羅春生,鄭榮祥

(紹興平銅集團有限公司， 浙江 紹興市 312000)

基于PROFIBUS協(xié)議的多級排水自動控制系統(tǒng)應(yīng)用

羅春生,鄭榮祥

(紹興平銅集團有限公司， 浙江 紹興市 312000)

針對平水銅礦井下多中段排水系統(tǒng)的復(fù)雜性和控制要求，自行設(shè)計了基于PROFIBUS協(xié)議的S7-300PLC多中段水泵機組的自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由地面值班監(jiān)控室與井下控制系統(tǒng)兩大部分組成，詳細介紹了系統(tǒng)的硬件組成、軟件設(shè)計以及系統(tǒng)保護。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)在提高設(shè)備安全可靠、減員增效以及井下安全生產(chǎn)方面具有一定優(yōu)勢。

PLC；礦山排水；自動控制

0 引 言

紹興平銅(集團)有限公司是浙江省最大的有色金屬國有礦山企業(yè)，采用單一豎井提升，現(xiàn)井深700 m，井下排水系統(tǒng)采用三段接力方式，分別在-185，-385，-625 m 3個中段設(shè)立排水泵房，每個泵房安裝有3臺DF155-30×9耐酸泵，水泵為有底閥引水加注啟動方式。其中一臺泵作為正常排水，二臺泵作為最大工作排水，三號泵為檢修備用，配用交流電機功率為200 kW。每個中段設(shè)有一個變電站，配有二臺315 kVA的雙回路主變壓器。水泵操作專門設(shè)立一個排水班組，配5名水泵工實行每天一次的井下現(xiàn)場操作排水，水泵的開停及選擇切換均由人工現(xiàn)場完成，3個中段的操作情況均通過電話進行上下聯(lián)系，極為不便，不具備根據(jù)水位或其它參數(shù)自動開停水泵，以及遠程控制等功能。嚴重影響井下主排水泵房的管理水平、經(jīng)濟效益以及安全生產(chǎn)等綜合生產(chǎn)水平的提高。

井下排水系統(tǒng)關(guān)系著礦山生產(chǎn)的正常運行，由于現(xiàn)有水泵連續(xù)運行時間長、功率大、排水效率低，容易出現(xiàn)設(shè)備故障，嚴重情況下易發(fā)生淹井事故。如果采用先進合理的自動化控制系統(tǒng)，可以更好的保證生產(chǎn)進行，延長設(shè)備使用壽命，提高設(shè)備運行效率，降低能源消耗，實現(xiàn)自動化代替人工操作。根據(jù)礦山實際情況，對現(xiàn)有人工操作排水系統(tǒng)改造為PLC自動控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)計

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

PROFIBUS作為常用的現(xiàn)場總線標準，已被我國定為工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)范的國家標準，通過該通訊總線，不同廠商生產(chǎn)的各類控制設(shè)備可以很方便的組合為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)集中控制。根據(jù)我礦實際情況，整個自動排水控制系統(tǒng)的設(shè)計由地面值班監(jiān)控室與井下控制系統(tǒng)兩大部分組成。其中地面值班監(jiān)控室由包括工控機、S7-300PLC、通訊模塊、信息顯示屏、聲光報警以及手動控制柜等組成；井下控制系統(tǒng)由包括井下主電源控制器、S7-200PLC、I/O擴展模塊、模擬量模塊、通訊模塊、執(zhí)行繼電器組、井下手動控制柜、水倉液面?zhèn)鞲衅鳌⑺畟}進水流量檢測器、其他各類安全保護檢測裝置等組成。地面值班監(jiān)控室安裝一臺戴爾商用電腦作為上位機，用西門子S7-300PLC作為主站，上位機和西門子S7-300PLC主站利用西門子winccv6組態(tài)軟件實現(xiàn)水泵現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集顯示、歸檔、存儲等。井下3個中段各安裝一套操作柜，利用西門子S7-200plc作為現(xiàn)場控制的分站，通過PROFIBUS專用屏蔽電纜將3個分站和主站進行信號傳送的物理鏈接。本系統(tǒng)設(shè)置了現(xiàn)場人工、遠程集中和全自動控制3種模式。人工控制提供水泵的現(xiàn)場維修試車、水倉清理以及特殊情況下的啟動運行，遠程集中控制利用值班室主站對3個中段的水泵實現(xiàn)一鍵式啟動、停止、緊急停車等功能，全自動控制模式每天設(shè)定谷電時間段進行自動排水，以節(jié)約電耗。

1.2 硬件組成

為節(jié)約成本，井下3個分站水泵的強電控制仍利用原有的動力系統(tǒng)，僅改動星、三角控制回路的二次線路，每臺泵的出水管安裝一臺電動控制閥，引水進水管安裝電磁閥等執(zhí)行機構(gòu)，以執(zhí)行管路的開閉指令，每個分中段水倉安裝兩套獨立的水位檢測系統(tǒng)，一套為機械浮球型，一套為超聲波水位檢測儀，水倉進水溝安裝流量檢測儀，電機安裝有軸承溫度、振動、電流等模擬量傳感器，水泵雙回路出水管道以及水泵的引水加注管道各安裝一套壓力傳感器，用以檢測出水壓力及引水壓力是否正常。

井下每個分站各采用型號為CPU226的西門子PLC模塊、EM231模擬量模塊以及EM277通訊模塊。地面值班室主站采用西門子S7-300作為主站，其自帶MPI通訊網(wǎng)絡(luò)，利用STEP7軟件進行遠程集中控制程序的編寫，用PC/MPI適配器將戴爾電腦上位機與S7-300PLC主站進行物理連接，通過通訊組態(tài)程序?qū)⒕?個中段的電機運行時間、電流、電壓、溫度、水壓、振動、水位等實時數(shù)據(jù)在電腦上進行顯示、存儲、歸檔。其硬件系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 硬件系統(tǒng)組成

1.3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)對井下3個中段采用了西門子S7-200PLC，選用型號為6ES7 216-2BD23-OXBO，該CPU具備RS-485串行通信口，支持PPI自由通信口協(xié)議和PROFIBUS點對點協(xié)議。通信接口通過電纜的物理連接與計算機、S7-200CPU之間進行通信。因CPU自帶I/O輸入、輸出點數(shù)量較少，本系統(tǒng)增加了一套6ES7 223-1PL22-OXBO的I/O擴展模塊，安裝二塊EM231模擬量處理器，用于對電機溫度、水位、水流等模擬量數(shù)據(jù)的輸入輸出轉(zhuǎn)換。利用EM277從站模塊將S7-200CPU連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，本系統(tǒng)根據(jù)通訊電纜長度將通信速率設(shè)定為9600 Mbit/s。

系統(tǒng)在地面值班室控制系統(tǒng)采用S7-300PLC。本排水系統(tǒng)選用的S7-300PLC型號為CPU313-2DP，其自帶有16點I/O，電源模塊為PS307，使用CPU自帶的現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP接口與井下3個中段的S7-200PLC的EM277profibus-dp接口進行網(wǎng)絡(luò)連接。本系統(tǒng)利用STEP7軟件的SIMATIC Manager管理器進行S7-300PLC主站的基于PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的通信及控制程序設(shè)計。利用西門子WINCC V6.0組態(tài)軟件編寫控制系統(tǒng)的水泵控制界面圖。用戶界面如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)的用戶界面

1.4 系統(tǒng)保護

為保證水泵安全可靠運行，避免設(shè)備事故發(fā)生，本系統(tǒng)設(shè)計了完善的硬件保護裝置、軟件保護程序。實時監(jiān)測水泵的啟動、運行及停止過程。一旦出現(xiàn)故障，立即采取應(yīng)急措施，保護設(shè)備，防止事故擴大。系統(tǒng)設(shè)有井下水倉水位上升速率異常、大功率電機電流異常、水管破裂爆管、主站與分站通訊異常等一級保護，此類故障實行緊急事故報警，通知維修人員立即趕赴現(xiàn)場進行處理。二級保護設(shè)有電機啟動異常、機械振動偏大、電機運行溫度過高等警報裝置，此時，實行值班室緊急停機并切換至備用泵和報警提示。三級保護有引水壓力低、電動閥執(zhí)行機構(gòu)的開閉異常、泵體機械振動過大、二套互為獨立的水倉水位檢測裝置出現(xiàn)異常、水泵出現(xiàn)“打空泵”等現(xiàn)象，發(fā)生此類故障系統(tǒng)均自動切換至其他備用泵運行。

2 應(yīng)用效果

系統(tǒng)運行一年來，實現(xiàn)了安全可靠的排水集中管理，提高了礦山設(shè)備自動化運行水平，取得了以下幾方面顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。

(1) 通過這次綜合自動化技術(shù)改造，徹底改變了公司領(lǐng)導(dǎo)、員工的觀念意識。以前人們普遍認為傳統(tǒng)的操作方式雖然操作麻煩、維護工作量大、技術(shù)也較落后，但大家都已經(jīng)熟悉、習(xí)慣，認為PLC自動控制系統(tǒng)固然先進，但技術(shù)難懂，其可靠性也未知。但改造后事實證明，自動控制系統(tǒng)比起傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)，無論其方便性、速度性、安全可靠性等方面要好的多，PLC電控系統(tǒng)并不象人們想象中的神秘難懂、難以接受，其基本知識通過一定學(xué)習(xí)也是可以輕易把握的。這是本次自動化技術(shù)改造所取得的社會效益方面。

(2) 勞動強度大大減少。過往由于排水中段多，自動化程度低，操縱維護都依靠員工赴現(xiàn)場進行，設(shè)備操作工要6人。自動系統(tǒng)改造成功后不需要人工參與。富余職員可從事其它產(chǎn)業(yè)或崗位工作，就這一項，每年即可增益40萬元以上。這是自動化技術(shù)改造所取得的直接經(jīng)濟效益之一。

(3) 設(shè)備故障率明顯減少，故障處理時間大大縮短，可有效避免電機燒毀、泵體報廢等重大設(shè)備事故的發(fā)生。初步測算，每年減少的設(shè)備維修費可增益20萬元左右。這是自動化技術(shù)改造所取得的直接經(jīng)濟效益之二。

(4) 系統(tǒng)設(shè)定的高峰低谷電自動控制程序節(jié)約了大量電能，水泵排水時間全部設(shè)定在晚上低谷時間段自動運行，與改造前同期相比，年節(jié)約電能約8萬元左右。這是自動化技術(shù)改造所取得的直接經(jīng)濟效益之三。

3 結(jié) 論

用基于PROFIBUS協(xié)議的PLC礦井排水自動控制系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。

(1) 用PROFIBUS通訊協(xié)議的PLC自動控制系統(tǒng)應(yīng)用成熟、設(shè)備改造投資較少，具有可靠性高、運行穩(wěn)定的特點。本系統(tǒng)通過合理的硬件規(guī)劃、完善的軟件設(shè)計確保了設(shè)備運行的安全可靠。

(2) 系統(tǒng)實現(xiàn)了設(shè)備運行的實時在線監(jiān)控，對運行的各項參數(shù)進行歸檔分析，便于發(fā)現(xiàn)存在的問題，為故障的提前處理、易損件的及時更換提供依據(jù)。

(3) 通過這次綜合自動化技術(shù)改造，徹底改變了原有傳統(tǒng)操作方式，提高了公司自動化技術(shù)水平，實現(xiàn)了設(shè)備自動運行代替人工操作，節(jié)約了大量成本，效益顯著，可為其他礦山提供借鑒。

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2017-02-24)