專利名稱：一種固定式水泵冗余啟動信號自動轉換裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于礦山自動化控制領域，涉及煤礦井下中央水泵房水泵以及其他行 業(yè)固定式水泵在自動化控制過程中，如何實現水泵啟動信號的監(jiān)測判斷和啟動信號的冗余 問題，是煤礦固定式水泵自動化控制過程中一種可靠性啟動裝置。
背景技術：
煤礦一般在井下水平井底車場處設置大容量儲水水倉，依靠固定式水泵進行集中 排水，滿足煤礦井下安全生產需要，防止淹井事故的發(fā)生，同時水泵運行還要做到調荷避 峰，滿足經濟排水需要。固定式水泵啟動的方法是首先關閉水泵出口管路閘閥，然后排出水泵泵體內的 空氣，當水淹沒水泵葉輪時，水泵進行啟動。當電機完全啟動時，也就是水泵達到額定轉速 時，打開水泵出水管路閘閥，直到水泵最大流量為止。水泵的這種啟動方式既保證了啟動電 流最小，也保證了水泵這種流體機械的可靠啟動。目前，煤礦固定式水泵有兩種啟動方式一是人工啟動水泵，人工關閉水泵出口管 路閘閥的情況下，往水泵內灌引水或抽真空，當操作人員發(fā)現水泵泵體內充滿水時，啟動水 泵；二是自動啟動水泵，一般煤礦在水泵吸水井上方安裝超聲波水位傳感器，在水泵入口處 安裝負壓傳感器，設定一個固定水位值，在自動關閉水泵出水管路間閥的情況下，對水泵進 行抽真空，當檢測到固定水位值的時候，自動開啟水泵。這兩種水泵啟動方式都有很大弊端人工開啟水泵，依靠人為因素操作水泵，可靠 性太差，無法實現自動化運行；在上述的自動啟動水泵的情況下，當水位傳感器或負壓傳感 器故障的情況，水泵都不能進行啟動。再者，煤礦井下在考慮調荷避峰和突水等情況下，吸 水井內的水位很多情況下變化都很大，是一個隨機水位，設置一個固定式水位啟動，在吸水 井水位變化比較大的情況下，水泵也無法啟動。無論是傳感器故障的不可靠還是單一水位 的設置不可靠，都造成了煤礦井下固定式水泵自動化控制過程中，水泵不能可靠性啟動現 象，不僅礦井不能做到節(jié)能排水，而且困擾著煤礦井下的安全生產。因此，在這種情況下，煤 礦固定式水泵就無法實現自動化控制。
發(fā)明內容本實用新型為了克服以上兩種方式的不足，發(fā)明了一種固定式水泵冗余啟動信號 自動轉換裝置，一是實現固定式水泵在隨機水位情況下可靠啟動水泵；二是固定式水泵啟 動信號實現冗余，保證傳感器故障的情況下，不影響水泵的啟動，從根本上解決煤礦固定式 水泵可靠性啟動問題，滿足煤礦固定式水泵安全、經濟運行，實現安全生產和節(jié)能排水。為實現上述目的，本實用新型采用的技術方案為一種固定式水泵冗余啟動信號自動轉換裝置，包括安裝于水泵吸水井上方的超 聲波水位傳感器；安裝于水泵吸水井井筒中最高位開泵水位繼電器和最低位停泵水位繼電 器，高、低水位繼電器安裝于固定式水泵冗余啟動信號自動轉換裝置箱內，其探極分別安裝
3于水泵吸水井井筒中允許水泵工作的最高和最低水位處；安裝于水泵吸水段入口處的負 壓傳感器；安裝于水泵出水口處的光電水傳感器；安裝于固定式水泵冗余啟動信號自動轉 換裝置箱內的轉換開關和可編程控制器；其特征是超聲波水位傳感器完成任意水位的監(jiān) 測，轉換成電流信號輸入給可編程控制器模擬量輸入模塊；水泵入口處的負壓傳感器完成 泵體內空氣相對壓力的監(jiān)測，轉換成電流信號輸入給可編程控制器模擬量輸入模塊；水泵 出水口處的光電水傳感器在有水的情況下接通，無水的情況下斷開，其開關信號輸入給可 編程控制器的數字模塊；轉換開關一共四個，輸入給可編程控制器數字模塊，分別為解除超 聲波傳感器、負壓傳感器、光電水傳感器和高低水位繼電器；可編程控制器完成信號檢測、 計算、判斷和輸出。本實用新型的有益效果是實現了煤礦固定式水泵啟動負壓值跟隨吸水高度的變 化自動轉換，解決了煤礦固定式水泵在任意水位下可靠性啟動問題，同時實現了固定式水 泵啟動信號的冗余，是煤礦排水系統自動化控制的先決條件，使煤礦排水系統安全、經濟、可靠。

圖1是本實用新型的安裝結構示意圖。圖2是本實用新型的裝置接線示意圖。圖3是本實用新型的程序工作流程圖。附圖中1、低水位繼電器探極；2、高水位繼電器探極；3、水泵吸水井；4、水泵吸水 管路；5、超聲波傳感器；6、水泵拖動電機；7、固定式水泵冗余啟動信號自動轉換裝置箱；8、 水泵；9、光電水傳感器；10、水泵排水管路；11、水泵出水管路閘閥；12、負壓傳感器。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步說明本實用新型的一種固定式水泵冗余啟動信號自動轉換裝置，主要由安裝于水泵吸 水井上方的超聲波水位傳感器、安裝于水泵吸水井井筒中的最高位開泵水位繼電器和最低 位停泵水位繼電器、水泵入口負壓傳感器、水泵出水口光電水傳感器、轉換開關和可編程控 制器及其附件構成。超聲波水位傳感器完成任意水位的監(jiān)測，量程1 10m，轉換成4 20mA電流信號 輸入給可編程控制器模擬量輸入模塊；水泵入口負壓傳感器完成泵體內空氣相對壓力的監(jiān) 測，0 -lOOKpa，轉換成4 20mA電流信號輸入給可編程控制器模擬量輸入模塊；高低水 位傳感器固定于可編程控制器箱內，其水位探極分別置于吸水井允許的最高水位和最低水 位(水泵停止水位)；水泵出水口光電水傳感器在有水的情況下接通，無水的情況下斷開， 其開關信號輸入給可編程控制器的數字模塊；轉換開關一共四個，輸入給可編程控制器數 字模塊，分別為解除超聲波傳感器、負壓傳感器、光電水傳感器和高低水位繼電器；可編程 控制器安裝于固定式水泵冗余啟動信號自動轉換裝置箱內，與其附件一起，是轉換裝置的 主要核心部件，完成信號檢測、計算、判斷和輸出。在固定式水泵自動控制中，水泵的開啟方式為首先關閉水泵出口管路閘閥，然后 排出水泵泵體內的空氣，當水泵內空氣壓力低于大氣壓力一定值時，也就是負壓達到一定
4值時，水泵泵體內的葉輪就被水淹沒了，這時水泵進行啟動(如果監(jiān)測到水泵水輪被水淹 沒，水泵也可以啟動)。當電機完全啟動時，也就是水泵達到額定轉速時，打開水泵出水管路 閘閥，直到水泵最大流量為止。根據水泵的流體力學知識可得，固定式水泵如果能夠可靠啟 動，泵體內的負壓值必須等于吸水井水面和水泵出水口之間的水柱高度值，水柱高度值通 過超聲波水位計測量，泵體內負壓值通過負壓傳感器測量。因此，任意一個水位都對應了一 個負壓值，水位信號有可編程控制器計算自動轉換，與負壓傳感器傳送的數據一致時，即可 開啟水泵；同時固定式水泵的開啟也可通過光電水傳感器檢測泵體內葉輪是否被淹沒來決 定，光電水傳感器和負壓傳感器是相互冗余的。因此，在本實用新型中，裝置既檢測了水泵 允許開啟的負壓值，也檢測了水泵葉輪是否被水淹沒；既通過超聲波水位計檢測線性變化 的水位，也利用水位繼電器檢測兩個極限水位，水位繼電器和超聲波傳感器也是冗余的，只 不過是在極限狀態(tài)。冗余啟動信號自動轉換裝置正常工作中，兩套傳感器都投入工作，只有傳感器故 障時，故障傳感器才被轉換開關解除。所有功能的完成均在可編程控制器內完成。下面將結合附圖對本實用新型的具體實施方式
作進一部描述圖1是本實用新型的安裝結構圖，在圖1中，1為低水位繼電器探極；2為高水位 繼電器探極；3為水泵吸水井；4為水泵吸水管路，水泵通過此管進行吸水；5為超聲波傳感 器，檢測吸水井水面高度變化，信號輸入可編程控制箱；6為水泵拖動電機；7為固定式水泵 冗余啟動信號自動轉換裝置箱，內部安裝水位繼電器、轉換開關、可編程控制器及其附件；8 為水泵；9為光電水傳感器，插入水泵出口管路中，檢測是否有水；10為水泵排水管路；11、 水泵出水管路閘閥；12、負壓傳感器。本實用新型固定式水泵冗余啟動信號自動轉換裝置，以可編程控制器為轉換處理 中心，超聲波水位傳感器安裝在煤礦井下主排水泵房水泵吸水井上口，垂直于吸水井橫截 面，每個吸水井安裝一只；負壓傳感器安裝于水泵吸水段入口處，每臺水泵安裝一只；壓力 傳感器安裝于水泵出水段出口處，每臺水泵安裝一只；防爆高低水位繼電器安裝于固定式 水泵冗余啟動信號自動轉換裝置箱內，其探極分別安裝于水泵吸水井井筒中允許水泵工作 的最高和最低水位處，每臺水泵安裝二只；光電式水傳感器安裝于水泵出水段管路靠近泵 體處)，每臺水泵安裝一只；固定式水泵冗余啟動信號自動轉換裝置箱安裝于水泵附近硐 室壁龕內。圖2是本實用新型的裝置接線示意圖，在圖2中，虛線框內為固定式水泵冗余啟動 信號自動轉換裝置箱的配置接線，可編程控制器S7-300微處理器為CPU314，其電源模塊、 輸入輸出模塊通過模塊背板總線連接，所有輸入輸出關系有SM331、SM321、SM322完成，信 息判斷、計算有CPU314完成，固定式水泵冗余啟動信號自動轉換裝置箱內的1AK為超聲波 傳感器解除開關，2AK為負壓傳感器解除開關，3AK為光電水傳感器解除開關，4AK為高低水 位繼電器解除開關，開關閉合狀態(tài)為解除。正常狀態(tài)下，開關為斷開狀態(tài)，只有某一傳感器 故障時，相應開關才處于解除狀態(tài)。圖3是本實用新型的程序工作流程圖，在圖3中，流程圖為裝置正常工作的過程， 系統送電后，首先進行初始化，當有來自外界開泵指令或水泵吸水井水位達到最高安全水 位時，系統必須進行開泵，此時超聲波傳感器把水位信號模擬量傳遞給SM331，SM331轉換 為數字信號給CPU314，CPU314根據流體力學能量守恒公式，換算出水泵啟動需要的負壓值，同時，超聲波檢測的水位值應處于最高和最低水位之間，否則系統進行報警，檢查超聲 波傳感器和水位傳感器是否故障。如果超聲波檢測水位處于最高和最低水位之間時，系統 隨時檢測負壓傳感器傳遞過來的負壓值，負壓傳感器同樣把模擬信號傳遞給SM331，SM331 轉換為數字信號后給CPU314，當CPU314接收到的負壓信號和超聲波水位轉換的信號一致 時，系統再次判斷SM321是否接收到了光電水傳感器的信號，如果系統沒有接收到光電水 傳感器的信號，系統要進行報警，檢查負壓傳感器和光電水傳感器是否故障。如果CPU314 接收到的負壓信號和超聲波水位轉換的信號一致時，此時又收到了光電水傳感器傳遞的信 號，此時，SM322給電控系統控制信號，水泵電機得電啟動。水泵運行過程中，如果控制系統 發(fā)出控制指令，則水泵停止。如果超聲波水位傳感器或低水位傳感器任何一個發(fā)出低水位 信號，系統無論是否接收到停止信號，水泵都要停止。當系統不能同時接收到兩個低水位信 號時，系統進行告警，檢查超聲波水位傳感器和低水位傳感器是否故障。以上流程圖說明了固定式水泵冗余啟動信號自動轉換裝置正常工作時的流程圖。 當系統中任何一個傳感器故障時，可以通過可編程控制箱內的轉換開關轉換解除相應傳感 器，流程圖中則對相應的傳感器數據不再判斷對比，系統在沒有冗余信號的情況下工作，仍 能保證水泵的正常工作。上面所述的實施例僅是對本實用新型的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本實用新 型的構思和保護范圍進行限定，在不脫離本實用新型設計構思的前提下，本領域中普通工 程技術人員對本實用新型的技術方案做出的各種變型和改進，均應落入本實用新型的保護 范圍。
權利要求一種固定式水泵冗余啟動信號自動轉換裝置，包括安裝于水泵吸水井上方的超聲波水位傳感器；安裝于水泵吸水井井筒中最高位開泵水位繼電器和最低位停泵水位繼電器，高、低水位繼電器安裝于固定式水泵冗余啟動信號自動轉換裝置箱內，其探極分別安裝于水泵吸水井井筒中允許水泵工作的最高和最低水位處；安裝于水泵吸水段入口處的負壓傳感器；安裝于水泵出水口處的光電水傳感器；安裝于固定式水泵冗余啟動信號自動轉換裝置箱內的轉換開關和可編程控制器；其特征是超聲波水位傳感器完成任意水位的監(jiān)測，轉換成電流信號輸入給可編程控制器模擬量輸入模塊；水泵入口處的負壓傳感器完成泵體內空氣相對壓力的監(jiān)測，轉換成電流信號輸入給可編程控制器模擬量輸入模塊；水泵出水口處的光電水傳感器在有水的情況下接通，無水的情況下斷開，其開關信號輸入給可編程控制器的數字模塊；轉換開關一共四個，輸入給可編程控制器數字模塊，分別為解除超聲波傳感器、負壓傳感器、光電水傳感器和高低水位繼電器；可編程控制器完成信號檢測、計算、判斷和輸出。
專利摘要一種固定式水泵冗余啟動信號自動轉換裝置，包括安裝于水泵吸水井上方的超聲波水位傳感器；安裝于固定式水泵冗余啟動信號自動轉換裝置箱內的最高位開泵水位繼電器和最低位停泵水位繼電器，其探極分別安裝于水泵吸水井井筒中允許水泵工作的最高和最低水位處；安裝于水泵吸水段入口處的負壓傳感器；安裝于水泵出水口處的光電水傳感器；以及安裝于自動轉換裝置箱內的轉換開關和可編程控制器。本實用新型實現了煤礦固定式水泵啟動負壓值跟隨吸水高度的變化自動轉換，解決了煤礦固定式水泵在任意水位下可靠性啟動問題，同時實現了固定式水泵啟動信號的冗余，是煤礦排水系統自動化控制的先決條件，使煤礦排水系統安全、經濟、可靠。
文檔編號F04D13/06GK201606271SQ20092027277
公開日2010年10月13日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權日2009年12月24日
發(fā)明者侯玉勝, 史麗萍, 崔成寶, 龐靜, 張玉貞, 徐磊, 李長峰, 胡泳軍, 趙強, 韓建國 申請人:棗莊礦業(yè)(集團)有限責任公司蔣莊煤礦