自動化遠程智能監(jiān)控在礦山溜破系統(tǒng)的應(yīng)用

丁孟軍

(中鋼集團山東礦業(yè)有限公司)

自動化遠程智能監(jiān)控在礦山溜破系統(tǒng)的應(yīng)用

丁孟軍

(中鋼集團山東礦業(yè)有限公司)

礦山井下溜破系統(tǒng)粉塵多、噪音大、濕度高，對現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施及操作人員造成不利的影響；同時，原有的繼電控制系統(tǒng)故障率高，故障查找與處理效率低，升級改造困難。為了改變現(xiàn)狀和提升設(shè)備運轉(zhuǎn)率，采用可編程控制器、檢測儀器儀表、網(wǎng)絡(luò)交換機、遠程控制計算機、WINCC軟件等對溜破系統(tǒng)進行了優(yōu)化改造，完善了系統(tǒng)的安全保護，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了礦山井下溜破系統(tǒng)設(shè)備的遠程自動化智能監(jiān)控,達到了預(yù)期的目的。

溜破系統(tǒng) 可編程控制器 自動化遠程控制 冗余環(huán)網(wǎng)

在科技日益發(fā)展的今天，不斷提升設(shè)備的自動化水平，改善操作人員的工作環(huán)境，提升設(shè)備的運轉(zhuǎn)效率，提升設(shè)備本質(zhì)化安全的水平是大勢所趨，也是科技發(fā)展的必然結(jié)果。目前礦山井下大部分設(shè)備自動化水平低，很多設(shè)備仍是繼電控制，對設(shè)備的高效運行及安全生產(chǎn)造成不利影響。因此，許多礦山設(shè)備急需改造升級。礦山井下溜破系統(tǒng)設(shè)備包括重型板式給料機、鄂式破碎機、除塵系統(tǒng)等，設(shè)備安裝在井下幾百米，現(xiàn)場存在大量的粉塵、潮氣等，環(huán)境比較惡劣，傳統(tǒng)的繼電控制難以保證設(shè)備的高效、可靠運轉(zhuǎn)，對于設(shè)備故障很難做到快速判斷和及時處理。通過對電控系統(tǒng)自動化遠程智能監(jiān)控改造，提升設(shè)備的技術(shù)含量，對故障可以進行遠程診斷和處理，極大地提升設(shè)備的運轉(zhuǎn)效率，降低操作人員的工作強度，改善操作人員的工作環(huán)境。

1 系統(tǒng)硬件配置

為保證電控系統(tǒng)改造后的可靠性和穩(wěn)定性，采用工業(yè)級計算機、以太網(wǎng)交換機以及相關(guān)的檢測儀器儀表實現(xiàn)對遠程設(shè)備數(shù)據(jù)的采集及智能監(jiān)控。

PLC柜內(nèi)配置隔離變壓器、西門子模塊、中間繼電器等?？删幊炭刂破鬟x用西門子S7-300系列，可編程控制器對環(huán)境要求低，可在粉塵、濕度較為惡劣的環(huán)境中工作，而且可編程控制器對電源電壓的要求低，抗干擾能力強，具有較強的抗震性能，同時可編程控制器較易實現(xiàn)電控系統(tǒng)的優(yōu)化升級，通過通訊模塊可實現(xiàn)遠程設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通訊及遠程診斷監(jiān)控，連接其他設(shè)備方便。PLC配置有CPU模塊，數(shù)字量輸入模塊、輸出模塊，模擬量輸入模塊，以太網(wǎng)通訊模塊，電源模塊[1]。CPU模塊選用CPU315-2DP，用于進行邏輯運算及數(shù)學運算，并協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作。數(shù)字量輸入模塊用于連接外部的機械觸點和電子式傳感器，例如位移傳感器、控制按鈕、接觸器的輔助觸點等。數(shù)字量輸出模塊用于驅(qū)動接觸器、中間繼電器、指示燈等負載。模擬量輸入模塊采集現(xiàn)場設(shè)備電流、電壓、溫度、料位等模擬量數(shù)據(jù)。CP343-1模塊將S7-300連接到公司級千兆網(wǎng)，實現(xiàn)上位機和其他PLC的連接。

以太網(wǎng)交換機選用MOXA EDS-510A系列，EDS-510A千兆網(wǎng)管型以太網(wǎng)交換機配有3個端口，2個用于構(gòu)建支持Turbo Ring和Turbo Chain(自愈時間小于20 ms)，RSTP/STP和MSTP網(wǎng)絡(luò)冗余協(xié)議，增加骨干網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可用性。EDS-510A系列保證了本系統(tǒng)的通信安全。

檢測儀表主要有超聲波料位計、溫度傳感器、位移傳感器、電流變送器等。超聲波料位計、溫度傳感器及電流變送器將探測到的料位、溫度、電流轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流，輸入到模擬量輸入模塊。位移傳感器將位移信號輸入到數(shù)字量模塊，實現(xiàn)位移信號的采集。

2 整體系統(tǒng)設(shè)計

對配置的PLC模塊進行硬件組態(tài)，在配置機架(HW Config)窗口中對機架、模塊、分布式I/O(DP)機架以及接口子模塊等進行排列。按照控制系統(tǒng)性質(zhì)使用硬件及網(wǎng)絡(luò)配置，然后在組態(tài)中定義每個模塊的參數(shù)，使軟件和硬件能夠一一對應(yīng)[1]，見圖1。本地控制操作臺ET200利用Profibus DP總線與PLC通信,代替了大量的分散獨立的連接電纜，節(jié)約了安裝調(diào)試時間及改造升級成本。

圖1 可編程控制器硬件配置

以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲有總線型、星型、冗余型環(huán)網(wǎng)3種，冗余環(huán)網(wǎng)是使用一個連續(xù)的環(huán)將每臺設(shè)備連接在一起，能夠保證千兆級環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)的可靠性，具有傳輸速度塊，通訊可靠，具備單點斷路自動愈合的功能[2]。采用工業(yè)級千兆冗余環(huán)網(wǎng)，本系統(tǒng)將交換機串入公司級光纖冗余環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程通信?，F(xiàn)場PLC與公司級環(huán)網(wǎng)連接見圖2。

圖2 公司環(huán)網(wǎng)與PLC的通訊連接

對CP343-1模塊進行通信設(shè)置，通過修改模塊的IP地址和子網(wǎng)掩碼，在不安裝SIEMEN-NET軟件的前提下實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊連接。TCP/IP協(xié)議支持大數(shù)據(jù)量的傳輸，數(shù)據(jù)可以通過工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸。SIMATIC S7可以通過建立TCP連接來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)[2]，見圖3。

圖3 CP343-1通信設(shè)置

遠程自動化監(jiān)控平臺采用WINCC監(jiān)控軟件。SIMATIC Wincc性能全面、技術(shù)先進、系統(tǒng)開放，通過OPC方式實現(xiàn)與遠程PLC連接。WINCC能夠提供生成復雜可視化任務(wù)的組件和函數(shù)，并且生成畫面、腳本、報警、趨勢和報表的編輯器，使用Microsoft SQL Server 2000作為其組態(tài)數(shù)據(jù)和歸檔數(shù)據(jù)的存儲數(shù)據(jù)庫[3]。

此系統(tǒng)包括2種控制方式，一種為本地控制，一種為遠程控制，以本地控制為優(yōu)先級。本地控制和遠程控制又分為手動、自動和檢修3種控制方式。系統(tǒng)狀態(tài)畫面顯示現(xiàn)場溫度、料位、電流、故障、設(shè)備運行狀態(tài)等。WINCC遠程監(jiān)控畫面可以實現(xiàn)遠程、本地以及自動、手動、檢修方式的切換，同時可以通過手動實現(xiàn)遠程設(shè)備的啟動和停止的操作。故障畫面主要顯示破碎堵塞故障、變頻器故障、重板電流高故障、信號急停故障等，見圖4。

圖4 溜破系統(tǒng)WINCC監(jiān)控畫面

自動化遠程智能控制考慮的首要問題是設(shè)備的安全運轉(zhuǎn)。為了保證設(shè)備的監(jiān)控及操作安全，在設(shè)備的各個關(guān)鍵部位安裝檢測儀器儀表[4]，將檢測到的現(xiàn)場信號輸入到PLC模塊，經(jīng)過CPU的運算控制，實現(xiàn)安全控制連鎖功能。

井下上部溜井深度為190 m，溜井的下部是重型板式給料機，當運輸機車卸料時料石的沖擊力較大，如果不能保證溜井內(nèi)有相當深度的料石作為緩沖，將對重型板式給料機產(chǎn)生破壞性沖擊。為了不放空溜井，在溜井的上部安裝一套料位傳感器，通過信號傳輸?shù)絊7-300 PLC運算處理，處理結(jié)果參與聯(lián)鎖控制，程序見圖5。當料位下降到一定深度后，重型板式給料機停止運行，避免了料石沖擊。

為了防止大塊堵塞破碎機進料口，造成設(shè)備損壞，在破碎機內(nèi)部安裝一套機械限位開關(guān)，見圖6。當內(nèi)部料位堵塞上升到一定高度后，料石擠壓機械限位開關(guān)，開關(guān)信號(轉(zhuǎn)換成信號M37.3)送入到PLC與重型板式給料機，進行聯(lián)鎖，具體程序見圖7。

圖5 料位傳感器數(shù)據(jù)處理程序

圖6 破碎機防堵塞開關(guān)示意

為了控制下部小溜井料位，防止溜井滿倉造成破碎機悶機事故，在料倉的頂部安裝料位傳感器和機械料位計各一套。當料位到達一定高度后，料石沖擊機械限位開關(guān)，開關(guān)信號(I8.0)送入到PLC，進行聯(lián)鎖，程序見圖8。同時料位傳感器模擬量信號也送入到PLC，經(jīng)過運算后進行聯(lián)鎖控制。當料位高時，控制重型板式給料機及破碎機停車。

在設(shè)備無人值守自動運轉(zhuǎn)的情況下，對設(shè)備的運行狀態(tài)進行遠程實時監(jiān)控和安全閉鎖非常重要。尤其在設(shè)備的關(guān)鍵運轉(zhuǎn)部位安裝各種傳感器，對現(xiàn)場信號進行采集運算，實時監(jiān)控是非常必要的。當設(shè)備出現(xiàn)異常情況時，如電流升高、重板跑偏、設(shè)備震動、溫度升高、料石堵塞等，WINCC將發(fā)出報警信號，同時在軟件的內(nèi)部進行保護閉鎖，防止設(shè)備故障進一步惡化。通過SIMATIC Manager軟件對程序進行監(jiān)控與維護，及時了解現(xiàn)場設(shè)備所有部位運轉(zhuǎn)的狀態(tài)及故障，為快速處理設(shè)備故障提供了可靠的參考依據(jù)。

3 結(jié) 語

通過對井下溜破系統(tǒng)設(shè)備遠程智能自動化控制的優(yōu)化，有效地降低了設(shè)備的故障率，實現(xiàn)了可視化監(jiān)控，可以快速判斷和處理故障，實時掌握設(shè)備的運

圖7 破碎機防堵塞保護程序

圖8 防滿倉機械料位保護程序

行狀態(tài)，極大地提升了設(shè)備的運轉(zhuǎn)效率，提高了設(shè)備運行的安全性、穩(wěn)定性、可靠性，改善了操作人員的工作環(huán)境，降低了成本。優(yōu)化后的系統(tǒng)利于今后的升級改造，也可較容易地融入到公司級數(shù)字化控制系統(tǒng)，為實現(xiàn)公司級設(shè)備集中控制管理打下了堅實的基礎(chǔ)。

[1] 張運剛，宋小春，郭武強.從入門到精通——西門子S7-300/400 PLC技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[2] 崔 堅.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3] 向曉漢.西門子WINCC V7從入門到提高[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[4] 曾周末.儀器儀表系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

2014-10-27)

丁孟軍( 1971—)，男，副總經(jīng)理，工程師，277713 山東省臨沂市蒼山縣魯城鄉(xiāng)。