DCS控制系統(tǒng)在礦井水泵遠(yuǎn)程控制中的應(yīng)用研究

何水龍 鐘毅 吳富姬 歐陽健強(qiáng) 黃俊

【摘要】? ? 為了實(shí)現(xiàn)礦山井上遠(yuǎn)程控制決井下水泵，解決水泵控制方式單一、落后的問題。本文結(jié)合礦山生產(chǎn)的實(shí)際情況，探討DCS控制系統(tǒng)在礦井水泵遠(yuǎn)程控制中的應(yīng)用，并礦山實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種基于DCS控制系統(tǒng)的水泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，能有效控制礦山井下水泵運(yùn)行，更好地滿足礦山的排水需求。

【關(guān)鍵詞】? ? DCS系統(tǒng)? ? 礦山? ? 水泵? ? 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

一、DCS控制系統(tǒng)概述

1.1 DCS控制系統(tǒng)的含義

DCS控制系統(tǒng)在國內(nèi)自動(dòng)化控制領(lǐng)域被稱為分布式控制系統(tǒng)，是一種為滿足多設(shè)備、多工藝流程的復(fù)雜過程控制要求，從多層自動(dòng)化控制維度出發(fā)，將過程控制及多設(shè)備監(jiān)控綜合在一起，結(jié)合4C技術(shù)，即現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)（Computer）、現(xiàn)代控制技術(shù)（Control）、現(xiàn)代通信技術(shù) （Communication）及現(xiàn)代圖形顯示技術(shù)（CRT），而發(fā)展起來的新型控制系統(tǒng)。

1.2 DCS控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

1.高可靠性。因DCS系統(tǒng)將系統(tǒng)中各個(gè)控制功能分散在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制終端（PLC）多采用冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)一臺(tái)工作站或者現(xiàn)場(chǎng)控制終端出現(xiàn)的一些重大故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)中的其他功能并不會(huì)因此停止工作。同時(shí)，由整個(gè)于系統(tǒng)中各臺(tái)工作站一般以采用具有特定結(jié)構(gòu)和軟件的專用計(jì)算機(jī)，從而使DCS系統(tǒng)擁有較強(qiáng)硬件可靠性基礎(chǔ)。

2.開放性。DCS系統(tǒng)通常采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中多臺(tái)工作站都是設(shè)計(jì)在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行互相通信，實(shí)現(xiàn)了信息的高速傳輸，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)工作站需要增減系統(tǒng)功能時(shí)，可將其功能直接連入到系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)或從該通信網(wǎng)絡(luò)中直接卸下，幾乎不對(duì)系統(tǒng)其他的功能產(chǎn)生任何影響。

3.靈活性。借助于現(xiàn)在豐富的組態(tài)軟件，DCS系統(tǒng)可根據(jù)不同的工藝流程進(jìn)行軟硬件組態(tài)，即只需確定現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)信號(hào)、設(shè)備控制信號(hào)、及工藝流程中各個(gè)設(shè)備的控制關(guān)系，即可通過組態(tài)軟件方便地設(shè)計(jì)出工藝所需的控制系統(tǒng)。[1]

4.易于維護(hù)。多數(shù)DCS系統(tǒng)都采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)系統(tǒng)功能分布式控制，當(dāng)某一局部功能出現(xiàn)故障，一般只影響該功能所控制的工藝流程，系統(tǒng)管理員可以方便快捷的定位故障發(fā)生的位置，迅速排除故障。

5.協(xié)調(diào)性。DCS系統(tǒng)之間各個(gè)組件通過專用的局域網(wǎng)傳送各種數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)控制單元、工作站之間信息共享，協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理。

6.控制功能齊全。DCS技術(shù)發(fā)展幾十年，其控制算法豐富，集連續(xù)控制、順序控制和批處理等多種控制算法于一體，可以輕松實(shí)現(xiàn)串級(jí)、前饋、解耦、自適應(yīng)和預(yù)測(cè)等多種先進(jìn)的控制技術(shù)，并且可方便地添加所需要的特殊控制算法。

二、礦井水泵遠(yuǎn)程控制分析

2.1礦井水泵遠(yuǎn)程控制現(xiàn)狀分析

許多國外的研究人員對(duì)礦井水泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的各個(gè)方面都做了大量的專業(yè)性研究，主流的研究方向是利用信息理論、系統(tǒng)理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)建立了一個(gè)多參數(shù)、多維度的水泵綜合管理信息系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用方面，現(xiàn)今大部分的工業(yè)化國家都將遠(yuǎn)程控制技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、水資源綜合管理等引入礦井水泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中。其中歐美等信息技術(shù)發(fā)達(dá)國家通過將實(shí)時(shí)監(jiān)控、綜合統(tǒng)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化控制結(jié)合起來，提出了數(shù)字礦山，通過并建立了一個(gè)綜合信息框架并結(jié)合其他生產(chǎn)設(shè)備，例如采礦設(shè)備開發(fā)錯(cuò)誤診斷系統(tǒng)和安全操作系統(tǒng)，將整個(gè)采礦和綜合系統(tǒng)連接成一個(gè)適合綜合管理的網(wǎng)絡(luò)。芬蘭等國家則通過創(chuàng)建智能礦山項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理、控制過程自動(dòng)化和生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)。[2]

2.2礦井水泵控制需解決痛點(diǎn)

礦井水泵控制具有非常強(qiáng)的實(shí)用性，針對(duì)于礦山礦井水泵使用過程中的多個(gè)問題出發(fā)，主要有：

1.部分礦山井下水泵仍然采用現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)啟停水泵方式，方式低效落后;2.井下水泵無信息化采集系統(tǒng)，其運(yùn)行系統(tǒng)參數(shù)無法實(shí)時(shí)采集、處理;3.現(xiàn)有的水泵控制系統(tǒng)沒有對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分析與應(yīng)用，使得系統(tǒng)僅僅是包含控制，沒有涵蓋故障診斷、用電分析等實(shí)用功能;4.現(xiàn)有水泵控制系統(tǒng)大多都在處于現(xiàn)場(chǎng)診斷控制，并沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及數(shù)據(jù)融合;5.水泵控制僅僅停留在“單一控制“，并沒有涉及整個(gè)礦山的用于的合理調(diào)度和集中控制。

三、DCS控制系統(tǒng)在礦井水泵遠(yuǎn)程控制中的應(yīng)用分析

3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DCS系統(tǒng)架構(gòu)較為靈活，結(jié)構(gòu)形式大致相同，現(xiàn)今主要的包含如現(xiàn)場(chǎng)控制單元FCU、操作站等。DCS系統(tǒng)的硬件和軟件，都是按模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，所以DCS系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)際上就是將系統(tǒng)提供的各種基本模塊按實(shí)際的需要組合成為一個(gè)系統(tǒng)。對(duì)于礦井水泵遠(yuǎn)程控制，研究考慮將在保障礦井排水功能安全的前提下，將整個(gè)礦山用水納入至系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的集中化管理。在系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)工程師站、一個(gè)操作站，多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制單元。[3]

1.工程師站。一臺(tái)安裝有組態(tài)過程控制軟件的工作站，用于診斷、監(jiān)測(cè)井下各個(gè)水泵房水泵的的運(yùn)行情況，并供設(shè)計(jì)工程師開發(fā)、測(cè)試、維護(hù)DCS系統(tǒng)。工程師站可以滿足開發(fā)工程師的系統(tǒng)開發(fā)需求，主要是進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建，生產(chǎn)流程畫面的開發(fā)、設(shè)備順序控制程序的的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)連續(xù)控制回路的組態(tài)等工作。

2.操作員站。在礦井水泵遠(yuǎn)程控制中，操作員站設(shè)置在控制區(qū)域的主控制室，一般情況下，由一臺(tái)安裝有工程師站開發(fā)的運(yùn)程監(jiān)控軟件的工作站、一臺(tái)用于系統(tǒng)展示的顯示器、鍵盤、打印機(jī)、故障報(bào)警器等設(shè)備組成。其中安裝的顯示器基本上可取代大量的常規(guī)儀表顯示，在屏幕上顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)工藝流程總貌、系統(tǒng)過程狀態(tài)、和歷史數(shù)據(jù)等;打印機(jī)則用于打印系統(tǒng)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的記錄報(bào)表、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表和報(bào)警信息等。每個(gè)操作員站都根據(jù)擁有的系統(tǒng)操作權(quán)限，對(duì)系統(tǒng)中的所有工作流程的畫面進(jìn)行瀏覽，或者對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

3.現(xiàn)場(chǎng)控制單元。系統(tǒng)在每個(gè)水泵房設(shè)置有現(xiàn)場(chǎng)控制單元，主要含電源處理設(shè)備、核心控制器（SIMATIC S7-1200 PLC）、模擬量輸入模塊、以太網(wǎng)通訊模塊，為了保障系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，核心控制器采用冗余設(shè)計(jì)，單元內(nèi)安裝有兩臺(tái)SIMATIC S7-1200 PLC.

3.2系統(tǒng)功能

根據(jù)礦山的實(shí)際情況，主要由現(xiàn)場(chǎng)傳感器及檢測(cè)儀表、排水系統(tǒng)電氣控制設(shè)備、井下可編程控制柜、監(jiān)控室上位機(jī)組成，PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)包含排水系統(tǒng)全自動(dòng)程序模塊，常見事故處理模塊，設(shè)備故障及報(bào)警記錄模塊（可形成報(bào)表文件），操作記錄模塊，歷史數(shù)據(jù)查詢模塊。為礦山排水系統(tǒng)的全自動(dòng)控制和設(shè)備檢修提供便利。系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)。主要由信號(hào)采集及現(xiàn)場(chǎng)PLC柜構(gòu)成。數(shù)據(jù)采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)或光纖獨(dú)立進(jìn)行傳輸。PLC與傳感器之間采用線性結(jié)構(gòu)連接。

1.現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備。主要包括：液位開關(guān)、液位計(jì)、交流電壓傳感器、交流電流傳感器、電動(dòng)閘閥、電磁閥、壓力傳感器、、溫度傳感器等。

2.數(shù)據(jù)處理設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)接入可編程控制箱內(nèi)，高性能PLC控制器完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和處理，能夠?qū)崿F(xiàn)泵、閥門等設(shè)備的集中控制，能夠根據(jù)預(yù)設(shè)報(bào)警參數(shù)，生成報(bào)警信息。

3.數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。為保證信號(hào)的可靠傳遞和防止電氣干擾對(duì)通信的影響，系統(tǒng)采用光纖傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制單元（現(xiàn)場(chǎng)PLC柜）與操作員站（安裝有上位機(jī)監(jiān)控軟件）、工程師站之間的數(shù)據(jù)交換?？刂片F(xiàn)場(chǎng)與礦調(diào)度中心之間布置有光纖，現(xiàn)場(chǎng)PLC統(tǒng)一采用的是西門子的S7-1200系列PLC，通過光纖與上位機(jī)通訊，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次簡單清晰，避免了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連時(shí)必須安裝相應(yīng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的問題。。

4.遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備。遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備主要由布置在監(jiān)控室的工控機(jī)、顯示器、工業(yè)組態(tài)軟件、UPS等組成，實(shí)現(xiàn)泵、閥等設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控與調(diào)度。

3.4系統(tǒng)功能

1.監(jiān)測(cè)信號(hào)功能。1）實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)水泵的啟停、故障等信號(hào)監(jiān)測(cè)。2）實(shí)現(xiàn)對(duì)水倉的液位監(jiān)測(cè)。3）實(shí)現(xiàn)每臺(tái)水泵的運(yùn)行電參數(shù)監(jiān)測(cè)（電流、電壓）。

2.控制功能。實(shí)現(xiàn)每臺(tái)水泵的自動(dòng)啟停及遠(yuǎn)程啟?？刂乒δ?，主要為：1）水泵房人工啟停：巡檢人員可以按原有的方式在機(jī)柜上人工開啟或停止水泵。2）遠(yuǎn)程人工啟停：在監(jiān)控室對(duì)水泵進(jìn)行啟停操作。3）自動(dòng)控制：根據(jù)設(shè)置好的條件（如：液位高低等），自動(dòng)控制水泵的啟停，參數(shù)修改可以在監(jiān)控室修改設(shè)置。參數(shù)修改權(quán)限可以根據(jù)要求進(jìn)行劃分設(shè)置。

3.故障自診斷功能。通過設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)的PLC柜將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、傳感器信號(hào)等傳輸?shù)皆诘V調(diào)度中心操作員站上，并將這些信息與礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行信息集成、數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)根據(jù)分析結(jié)果可準(zhǔn)確判斷故障類型、位置并能進(jìn)行圖像和語音提示。

4.實(shí)時(shí)報(bào)警及報(bào)警記錄功能。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)水倉上位、管道壓力、風(fēng)速、風(fēng)壓、設(shè)備運(yùn)行電流等被測(cè)參數(shù)超限、或者保護(hù)動(dòng)作及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)改變后，上位機(jī)可發(fā)出相應(yīng)的語音、文字告警提示，并進(jìn)行聲、光、語音報(bào)警，同時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)保存以上信息，為后續(xù)工作溯源提供幫助。

5.數(shù)據(jù)顯示功能。在操作員站的上位機(jī)可實(shí)時(shí)顯示設(shè)備電流電壓、水倉水池、風(fēng)速、風(fēng)壓的變化曲線圖，并可展示不同年、月、日等各時(shí)間段的歷史曲線和具體數(shù)據(jù)表。

6.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能。在操作員站可分別對(duì)每臺(tái)水泵、主扇的運(yùn)行電耗、工作時(shí)間等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，便于管理人員及時(shí)掌握每臺(tái)水泵、主扇的運(yùn)行狀態(tài)。

四、結(jié)束語

研究結(jié)合對(duì) DCS 系統(tǒng)的深入分析，在利用DCS系統(tǒng)易于維護(hù)、開發(fā)性等特點(diǎn)，開發(fā)一套基于DCS控制系統(tǒng)礦井水泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，解決礦山企業(yè)井下水泵控制的難點(diǎn)。不僅降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度以及提高工作效率，還提高了企業(yè)生產(chǎn)的信息化水平。

參考文獻(xiàn)

[1]李雙全，賈維揚(yáng).DCS控制系統(tǒng)在甲醇制烯烴生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2016，36（17）：21+23.

[2]張莉. 煤礦井下主排水自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].重慶大學(xué)，2012.

[3]雷瑤瑤.DCS系統(tǒng)在污水處理裝置自動(dòng)化控制中的應(yīng)用研究[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2020，46（08）：218-219.

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]李雙全，賈維揚(yáng).DCS控制系統(tǒng)在甲醇制烯烴生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2016，36（17）：21+23.

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[3]雷瑤瑤.DCS系統(tǒng)在污水處理裝置自動(dòng)化控制中的應(yīng)用研究[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2020，46（08）：218-219.