔离模块进行隔离。
※ 采用低功耗、散热好的硬件设备，散热系统设计合理。
※ 严格的器件选型：系统按设计要求选用施耐德器件，其他未明确部分选用国内外知名品牌。
※ 严格的系统测试，系统经过功能测试、容量测试、异常测试等。
2.2系统的先进性原则
由于计算机控制技术发展日新月异，对于控制系统设计采用的系统硬件和软件，均采用目前最先进的产品和成熟软件版本且在其他现场应用可靠，并考虑到当更先进和成熟的产品和软件版本出现时，能与现在采用的产品和软件保持兼容。最新版本的系统软件和组态进行升级。
2.3实用、易操作性
※控制箱可进行手动操作如：水泵操作、主排水闸阀操作等。
※ 功能设计全面实用，界面设计专业、友好，让用户全面了解各种监测信息。
※以专业设计的简捷流程实现复杂的功能，最大限度减少用户学习操作时间。
2.4监测信息全面
※ 监测信息包括：各类开关量，模拟量，性能参数，如电流、液位、温度。
2.5传输方式灵活
※ 采用光缆、双绞线等多种传输介质
2.6兼容性
※ 采用模块化设计用户可在不影响已有系统结构条件下扩展新的采集通道。
※ 软件采用多层结构设计，减少模块之间的耦合性，提高系统的可扩充性。
※ PLC的 I/O接口不少于15%的备用量。
2.7可维护性
※ 系统具备自诊断功能，能识别系统异常,便于用户进行维护。
※ 完善的在线帮助系统和用户使用手册，指导用户更好地使用和操作系统。
2.8水泵房实地情况拍摄
3.设备系统总图构成说明
针对现有排水控制系统存在问题，为了实现排水系统自动化控制和提高排水系统效率，特别是对于排水系统优化控制，利用现代控制技术与理论，该控制系统利用可编程控制器PLC及其控制网络构建监控平台，利用冗余现场总线及工业以太网实现各分系统的统一监测监控。
为保证矿井井下排水系统的安全可靠性，井下排水自动控制系统采用传感器+PLC＋工业计算机的监控模式,这样即可达到底层控制；又可达到上层监控的最佳监控方式。
系统分为三层,设备分布系统结构图如下所示（以供货范围为准）：
第一层为现场设备层。其中包括液位计、传感器、电动阀、电机等。
水位测量采用德国进口品牌E+H超声波液位计进行检测，冗余设计，防护等级IP67，完全满足现场条件。
超声波液位计的优点：具有安全、清洁、精度高、寿命长、稳定可靠、安装维护方便、读数简捷等特点。
传感器包括超声波液位计、压力传感器、真空传感器、振动传感器、温度传感器等。所检测的参数主要有：水仓水位、水泵流量、电机水泵轴承温度及设备工作状态等。
对温度、电流等指标报警或超限时及时报警停车。
第二层为现场控制层。现场控制层采用西门子S7-1500系列控制器作为控制核心，根据集中控制的指令、规定的工艺要求、各种逻辑连锁关系的要求、现场状态保护的要求，对现场设备实时控制。
第三层为集中控制层。集中控制层设在地表控制室，主要有工业控制计算机和操作台组成；工业控制计算机选用研华工控机做为上位机，以组态软件Wincc7.4对整个系统的工艺流程画面进行设计，达到即可以对整个系统设备的监视，又可实现对各个设备和整个系统的整体控制。
4．工艺流程
水仓水位检测—→泵真空阀打开—→真空泵阀打开—→启动真空泵—→真空传感器达到测量值—→启动水泵—→关闭泵真空阀—→关闭真空泵阀—→打开电动闸阀—→低液位—→关闭电动闸阀—→停泵。
1．系统工作方式
工作方式分自动(本地和远程)、手动、检修三种。通过在控制柜上设置转换开关实现工作转换。液压闸阀分别安装在水泵出口主排水管路上，水泵分别为运行泵、备用泵和检修泵，正常情况下运行泵和备用泵均参与排水，检修泵不参与。运行、备用和检修可以根据设备运行情况投入。
自动方式：系统通过超声波雷达对水仓液位进行测量分析，检测工作排水泵是否允许开启，系统在满足下列条件后方可启动水泵：1、水位达到基本开泵水位；2、液压闸阀无故障；3、启动设备具备启动条件；4、温度无异常等；具备以上条件后先开启辅助设备（真空泵），当水泵入口压力达到设定值，关闭辅助设备，启动水泵电机，并开启液压闸阀，这时系统监控电流和流量判断启动是否成功。如果水仓的水量超过设定值时则根据“避峰填谷”原则判断是否启动第二台水泵并打开控制液压闸阀。在排水期间，PLC检测电机的轴温、线圈温度情况、水池液位、阀门开闭和压力等工作状态，当发生非正常改变时，则认为故障，PLC会自动判别关闭故障设备打并备用设备。
在自动控制方式下，水泵按运行时间的长短自动分配运行泵。上位机可以提前预设置启动水泵台数，当涌水量大或异常时，系统自动投入运行泵。
半自动运行
在地面控制中心进行控制，根据现场的水位、电压、电流、压力、温度等各种传感器传回来的信息，在上位机上通过人工一键启停操作来控制水泵的启停。远端一键启停运行是在自动的基础上实现的，可以在上位机上进行设置优先权，当远程控制通讯故障或液位异常无操作时由远程自动模式自动切换为本地自动控制方式。
手动方式：要求操作人员根据现场情况、仪表显示及操作规程要求启动水泵，按要求操作控制箱上的液压闸阀控制。控制柜设手动保护投入，由操作人员决定是否投入或切除手动保护。手动保护投入后，系统中的重要参数将参与保护。
检修方式：当设备需要检修或非正常操作时使用，水泵和辅助设备不能投入运行，用于设备的检修维护。
2．水泵启/停
根据对电网的适应性，电动机的启动，必须在液压闸阀关闭的情况下进行，这样可以避免直接启动对电网的冲击。当电动机的额定空载电流达到系统设定值并稳定时，系统无故障则认为电机正常启动。为避免水锤的产生，停泵时要先关闭主阀门。电动机的主回路保护应具有短路、过载、缺相、欠压等保护。
3．水仓水位控制
确保排水安全是每个矿山生产中的头等大事，特别是井下排水直接影响到生产及人身安全，水仓液位的检测起着至关重要的作用。在水仓安装性价比较高的超声波液位计，能有效检测水仓液位的当前状态并相互比较反馈数据，判断液位计是否出现故障，提醒监控人员及时维护。当水仓液位达到高液位时，能及时有效的将水位信号反馈至控制系统，保障了控制的安全性。
水位设置：设定四个水位限值：H1（超限水位）、H2（报警水位）、H3（启动水位）、H4（停泵水位），根据现场涌水情况的不同，水泵排水以保障安全为主线来考虑，并根据现场情况确定运行方案。
可以动态调整投入水泵数量、水位设定。
当水位达到启动水位H3时，首先对电网的负荷进行检测和对用电时段判断，若处于用电平段或谷段时，启动设定的水泵台数，若水位继续上升且速率高于设定值，启动备用水泵；若处于用电峰段，则暂缓启动直到水位继续上升到H2（报警水位）时，再启动水泵；在启动一组水泵的状态下，当水位继续上升，则启动备用水泵；当水位继续上升且速率高于设定值或水位继续上升到超限水位H1时，则依次启动第二台备用水泵，第三台备用水泵… …；以矿井的最大排水能力来排除矿井涌水。
4．水泵自动轮换工作
为合理使用水泵，增加水泵和配套电控系统的使用寿命，系统采用自动轮换工作制。
系统根据时间自动分配水泵的运行时段，水泵的运行时间通过报表系统实现日报、月报、年报，共管理者分析数据。
当前运行泵在运行过程中产生故障后停车，系统会根据时间原则自动选择自动方式下的运行水泵。
5．数据采集
5.1水仓水位信号
水仓水位检测采用超声波液位雷达来实现水位的检测。
正常情况下，检测系统不间断监视水位情况，输送水位信号到PLC进行处理，同时输出至显示报警装置，并在上位机上进行动态显示，能够直观地观察到水位的高低情况，便于管理人员及时了解水位情况，当高水位时发出声光报警信号。
5.2电量参数的采集
对系统电压、电机电流信号进行采集，能够准确地判断系统运行的状态，上位机的数据库系统对电量数据的查询，可以有针对性地制订巡查重点。设备运行绝大多数故障在早期均体现在电机电流的变化上，系统通过采集信号并设置电流超限、电流过载、低电流、电流波动等情况，根据泵运行过程中出现的情况对电机进行实时保护。
5.3物理状态的采集
物理状态包括液压闸阀的触点检测和水泵机械故障。
液压闸阀触点检测，液压闸阀在正常工作中处在全开或全闭状态，系统检测电控阀开关时间来判断液压闸阀限位开关是否工作正常。
5.4系统参数的采集
系统参数包括主排水管的水管压力、电压，是对系统进行统计、查询的重要依据。
5.5温度参数的采集
电机轴承的温度、水泵轴承温度。
设定极限值和保护值两种报警输出，在保护值内水泵不停止运行，只是通过上位机反应提醒维护人员注意，超过极限值后关阀停车。
对于重要的温度检测部位，通过PLC进行采集及控制，满足安全使用要求
6.监控功能
在远程控制的方式下，实现对各水泵的启停运行控制；
实时监测泵房关联部件开关的闭合状态。
具有对排水设备运行状态、水仓液位等运行参数进行图形化显示。
具有操作人员的登录管理功能，有效防止非法操作、误操作。
对各级故障进行报警记录及诊断，对运行数据进行归档记录，并输出报表。
具有实时动作状态变化报警提示。
对井下泵房的排水泵、抽真空系统和液压闸阀的自动监控。
参数动态调节
水仓水位显示并参与系统控制
水泵故障、工作联锁保护。
低水位停泵和联锁保护
具有故障自动切换功能
故障显示报警、故障停泵自锁、人工复位功能
故障历史记录
程序密码保护
与上位机通讯实现计算机监控
在线趋势检测分析
远程监控画面样式
7．操作模式选择功能
本系统拥有自动（本地和自动）、手动、检修三种操作模式，根据使用情况的不同，由操作人员进行切换。
8．预警功能
液位预警，系统分析水仓进水量变化率，对突发涌水进行早期预警。
系统预警，对每台泵正常运行时的压力、电流、温度参数变化的时间等等参数形成一套有针对性的“配方”，与运行时参数进行比较，能够早期发现系统中存在的隐患。
9．节能与能源管理功能
将电价的移峰填谷原则引入水泵过程控制中实时将井下排水电耗参数显示在监控主界面进行查询。
另外，通过对水仓水位的启动水位、报警水位、超限水位、停机水位的动态设定，在保障水仓水位安全的前提下，使水泵的启动次数达到最少。
10．调度及通讯功能
1）系统遵循矿井综合监控系统标准子系统接口规范，使得该系统较容易地并入办公区数据控制中心中，与其它子系统实现数据的共享。
2）由地面生产安全调度中心根据泵房排水情况统筹调度，实现高效、经济地运行。同时在发生异常情况时，结合视频监控，做到统一调度、统一指挥。
3）与其它系统的接口：本系统除地面监控中心的数据接口外，还设计有丰富的与电力等系统的接口，如与开关柜及启动柜之间的开关量报警接口，以实现对电机启动的更加全面的监视。
11．报警等级
对所有报警信息分为一般性预警及报警两种等级。
一般性预警指的是非重要性故障或不致影响系统运行的报警，例如系统检测的参数与正常运行的标准值有偏差，但还没有达到报警的阀值时系统会发出一般性预警。报警信息指的是系统检测到已经影响系统正常运行的故障信息。
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