基于PLC的礦井無人值守系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

呂康寧

（寧夏銀星煤業(yè)有限公司 寧夏 銀川 750408）

0 引言

目前我國煤炭智能化發(fā)展尚處于初級階段[1]，煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐。在2000 年左右，隨著通信技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)等的普及及應(yīng)用，在煤礦首次實現(xiàn)了輸送帶系統(tǒng)、水泵房、通風(fēng)系統(tǒng)、等自動化控制[2]。礦井無人值守系統(tǒng)是踐行“少人化、無人化”理念的重要組成部分，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，煤炭工業(yè)逐步進(jìn)入智能化時代[3-4]。近年來隨著科技的飛速發(fā)展，PLC（可編程控制器）已經(jīng)成為實現(xiàn)工業(yè)自動化的關(guān)鍵[5]。PLC采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計時、計時和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。礦井無人值守系統(tǒng)已引起了越來越多煤炭企業(yè)高層管理者的高度重視。本文針對銀星煤礦自動化系統(tǒng)現(xiàn)狀，研究與設(shè)計了基于PLC 的礦井無人值守系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總計設(shè)計

本次原則上利用已建成的工業(yè)環(huán)網(wǎng)及礦井綜合自動化平臺部分設(shè)備，不足部分改造擴(kuò)展。改造內(nèi)容包括主井皮帶機(jī)房無人值守改造、壓風(fēng)系統(tǒng)、制氮系統(tǒng)無人值守改造、井下中排水控制系統(tǒng)無人值守改造以及接入平臺實現(xiàn)無人值守四個部分。著重體現(xiàn)軟件的展示與增值功能，反應(yīng)礦井管理實際需求。綜合自動化軟件平臺的改造中，充分體現(xiàn)軟件管控功能和數(shù)據(jù)增值利用功能，發(fā)揮綜合自動系統(tǒng)的真正作用，實現(xiàn)無人值守，并全面滿足本安體系管理要求。自動化無人值守系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 無人值守系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 各個子系統(tǒng)建設(shè)

2.1 主井皮帶無人值守改造

目前主井皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)存在操作臺投入時間較長、控制功能不完善、界面顯示內(nèi)容不夠，且不支持遠(yuǎn)程控制的問題。針對以上問題，設(shè)計一套方案。

通過操作臺連接變頻器、PLC 控制柜及綜合保護(hù)器，讀取皮帶運(yùn)行信息并處理控制邏輯。另一方面提供友好的人機(jī)界面。更換后操作臺增加皮帶運(yùn)行及保護(hù)狀態(tài)顯示、增加變頻器運(yùn)行狀態(tài)顯示、增加遠(yuǎn)程/就地/檢修控制切換功能，并提供以太網(wǎng)接口連接至調(diào)度室綜合自動化平臺。

圖2 主井皮帶無人值守結(jié)構(gòu)

2.2 壓風(fēng)系統(tǒng)改造

（1）現(xiàn)狀

壓風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)使用5 臺螺桿式空氣壓縮機(jī)，壓縮機(jī)產(chǎn)生高壓氣體先存儲在存儲罐中然后通過管道將氣體提供給井下用氣設(shè)備，管道截止閥為DN150 手動閘閥。儲氣罐上壓力表為機(jī)械式，無溫度傳感器，儲氣罐上的壓力、溫度等信息不能實時傳輸給上位機(jī)監(jiān)控，監(jiān)控系統(tǒng)沒有連接工業(yè)環(huán)網(wǎng)，無法實現(xiàn)集中監(jiān)測控制。儲氣罐底部有管徑DN20 的手動閥門，用于排出儲氣罐中的廢水等雜質(zhì)。

（2）改造方案

將現(xiàn)有管道DN150 手動閥門，更換為電動閥門，將儲氣罐底部DN20 手動閥門更換為電動閥門，在儲氣罐上安裝壓力傳感器與溫度傳感器?，F(xiàn)場增加一套控制柜，實現(xiàn)現(xiàn)場集控，控制箱增加模擬量模塊和以太網(wǎng)模塊，模擬量模塊實現(xiàn)氣體存儲罐壓力與溫度的實時監(jiān)測，以太網(wǎng)模塊實現(xiàn)控制命令的上傳下達(dá)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制以及壓縮機(jī)運(yùn)行實時數(shù)據(jù)的上傳功能，無縫連接至現(xiàn)有的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)調(diào)度指揮中心遠(yuǎn)程集中控制。實現(xiàn)管路閥門的集中控制，根據(jù)儲氣罐上的壓力、溫度等信息自動控制壓縮機(jī)的啟停，定期自動打開儲氣罐底部的電動閥門，排出儲氣罐中的廢水等雜質(zhì)，實現(xiàn)無人值守。現(xiàn)場增加聲光報警器，設(shè)備啟動前預(yù)警，停機(jī)提示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 壓風(fēng)系統(tǒng)無人值守系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實現(xiàn)儲氣罐壓力過高時自動停止壓縮機(jī)，并自動打開儲氣罐底部的電磁閥協(xié)助卸壓。實現(xiàn)儲氣罐底部電磁閥的定時開關(guān)功能，將儲氣罐中的水分等雜質(zhì)排出，增加用氣設(shè)備的使用壽命。系統(tǒng)形成后具備遠(yuǎn)程自動控制、遠(yuǎn)程單臺控制、就地控制模式三種模式，友好的人機(jī)界面方便操作人員操作。

2.3 制氮系統(tǒng)現(xiàn)狀以及改造方案

（1）現(xiàn)狀

原制氮系統(tǒng)共1#、2#兩套制氮機(jī)組，單個機(jī)組包含一臺冷干機(jī)和一套壓縮機(jī)，儲罐及管路公用。其中1#冷干機(jī)進(jìn)氣管道有DN100 手動截止閥門，2#冷干機(jī)進(jìn)氣管道沒有截至閥門，冷干機(jī)采用專用控制器，壓縮機(jī)采用小型PLC控制，兩者沒有做連鎖，操作時需要操作人員單獨(dú)操作。并且儲氣罐狀態(tài)包括壓力、溫度、流量等均沒有就地顯示，儲氣罐上有壓力、溫度、流量、傳感器，但信號沒有接入，儲氣罐上的注氮閥、放空閥為DN50手動閘閥，沒有實現(xiàn)集中控制。

（2）改造方案

增加一臺總控PLC 控制柜，負(fù)責(zé)將壓縮機(jī)、冷干機(jī)、制氮吸附裝置、各種儲氣罐的壓力、電動閥門整合成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，在各種設(shè)備之間形成邏輯控制關(guān)系。將現(xiàn)使用的手動系統(tǒng)閥和排空閥門更換為電動調(diào)節(jié)閥，由總控PLC控制閥門開度，實現(xiàn)氮?dú)庾⑷肓髁康目刂?。更換儲氣罐上的壓力、流量、溫度、燈傳感器，增加通訊模塊實現(xiàn)壓縮機(jī)的數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)映射到總控PLC 中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在總控PLC 中的統(tǒng)一處理使用。通過增加的總控PLC控制壓縮機(jī)的啟動停止功能。增加通訊模塊實現(xiàn)冷干機(jī)到總控的S7-1500系列的PLC 數(shù)據(jù)連接，根據(jù)冷干機(jī)的故障及溫度狀態(tài)及時對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)采取措施保證系統(tǒng)的安全可靠。在原來的制氮吸附裝置的PLC上增加485通訊模塊將原來程序進(jìn)行相應(yīng)的修改，使其通過工業(yè)總線將現(xiàn)有的數(shù)據(jù)連接到總控PLC 中，配合PLC 中的其他數(shù)據(jù)一起形成一套完整的系統(tǒng)。現(xiàn)場增加聲光報警器，設(shè)備啟動前預(yù)警，停機(jī)提示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 制氮系統(tǒng)無人值守系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4 井下排水系統(tǒng)

（1）現(xiàn)狀

井下水泵房排水自動化系統(tǒng)只改造了1#、2#、3#，4#水泵沒有自動化改造，一共由4臺PLC控制柜（內(nèi)置西門子S7300系列PLC），與一臺操作臺控制，只有近控，沒有接入工業(yè)環(huán)網(wǎng)，無法集中監(jiān)控，且自動排水系統(tǒng)目前已經(jīng)無法正常使用。

四臺水泵射流管路電動球閥因長時間未使用，已經(jīng)無法正常運(yùn)行，每臺泵兩個電動球閥共8個。1#和3#吸水小井里共有兩個投入式水位計。3#水泵正壓傳感器損壞無法正常讀取數(shù)據(jù)。電機(jī)前后軸裝有溫度傳感器，都已損壞。水泵電機(jī)的開停傳感器已無法正常讀取開停信號。

（2）改造方案

全部更新為礦用隔爆型電動球閥配置智能組合式閥門控制箱，水泵進(jìn)水管和排水管路上加裝4 臺負(fù)壓和4臺正壓傳感器，電機(jī)和水泵軸承座加裝8臺軸溫傳感器，水倉和明水小井加裝液位傳感器，2路排水管路加裝超聲波流量傳感器。重新設(shè)計PLC 程序，實現(xiàn)水泵一鍵啟動，一鍵停止，PLC柜內(nèi)以太網(wǎng)就近接入變電所的環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，實現(xiàn)調(diào)度室遠(yuǎn)程監(jiān)控。水倉、吸水小井水位、電機(jī)溫度、水泵溫度、排水管流量、水泵真空度等數(shù)據(jù)，同時控制主站將各種數(shù)據(jù)信息傳送到地面生產(chǎn)集控中心，在調(diào)度室實現(xiàn)水泵房的集中遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控及無人值守功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 井下排水無人值守系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

改造后系統(tǒng)具備功能：信號自動采集、排水流量的自動監(jiān)測功能；根據(jù)水位值和電力峰谷時間來進(jìn)行控制水泵的開停；根據(jù)水位變化、水位的變化速率判斷投入水泵的臺數(shù)；系統(tǒng)保護(hù)功能（電動機(jī)故障保護(hù)、水泵啟動保護(hù)、超溫保護(hù)）；自動注水、水位自動監(jiān)控、閘閥電動控制、動態(tài)顯示功能；監(jiān)控系統(tǒng)能準(zhǔn)確顯示各個電動閘閥、水泵閥的開閘反饋控制、球閥的開關(guān)狀態(tài)及開度值（0～100%）；出現(xiàn)故障，監(jiān)控系統(tǒng)及現(xiàn)場有報警功能。

2.5 平臺系統(tǒng)改造

（1）改造需求

目前該礦無自動化系統(tǒng)平臺，因此需要新建一套自動化平臺系統(tǒng)。該平臺是對所接入的系統(tǒng)的信息綜合，是對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、處理、整合、共享，最終建立一個有效的管理系統(tǒng)，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供依據(jù)。

（2）自動化平臺改造方案

系統(tǒng)平臺軟件擬采用B/S 架構(gòu)，采用面向?qū)ο笳Z言JAVA開發(fā)服務(wù)端程序，前臺使用VUE框架開發(fā)，后臺系統(tǒng)采用Spring Boot 框架開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系型Mysql。整體采用前后端分離開發(fā)方式，分為視圖層、業(yè)務(wù)邏輯層、持久化層分層架構(gòu)，同時具有日志組件、權(quán)限管理等模塊。軟件開發(fā)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 改造升級后的應(yīng)用情況

目前該系統(tǒng)經(jīng)過生產(chǎn)測試結(jié)果表明，整套無人值守系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)完全達(dá)到擬定設(shè)計要求，成功地提高了礦井的自動化程度，有效地降低了生產(chǎn)線現(xiàn)場的可能的生產(chǎn)風(fēng)險，實現(xiàn)了自動化無人值守目標(biāo)、降低了人力成本、提高了系統(tǒng)自動化程度，助力煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化一級礦井建設(shè)。