丁孟軍

(中鋼集團(tuán)山東礦業(yè)有限公司)

自動(dòng)化遠(yuǎn)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(tuán)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備設(shè)施及操作人員造成不利的影響；同時(shí)，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(jí)改造困難。為了改變現(xiàn)狀和提升設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率，采用可編程控制器、檢測(cè)儀器儀表、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)、WINCC軟件等對(duì)溜破系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造，完善了系統(tǒng)的安全保護(hù)，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了礦山井下溜破系統(tǒng)設(shè)備的遠(yuǎn)程自動(dòng)化智能監(jiān)控,達(dá)到了預(yù)期的目的。

溜破系統(tǒng) 可編程控制器 自動(dòng)化遠(yuǎn)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(dòng)化水平，改善操作人員的工作環(huán)境，提升設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，提升設(shè)備本質(zhì)化安全的水平是大勢(shì)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(dòng)化水平低，很多設(shè)備仍是繼電控制，對(duì)設(shè)備的高效運(yùn)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(jí)。礦山井下溜破系統(tǒng)設(shè)備包括重型板式給料機(jī)、鄂式破碎機(jī)、除塵系統(tǒng)等，設(shè)備安裝在井下幾百米，現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)于設(shè)備故障很難做到快速判斷和及時(shí)處理。通過(guò)對(duì)電控系統(tǒng)自動(dòng)化遠(yuǎn)程智能監(jiān)控改造，提升設(shè)備的技術(shù)含量，對(duì)故障可以進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和處理，極大地提升設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，降低操作人員的工作強(qiáng)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(jí)計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)以及相關(guān)的檢測(cè)儀器儀表實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)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。可編程控制器選用西門子S7-300系列，可編程控制器對(duì)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(duì)電源電壓的要求低，抗干擾能力強(qiáng)，具有較強(qiáng)的抗震性能，同時(shí)可編程控制器較易實(shí)現(xiàn)電控系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)，通過(guò)通訊模塊可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通訊及遠(yuǎn)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(jìn)行邏輯運(yùn)算及數(shù)學(xué)運(yùn)算，并協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作。數(shù)字量輸入模塊用于連接外部的機(jī)械觸點(diǎn)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(diǎn)等。數(shù)字量輸出模塊用于驅(qū)動(dòng)接觸器、中間繼電器、指示燈等負(fù)載。模擬量輸入模塊采集現(xiàn)場(chǎng)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(jí)千兆網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和其他PLC的連接。

以太網(wǎng)交換機(jī)選用MOXA EDS-510A系列，EDS-510A千兆網(wǎng)管型以太網(wǎng)交換機(jī)配有3個(gè)端口，2個(gè)用于構(gòu)建支持Turbo Ring和Turbo Chain(自愈時(shí)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(cè)儀表主要有超聲波料位計(jì)、溫度傳感器、位移傳感器、電流變送器等。超聲波料位計(jì)、溫度傳感器及電流變送器將探測(cè)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(hào)輸入到數(shù)字量模塊，實(shí)現(xiàn)位移信號(hào)的采集。

2 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)配置的PLC模塊進(jìn)行硬件組態(tài)，在配置機(jī)架(HW Config)窗口中對(duì)機(jī)架、模塊、分布式I/O(DP)機(jī)架以及接口子模塊等進(jìn)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(gè)模塊的參數(shù)，使軟件和硬件能夠一一對(duì)應(yīng)[1]，見(jiàn)圖1。本地控制操作臺(tái)ET200利用Profibus DP總線與PLC通信,代替了大量的分散獨(dú)立的連接電纜，節(jié)約了安裝調(diào)試時(shí)間及改造升級(jí)成本。

圖1 可編程控制器硬件配置

以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆锌偩€型、星型、冗余型環(huán)網(wǎng)3種，冗余環(huán)網(wǎng)是使用一個(gè)連續(xù)的環(huán)將每臺(tái)設(shè)備連接在一起，能夠保證千兆級(jí)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(diǎn)斷路自動(dòng)愈合的功能[2]。采用工業(yè)級(jí)千兆冗余環(huán)網(wǎng)，本系統(tǒng)將交換機(jī)串入公司級(jí)光纖冗余環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信?，F(xiàn)場(chǎng)PLC與公司級(jí)環(huán)網(wǎng)連接見(jiàn)圖2。

圖2 公司環(huán)網(wǎng)與PLC的通訊連接

對(duì)CP343-1模塊進(jìn)行通信設(shè)置，通過(guò)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(shí)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(guò)工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸。SIMATIC S7可以通過(guò)建立TCP連接來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)[2]，見(jiàn)圖3。

圖3 CP343-1通信設(shè)置

遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控平臺(tái)采用WINCC監(jiān)控軟件。SIMATIC Wincc性能全面、技術(shù)先進(jìn)、系統(tǒng)開(kāi)放，通過(guò)OPC方式實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程PLC連接。WINCC能夠提供生成復(fù)雜可視化任務(wù)的組件和函數(shù)，并且生成畫面、腳本、報(bào)警、趨勢(shì)和報(bào)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(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)[3]。

此系統(tǒng)包括2種控制方式，一種為本地控制，一種為遠(yuǎn)程控制，以本地控制為優(yōu)先級(jí)。本地控制和遠(yuǎn)程控制又分為手動(dòng)、自動(dòng)和檢修3種控制方式。系統(tǒng)狀態(tài)畫面顯示現(xiàn)場(chǎng)溫度、料位、電流、故障、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等。WINCC遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、本地以及自動(dòng)、手動(dòng)、檢修方式的切換，同時(shí)可以通過(guò)手動(dòng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備的啟動(dòng)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(hào)急停故障等，見(jiàn)圖4。

圖4 溜破系統(tǒng)WINCC監(jiān)控畫面

自動(dòng)化遠(yuǎn)程智能控制考慮的首要問(wèn)題是設(shè)備的安全運(yùn)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(gè)關(guān)鍵部位安裝檢測(cè)儀器儀表[4]，將檢測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)輸入到PLC模塊，經(jīng)過(guò)CPU的運(yùn)算控制，實(shí)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(jī)，當(dāng)運(yùn)輸機(jī)車卸料時(shí)料石的沖擊力較大，如果不能保證溜井內(nèi)有相當(dāng)深度的料石作為緩沖，將對(duì)重型板式給料機(jī)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(guò)信號(hào)傳輸?shù)絊7-300 PLC運(yùn)算處理，處理結(jié)果參與聯(lián)鎖控制，程序見(jiàn)圖5。當(dāng)料位下降到一定深度后，重型板式給料機(jī)停止運(yùn)行，避免了料石沖擊。

為了防止大塊堵塞破碎機(jī)進(jìn)料口，造成設(shè)備損壞，在破碎機(jī)內(nèi)部安裝一套機(jī)械限位開(kāi)關(guān)，見(jiàn)圖6。當(dāng)內(nèi)部料位堵塞上升到一定高度后，料石擠壓機(jī)械限位開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)信號(hào)(轉(zhuǎn)換成信號(hào)M37.3)送入到PLC與重型板式給料機(jī)，進(jìn)行聯(lián)鎖，具體程序見(jiàn)圖7。

圖5 料位傳感器數(shù)據(jù)處理程序

圖6 破碎機(jī)防堵塞開(kāi)關(guān)示意

為了控制下部小溜井料位，防止溜井滿倉(cāng)造成破碎機(jī)悶機(jī)事故，在料倉(cāng)的頂部安裝料位傳感器和機(jī)械料位計(jì)各一套。當(dāng)料位到達(dá)一定高度后，料石沖擊機(jī)械限位開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)信號(hào)(I8.0)送入到PLC，進(jìn)行聯(lián)鎖，程序見(jiàn)圖8。同時(shí)料位傳感器模擬量信號(hào)也送入到PLC，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后進(jìn)行聯(lián)鎖控制。當(dāng)料位高時(shí)，控制重型板式給料機(jī)及破碎機(jī)停車。

在設(shè)備無(wú)人值守自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和安全閉鎖非常重要。尤其在設(shè)備的關(guān)鍵運(yùn)轉(zhuǎn)部位安裝各種傳感器，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集運(yùn)算，實(shí)時(shí)監(jiān)控是非常必要的。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常情況時(shí)，如電流升高、重板跑偏、設(shè)備震動(dòng)、溫度升高、料石堵塞等，WINCC將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)在軟件的內(nèi)部進(jìn)行保護(hù)閉鎖，防止設(shè)備故障進(jìn)一步惡化。通過(guò)SIMATIC Manager軟件對(duì)程序進(jìn)行監(jiān)控與維護(hù)，及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所有部位運(yùn)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(yǔ)

通過(guò)對(duì)井下溜破系統(tǒng)設(shè)備遠(yuǎn)程智能自動(dòng)化控制的優(yōu)化，有效地降低了設(shè)備的故障率，實(shí)現(xiàn)了可視化監(jiān)控，可以快速判斷和處理故障，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)

圖7 破碎機(jī)防堵塞保護(hù)程序

圖8 防滿倉(cāng)機(jī)械料位保護(hù)程序

行狀態(tài)，極大地提升了設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，提高了設(shè)備運(yùn)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(jí)改造，也可較容易地融入到公司級(jí)數(shù)字化控制系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)公司級(jí)設(shè)備集中控制管理打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 張運(yùn)剛，宋小春，郭武強(qiáng).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(jiān).西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南[M].北京：機(jī)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(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[4] 曾周末.儀器儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)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)。