基于環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)基礎(chǔ)礦井泵房自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

楊珍珍，侯波，王戈

(1. 濰坊職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 262737； 2. 福爾波西格林輸送科技(中國(guó))有限公司，山東 淄博 255025；3. 淄博金喬建設(shè)工程公司，山東 淄博 255025)

0 引言

礦井井下泵房作為礦產(chǎn)企業(yè)的重要構(gòu)成部分，會(huì)直接影響該企業(yè)的安全生產(chǎn)和企業(yè)效益。目前我國(guó)煤礦開(kāi)采深度逐年增加，漏水、涌水事故數(shù)量也在明顯增加，給礦區(qū)的安全生產(chǎn)帶來(lái)了極大的風(fēng)險(xiǎn)。而現(xiàn)有的煤礦大多采用就地水泵來(lái)人為控制排水，效率低下且安全性不足。目前礦井井下泵房的自動(dòng)化升級(jí)改造成為礦山企業(yè)技改的重要方向之一，同時(shí)我國(guó)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局在《煤礦防治水規(guī)定》中也提出：受水位威脅嚴(yán)重的礦井，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)井下泵房無(wú)人值守和地面遠(yuǎn)程監(jiān)控。

本文基于上述現(xiàn)狀，介紹了一種基于環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)的礦井泵房自動(dòng)化控制系統(tǒng)。由PLC控制整個(gè)井下水系統(tǒng)，同時(shí)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與整個(gè)礦井的控制系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)礦井的信息化管理和自動(dòng)化控制，以減少故障，提高效率。

1 系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)自動(dòng)控制與水位高低實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以減少水害，同時(shí)根據(jù)水量實(shí)時(shí)掌握礦井水文地質(zhì)的變化，為后續(xù)開(kāi)采打好基礎(chǔ)。本系統(tǒng)采用三級(jí)排水自動(dòng)化控制系統(tǒng)及泵房水文動(dòng)態(tài)控制、報(bào)警系統(tǒng)[1]。

1.1 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)介紹

環(huán)形網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是將中心節(jié)點(diǎn)和各下層節(jié)點(diǎn)串接成環(huán)形，因而在節(jié)約投資的基礎(chǔ)上，使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有了最基本的鏈路冗余功能[2]。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 系統(tǒng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.2 系統(tǒng)水路介紹

系統(tǒng)基于礦山正在使用的四臺(tái)手動(dòng)控制的主排水泵及附屬的抽真空系統(tǒng)(射流管路和真空泵管路)、兩條排水管路來(lái)進(jìn)行升級(jí)改造，泵房布置如圖2所示。

圖2 礦井排水泵房布置例圖

2 系統(tǒng)硬件及功能

2.1 系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)主要由上位控制計(jì)算機(jī)、主控制柜與分布式防爆控制臺(tái)組成。主控制柜選用某公司的Logix5000系列PLC作為總控制CPU[3]，同時(shí)安裝了EtherNetIP工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊和DeviceNet設(shè)備層掃描模塊。EtherNetIP通信模塊實(shí)現(xiàn)與礦山總控制系統(tǒng)的通信，DeviceNet掃描模塊用于監(jiān)控每臺(tái)水泵的子系統(tǒng)。每臺(tái)水泵使用單獨(dú)的防爆控制柜子系統(tǒng)，控制柜內(nèi)裝有Rockwell的FlexIO來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集與控制，控制柜柜面安裝旋鈕、按鈕、指示燈等，用于就地控制以及運(yùn)行狀態(tài)的顯示。同時(shí)主控制柜內(nèi)安裝有工業(yè)交換機(jī)及光電轉(zhuǎn)換器等[4]，通過(guò)上述硬件實(shí)現(xiàn)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

系統(tǒng)配備各種傳感器與智能數(shù)字儀表，例如使用超聲波液位計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)水倉(cāng)的水位，使用真空計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)射流泵排真空的真空值，使用壓力傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)水泵出口的流體壓力等，上述傳感器均采用4～20mA直流模擬量信號(hào)，接入防爆控制臺(tái)的模擬量輸入模塊。同時(shí)為了防止傳感器故障等，儲(chǔ)水倉(cāng)另增加了液位開(kāi)關(guān)，用于緊急情況下的控制，其信號(hào)接入控制臺(tái)的數(shù)字量輸入模塊。

另外系統(tǒng)還配備溫度傳感器、流量傳感器、電壓電流及功率監(jiān)測(cè)等。

2.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)使用時(shí)主要有手動(dòng)及自動(dòng)兩種模式[5]。手動(dòng)模式與原有的控制差別不大，自動(dòng)模式的主要控制功能如下所述。

1) 水泵啟?？刂?。系統(tǒng)根據(jù)液位的高低、運(yùn)行溫度等來(lái)合理控制所有的水泵，并根據(jù)生產(chǎn)需要合理調(diào)配，實(shí)現(xiàn)控制的自動(dòng)化。

2) 水位控制。儲(chǔ)水倉(cāng)水位分為低水位、正常水位和高水位3個(gè)控制值，超過(guò)高水位時(shí)需要發(fā)出報(bào)警信號(hào)。另外液位開(kāi)關(guān)設(shè)為高水位，此時(shí)可能需要人為干預(yù)。

3) 運(yùn)行監(jiān)控。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控水泵的運(yùn)行狀態(tài)，比如運(yùn)行時(shí)的正負(fù)壓、電機(jī)及軸承的溫度、系統(tǒng)電流電壓等。上述數(shù)據(jù)可以設(shè)定閾值，超過(guò)閾值時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警。系統(tǒng)也實(shí)時(shí)模擬顯示流體的運(yùn)動(dòng)及流量，閥門的動(dòng)作等。

4) 報(bào)警及數(shù)據(jù)記錄。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前發(fā)生的故障，同時(shí)與所有歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)一起進(jìn)行存儲(chǔ)，方便查詢。

3 系統(tǒng)控制邏輯

3.1 總控制邏輯

系統(tǒng)總控制邏輯如圖3所示。在發(fā)出開(kāi)始指令后，設(shè)備首先判斷水位高低，如果目前在低點(diǎn)則無(wú)需啟動(dòng)水泵，如果超過(guò)低點(diǎn)即需排水，并按照先使用真空泵和射流閥給水泵充水，之后再啟動(dòng)水泵。啟動(dòng)完成后，關(guān)閉真空泵和射流閥并打開(kāi)出水閥；運(yùn)行中等待停泵信號(hào)。如需停泵時(shí)，關(guān)閉出水閥之后再關(guān)閉水泵正常停機(jī)。

圖3 總控制邏輯圖

3.2 水位控制邏輯

水位的控制邏輯如圖4所示，1#泵正常啟動(dòng)后會(huì)根據(jù)水位情況來(lái)判斷是否投入2#泵，同時(shí)2#泵啟動(dòng)后系統(tǒng)也會(huì)根據(jù)水位情況判斷是否需要停止2#泵或者是否需要投入3#泵。以此類推，4#泵的處理與3#泵相同。

圖4 水位控制邏輯圖

3.3 系統(tǒng)操作界面介紹

應(yīng)用FactoryTalk SE軟件繪制控制系統(tǒng)界面，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。如前文所述，系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作模式，在自動(dòng)模式時(shí)，所有的設(shè)備啟停都需要受到連鎖條件的限制，設(shè)備的啟停及運(yùn)行控制基本實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。系統(tǒng)控制界面如圖5所示。

圖5 礦泵控制系統(tǒng)

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

對(duì)原有礦山泵房采用環(huán)行以太網(wǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)升級(jí)改造后，基本實(shí)現(xiàn)了礦井泵房排水系統(tǒng)自動(dòng)控制，水位高、低實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、泵房無(wú)人值守等。同時(shí)由于工作工時(shí)的減少，原泵房三班值班制改為了定期巡檢制，節(jié)省下的員工可投入到了生產(chǎn)一線。系統(tǒng)改造投資費(fèi)用約600萬(wàn)元，改造前后費(fèi)用對(duì)比如表1所示。

表1 升級(jí)改造費(fèi)用對(duì)比 單位：萬(wàn)元/年

從表1可以看出，系統(tǒng)升級(jí)改造后，折舊及維保費(fèi)用會(huì)增加，但工時(shí)費(fèi)、電費(fèi)等得到了降低。按此計(jì)算兩年左右即可收回投資。同時(shí)采用本系統(tǒng)后具備報(bào)表功能，并能夠掌握礦井的水文規(guī)律，有效地支撐了井下排水系統(tǒng)的安全運(yùn)作，減少故障的發(fā)生概率，更有利于管理者實(shí)現(xiàn)人員統(tǒng)一的調(diào)度、優(yōu)化和協(xié)調(diào)[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合礦井泵房的現(xiàn)狀給出了礦井中央泵房自動(dòng)化排水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)針對(duì)各種防治水故障、水泵的自動(dòng)化控制因素在礦井環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，最大程度地保障了礦井的安全生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了人員無(wú)失誤、設(shè)備無(wú)故障、系統(tǒng)無(wú)缺陷、管理無(wú)漏洞的現(xiàn)代化煤礦企業(yè)管理模式。