基于PLC技術(shù)的黃金礦山排水系統(tǒng)自動(dòng)控制研究與應(yīng)用

高飛翔,劉金鳳,李家瑋,靳慶杰

(長(zhǎng)春黃金研究院有限公司)

黃金礦山排水系統(tǒng)的正常運(yùn)行可保障礦山生產(chǎn)的安全性并有助于提高采礦效率,排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)維均需要相應(yīng)的專業(yè)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn),技術(shù)要求較高。傳統(tǒng)人工操作方式存在人員勞動(dòng)強(qiáng)度高、操作人員個(gè)體經(jīng)驗(yàn)差異大等問題,進(jìn)而影響排水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。PLC是可編程邏輯控制器的簡(jiǎn)稱,具有高可靠性、可擴(kuò)展性、易于維護(hù)與可靠的工業(yè)通信等優(yōu)點(diǎn),為電氣設(shè)備的自動(dòng)化提供了必要的條件。采用PLC技術(shù)對(duì)黃金礦山排水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制,能有效地改善黃金礦山的工作效率、減輕工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度,并全面提高黃金礦山的安全運(yùn)行質(zhì)量。

1 工程背景

某黃金礦山位于黑龍江省黑河市西部,占地面積232.6萬(wàn)m2,日處理礦石3 000 t,建設(shè)2個(gè)生產(chǎn)系列:500 t/d(氧化礦系列)、2 500 t/d(原生礦系列)。礦區(qū)位于小興安嶺西南坡,屬低山丘陵區(qū),最高海拔528.2 m,一般海拔460～520 m,相對(duì)高差20～50 m,地勢(shì)整體呈北高南低。

排水系統(tǒng)在井下礦山安全生產(chǎn)方面有著舉足輕重的作用,排水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是礦山正常生產(chǎn)的前提。目前,中國(guó)大部分黃金礦山的排水系統(tǒng)均采用手動(dòng)與半自動(dòng)化控制相結(jié)合的方式,自動(dòng)化排水程度較低,尤其是井下區(qū)域,排水速度慢,不僅對(duì)工作人員安全造成威脅,還會(huì)增加生產(chǎn)成本。結(jié)合當(dāng)前黃金礦井情況構(gòu)建的基于PLC技術(shù)的排水自動(dòng)控制系統(tǒng),解決了上述排水速度慢、自動(dòng)化程度不夠高等問題[1]。

2 PLC技術(shù)

PLC技術(shù)具有高速的分析能力、計(jì)算能力以及高精確度的信息采集能力,在黃金礦山排水系統(tǒng)的高效管理與精準(zhǔn)控制方面發(fā)揮了重要作用。通過調(diào)整設(shè)置,PLC能夠接收現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備(液位計(jì)、流量計(jì)、溫度傳感器和壓力變送器等)的信號(hào)并進(jìn)行運(yùn)算分析,以供PLC做出遠(yuǎn)程自動(dòng)控制指令輸出或供操作人員對(duì)泵類設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)操作,進(jìn)而提高黃金礦山井下排水效率。

PLC技術(shù)作為一種成熟的、集成的信息技術(shù),因其強(qiáng)大的控制功能在礦山企業(yè)中應(yīng)用廣泛,PLC技術(shù)擁有特定的檢測(cè)功能,在黃金礦山中對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用,可以全面監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)區(qū)域的設(shè)備與儀表運(yùn)行情況,工作人員通過控制系統(tǒng)可發(fā)布命令對(duì)礦山信息進(jìn)行分類和收集。經(jīng)過整合收集到的各項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),工作人員可以了解到現(xiàn)場(chǎng)工作情況,從而對(duì)相關(guān)工作進(jìn)行進(jìn)一步規(guī)劃。

PLC技術(shù)還擁有強(qiáng)大的執(zhí)行能力,使用者按照自身需求發(fā)布命令,在特定位置進(jìn)行掃描,被分析區(qū)域的信息會(huì)通過客戶端返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)[2]。PLC技術(shù)強(qiáng)大的邏輯分析能力和計(jì)算能力,能夠?yàn)槠髽I(yè)規(guī)劃工作提供參考。同時(shí),在現(xiàn)代信息技術(shù)高速發(fā)展的背景下,PLC系統(tǒng)已經(jīng)與現(xiàn)代信息系統(tǒng)相互融合,這樣結(jié)合使用會(huì)形成一個(gè)全新的自動(dòng)化工作平臺(tái),用戶從系統(tǒng)收到指令后,可以對(duì)礦山中各區(qū)域運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析,結(jié)合分析結(jié)果完成邏輯操作;在監(jiān)控與分析過程中,還能夠?qū)ΦV山現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,所記錄的數(shù)據(jù)足夠真實(shí)和準(zhǔn)確;邏輯操作結(jié)束后,會(huì)將其記錄的信息發(fā)送至主機(jī),在系統(tǒng)終端,主機(jī)系統(tǒng)在收到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)后會(huì)發(fā)布相應(yīng)的命令。

3 PLC技術(shù)在黃金礦山排水系統(tǒng)自動(dòng)控制中的研究與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃金礦山PLC排水自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由集中監(jiān)控系統(tǒng)、低壓柜、PLC控制柜、以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、機(jī)旁操作箱、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備等組成,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制,以及對(duì)水位、壓力、流量、重點(diǎn)設(shè)備溫度等相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)的全面實(shí)時(shí)采集和分析處理。本系統(tǒng)控制方式有本地控制和遠(yuǎn)程控制2種方式。遠(yuǎn)程控制方式包含遠(yuǎn)程手動(dòng)控制與遠(yuǎn)程自動(dòng)控制,2種方式可任意進(jìn)行切換,通常會(huì)結(jié)合蓄水池高度和水泵溫度作為衡量條件,受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響,還會(huì)考慮開關(guān)柜狀態(tài)、電動(dòng)機(jī)溫度等因素。在系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行時(shí),需要有專門人員對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行24 h監(jiān)管,以免系統(tǒng)在運(yùn)行中發(fā)生故障時(shí),沒有對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控[3]。

為保障排水可進(jìn)行自動(dòng)控制,需要設(shè)置液位計(jì)、流量計(jì)、溫度傳感器、壓力變送器、電動(dòng)閥門等儀表設(shè)備,量程結(jié)合工況條件選擇,4～20 mA為儀表運(yùn)行時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出形態(tài)。為了對(duì)水位后備進(jìn)行保護(hù),還需要加裝浮球開關(guān)對(duì)其進(jìn)行控制,當(dāng)蓄水池水位低于1.5 m或浮球開關(guān)處于低位時(shí),水泵啟動(dòng)回路會(huì)轉(zhuǎn)換成鎖定狀態(tài),水位低位的信號(hào)燈會(huì)發(fā)出閃爍提醒。如果自動(dòng)排水系統(tǒng)正處于運(yùn)行狀態(tài),PLC模塊會(huì)根據(jù)低水位信號(hào)情況自動(dòng)進(jìn)行停泵處理,不會(huì)再次發(fā)出聲光警報(bào)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃金礦山PLC排水自動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(見圖1)由遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)2部分構(gòu)成。遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)基于工業(yè)以太網(wǎng),實(shí)現(xiàn)工程師和操作人員對(duì)礦山排水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問和管理。控制系統(tǒng)采用西門子S7-300系列的PLC,采用西門子S7-300系列中專門用于以太網(wǎng)通信的CP343-1通信處理模塊,避免了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)安裝復(fù)雜的問題,實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)交換和遠(yuǎn)程通信;采用以太網(wǎng)和光纖傳輸技術(shù),避免電氣、磁場(chǎng)等因素影響通訊信號(hào)的精確度?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中控制設(shè)備和參數(shù)相對(duì)多,常規(guī)的配線方法可靠性差、維修難度大,采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備層和控制層之間高效、可靠的數(shù)據(jù)傳送,提高控制系統(tǒng)的可靠性和管理效率。采用Profibus-DP協(xié)議與西門子ET200 M的分布式I/O接口,在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)中可以實(shí)現(xiàn)快速、小數(shù)量級(jí)的循環(huán)通信。

圖1 黃金礦山排水自動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

排水報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是排水系統(tǒng)PLC自動(dòng)控制的一個(gè)重要組成部分,由井下電視監(jiān)測(cè)和通信組成,具有獨(dú)立的功能,適用于不同的礦山環(huán)境。通過建立獨(dú)立的通信系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以避免二者之間的相互干擾,采用光纜通信技術(shù)不僅可以降低通訊信號(hào)傳輸過程中的干擾,還提供了高帶寬和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪芰?以滿足排水預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)的傳輸需求。為了使光纖信號(hào)的傳遞更加方便,首先使用光端機(jī)對(duì)電子信號(hào)進(jìn)行加工,將電子信號(hào)轉(zhuǎn)化為光學(xué)信號(hào),由井下的光端機(jī)將數(shù)據(jù)和語(yǔ)音數(shù)據(jù)分離,安裝在排水井或管道中的井下儀器通過傳送接口將實(shí)時(shí)采集的排水相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到分線箱,利用通信系統(tǒng)的語(yǔ)音傳輸功能將語(yǔ)音信號(hào)傳送到相應(yīng)的電話終端。

3.3 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

將PLC技術(shù)引入到黃金礦山排水自動(dòng)控制系統(tǒng)中可以有效改善企業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率。排水系統(tǒng)具有2種工作模式,一種是半自動(dòng)工作模式,另外一種是全自動(dòng)工作模式。半自動(dòng)工作模式對(duì)技術(shù)人員有一定的要求,需要工作人員全程對(duì)控制顯示臺(tái)進(jìn)行監(jiān)督,以便于控制水泵、閥門,當(dāng)?shù)V井內(nèi)部水位過低時(shí),可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)停處理。全自動(dòng)工作模式是一種完全由PLC控制的方法,自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)黃金礦山的水位進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停水泵、閥門。在全自動(dòng)控制系統(tǒng)中,當(dāng)水位突然增加時(shí),可以通過抽水等方法進(jìn)行控制,防止因井水過量而發(fā)生安全事故。礦山排水系統(tǒng)運(yùn)行畫面見圖2。

圖2 黃金礦山PLC排水自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行畫面

黃金礦山因地質(zhì)條件的復(fù)雜性和特殊性,其涌水具有不可控性和不可預(yù)測(cè)性,極易發(fā)生事故,因此,防止黃金礦山發(fā)生涌水,對(duì)黃金礦山的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。在黃金礦山的排水系統(tǒng)中設(shè)置了涌水探測(cè)設(shè)備,能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)到涌水等突發(fā)事件,監(jiān)控信號(hào)將傳送給控制中心,能夠快速響應(yīng)緊急情況,必要時(shí)迅速啟動(dòng)安全聯(lián)鎖保護(hù)措施;此外,在黃金礦山排水管道等條件允許的情況下,可以同時(shí)啟動(dòng)多臺(tái)水泵以增加排水能力,確保在最短時(shí)間內(nèi)將涌水排出,保障系統(tǒng)的安全并有效減少黃金礦山的經(jīng)濟(jì)損失。

PLC排水自動(dòng)控制系統(tǒng)在黃金礦山排水中發(fā)揮了重要作用,不僅能對(duì)礦井內(nèi)水位進(jìn)行全面控制,同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控礦井內(nèi)各區(qū)域狀態(tài)。當(dāng)水位過高時(shí),主控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)判斷自行進(jìn)行吸水處理,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部各器件溫度過高時(shí),主控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行斷閘處置,提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性,對(duì)工作人員安全也形成了保障。水泵開關(guān)啟動(dòng)后,系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí),對(duì)流量能進(jìn)行實(shí)時(shí)全面監(jiān)測(cè),如果流量始終達(dá)不到正常值,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警提醒,超過設(shè)定時(shí)間后還會(huì)自動(dòng)停泵。同時(shí),對(duì)壓力異常等狀況也可進(jìn)行自動(dòng)判斷,當(dāng)排水壓力過大,超過系統(tǒng)負(fù)載時(shí),吸水真空度會(huì)出現(xiàn)異常,系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別后會(huì)發(fā)出報(bào)警提醒,排水壓力與真空壓力達(dá)不到系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)會(huì)自動(dòng)停泵。礦井內(nèi)水位會(huì)出現(xiàn)超限的現(xiàn)象,水位傳感器接收到信息后會(huì)進(jìn)行故障報(bào)警處理。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上,須結(jié)合礦井蓄水池深度設(shè)置對(duì)應(yīng)閾值,以便于在水位過高時(shí)發(fā)出自動(dòng)警報(bào)。受到外部環(huán)境影響,水位會(huì)出現(xiàn)突變或者排水系統(tǒng)因受到影響出現(xiàn)異常。當(dāng)水位增長(zhǎng)速度與正常系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)相差較多時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警。除此之外,泵房排水流量與礦井涌水總量差值始終應(yīng)小于水位下降速度,如果數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)異常,系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警處理。

黃金礦山PLC排水自動(dòng)控制系統(tǒng)在控制礦井內(nèi)部水位上具有明顯優(yōu)勢(shì),與傳統(tǒng)的機(jī)電技術(shù)相比具有更高的利用價(jià)值和利用空間。黃金礦山PLC排水自動(dòng)控制系統(tǒng)可以按照礦井內(nèi)水位情況對(duì)排水系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行設(shè)備啟停處理,同時(shí)能夠按照工程規(guī)定要求,對(duì)系統(tǒng)設(shè)備啟動(dòng)順序進(jìn)行調(diào)整,在不同工況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不同的控制操作。為保障該系統(tǒng)正常運(yùn)行,需要確保其電力系統(tǒng)供電穩(wěn)定性,同時(shí)還須按照系統(tǒng)累計(jì)時(shí)間,對(duì)相應(yīng)裝置進(jìn)行檢修。

3.4 應(yīng)用效果

采用基于PLC技術(shù)的黃金礦山排水自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了如下功能:

1)具有半自動(dòng)和全自動(dòng)工作模式,通過自動(dòng)啟停水泵、閥門等實(shí)現(xiàn)水位的自動(dòng)控制,進(jìn)而防止因井水過量而發(fā)生安全事故。

2)通過設(shè)置全面的涌水探測(cè)設(shè)備與監(jiān)控設(shè)備,及時(shí)監(jiān)測(cè)區(qū)域狀態(tài)與突發(fā)事件,并迅速啟動(dòng)安全聯(lián)鎖保護(hù)措施。

3)通過對(duì)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè),及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障排除與維護(hù),延長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間;排水系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行,降低了人員工作強(qiáng)度與人工操作帶來的差錯(cuò)。

4 結(jié) 語(yǔ)

黃金礦山排水系統(tǒng)在黃金礦山生產(chǎn)中扮演著重要的角色,并對(duì)保證生產(chǎn)安全起到關(guān)鍵作用,通常由水泵、排水管道、吸水管、閥門與控制設(shè)備等組成,其常規(guī)的工作模式存在效率低、能耗大、故障率高等問題,很難滿足目前黃金礦山生產(chǎn)的需要。黃金礦山PLC排水自動(dòng)控制系統(tǒng)在礦山排水系統(tǒng)中的應(yīng)用,不僅為礦山企業(yè)創(chuàng)造了巨大的利潤(rùn)空間,同時(shí)全面自動(dòng)化的管理還提高了工作效率;企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用,對(duì)人員的需求量降低,成本進(jìn)一步得到縮減。黃金礦山PLC排水自動(dòng)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化調(diào)控可對(duì)黃金礦山的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),使設(shè)備達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài),提高礦山排水系統(tǒng)的性能,使工人生產(chǎn)安全和礦井工作安全進(jìn)一步得到了保障,對(duì)黃金礦山的生產(chǎn)安全起到了很大的作用。