張星 吳亞軍 盧德建
摘要:針對多臺水泵組成的礦山主排水系統(tǒng)傳感器參數(shù)和輸入輸出變量較多、控制方式復雜以及接線雜亂等問題,文章設計一種分布式PLC控制的多傳感融合智能排水系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多臺PLC對水泵進行就地和遠程集中控制,采用壓力、溫度、液位、流量等監(jiān)測傳感器對排水系統(tǒng)進行融合實時監(jiān)測,可實現(xiàn)井下就地、井下集控手/自動、地面遠程手/自動多種排水控制模式的實時自由切換,并根據(jù)水位水量和用電峰谷時間實現(xiàn)排水用電自動削峰填谷,同時具備多種運行參數(shù)和保護狀態(tài)的采集、顯示、異常報警及故障診斷功能,可實現(xiàn)排水方式的智能優(yōu)化和井下水泵房的無人值守。
關鍵詞:智能排水,多傳感融合,分布式PLC,協(xié)同控制,無人值守
中圖分類號:TP391.9
文獻標識碼:A
文章編號:1674-9545(2023)03-0018-(05)
DOI:10.19717/j.cnki.jjun.2023.03.004
主排水系統(tǒng)是保障礦山安全開采和有效運行的重要系統(tǒng)之一,其作用是將用于礦井生產的水和大量涌出水通過主排水設備排至地面,確保井下生產人員和設備的安全。編程快捷、穩(wěn)定可靠的PLC(可編程控制器)技術廣泛應用于礦山主排水系統(tǒng)。
隨著礦山自動化、智能化建設的推進,目前礦山主排水系統(tǒng)基本實現(xiàn)自動遠程控制以及少人、無人值守。礦山的開采規(guī)模越來越大,井下每天的涌水量不斷增加,主排水系統(tǒng)采用的水泵數(shù)量也隨之增加。為了保證水泵正常運行,每臺水泵的監(jiān)測參數(shù)多達十幾個,比如:正壓、負壓、電壓、電流、主電機繞組溫度、主電機和水泵前后軸溫度、位移保護、缺水保護等運行參數(shù)。水泵數(shù)量越多,監(jiān)測其運行的傳感器數(shù)量、接線以及控制方式越復雜。因此,文章提出一種基于分布式PLC的多傳感器融合監(jiān)測監(jiān)控的智能排水系統(tǒng),該系統(tǒng)由一個集控站和若干個就地站組成,集控站控制器采用S7-1200PLC,就地站控制器采用S7-200smartPLC。集控站和就地站通過工業(yè)以太網通訊,每個就地站控制1~2臺主排水泵,可實現(xiàn)就地手動、集控手/自動、地面遠程手/自動控制的多模式自主切換。
1分布式PLC排水系統(tǒng)設計
整個排水控制系統(tǒng)由多種傳感器、井下就地控制系統(tǒng)、井下集中控制系統(tǒng)、液壓閘閥控制系統(tǒng)和地面上位機監(jiān)控系統(tǒng)組成。
1.1井下就地控制系統(tǒng)
井下就地控制系統(tǒng)由就地站和多種傳感器組成,各種傳感器信號線,水泵、真空泵和液壓油泵的電機控制線接入就地站PLC對應的I/O接線端子,如圖1所示。就地站可實現(xiàn)接入水泵的就地單元控制,與其他就地站接入水泵互不影響。就地控制是實現(xiàn)井下集中控制和地面遠程控制的基礎。
1.2井下集中控制系統(tǒng)
井下集中控制系統(tǒng)由傳感器、集控站、操作臺和觸摸屏組成。流量、液位和油壓傳感器信號線、操作臺輸入輸出控制線接入集控站PLC,集控站和就地站內部均配置工業(yè)以太網交換機,并通過工業(yè)以太網進行通訊。觸摸屏采用昆侖通態(tài)MCGSE組態(tài)軟件,通過工業(yè)以太網與集控站通訊,實時顯示整個排水系統(tǒng)所有設備運行參數(shù),如圖2所示。
1.3液壓閘閥控制系統(tǒng)
液壓閘閥控制系統(tǒng)由液壓站和水泵出口閘閥組成,其功能是開閉閘閥,調節(jié)水泵出口壓力和管路流量。液壓站由油泵電機、換向電磁閥以及高低壓電磁閥組成,出口閘閥由閘閥和開關電磁閥組成。閘閥打開時,高壓電磁閥、換向電磁閥、閘閥開電磁閥同時動作;閘閥關閉時,高壓電磁閥、低壓電磁閥、閘閥關電磁閥同時動作。該系統(tǒng)采用程序優(yōu)化方法,將液壓站的兩臺油泵電機和管路閘閥的開關電磁閥接入就地控制箱,液壓站的高、低壓電磁閥及換向電磁閥接入集控箱。就地箱可以通過就地控制程序直接啟動油泵,還可以通過集控程序傳值給就地控制程序,從而啟動油泵。集控程序傳值給就地程序打開閘閥的開關電磁閥,同時就地程序回傳值到集控程序打開液壓站的高、低壓電磁閥或高壓及換向電磁閥,從而打開管路閘閥。此方法大大簡化了系統(tǒng)接線,降低了線路造價。
1.4地面上位機遠程監(jiān)控
地面上位機監(jiān)控系統(tǒng)由組態(tài)軟件和工控計算機組成,上位機通過工業(yè)以太網與集控站下位機PLC進行通訊,采用組態(tài)軟件開發(fā)礦井主排水系統(tǒng)現(xiàn)場模擬畫面,并進行動畫連接現(xiàn)場運行參數(shù)變量,從而對現(xiàn)場設備的實時參數(shù)和運行狀態(tài)進行監(jiān)控,對排水系統(tǒng)進行遠程控制,如圖3所示。
1.5傳感器選擇與布置
就地站作為水泵的基礎控制單元,監(jiān)控每臺水泵運行狀態(tài)和實時參數(shù)的監(jiān)測傳感器接入就地站PLC的I/O端子排,集控站對全部水泵進行集中控制,流量、液位和油壓監(jiān)測傳感器接入集控站。各種監(jiān)測傳感器的型號選擇如表1所示。
1.6分布式PLC通訊方式
西門子Snap7 是一個基于以太網與S7系列的西門子PLC通訊的開源庫。支持包括S7系列的S7-200、S7-200 Smart、S7-300、S7-400、S7-1200以及S7-1500的以太網通信。采用S7通訊來實現(xiàn)就地站-集控站-上位機之間的通訊。步驟如下:
①打開博途軟件,在設備組態(tài)的PLC CPU屬性中找到以太網地址設置并添加新子網PN/IE_1;
②在設備組態(tài)的PLC CPU屬性中找到防護與安全中的連接機制,勾選允許來自遠程對象的PUT/GET通信訪問;
③添加完子網PN/IE_1后,選擇網絡視圖后點擊連接,選擇S7連接;
④選中設備組態(tài)CPU,點擊右鍵,添加新連接S7_連接_1,雙擊此連接,在常規(guī)選項中填寫S7-200 Smart IP地址;
⑤R_1處填寫從站存儲區(qū)地址,SD_1處填寫主站存儲區(qū)地址;
⑥完成分布式PLC之間的通訊,實現(xiàn)變量之間的數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)寫入。
2多種控制模式
分布式PLC控制的排水系統(tǒng)控制模式有井下就地手動、井下集控手/自動、地面上位機遠程手/自動控制模式,可以根據(jù)現(xiàn)場情況進行實時自由切換。
2.1井下就地手動模式
就地手動控制是分布式PLC排水系統(tǒng)最基本的控制方式,是實現(xiàn)集控和地面遠程控制模式的基礎,其控制流程和就地控制程序決定著整個排水系統(tǒng)的正常運行。由于水泵、真空泵、油泵、真空球閥、出口閘閥的控制線路全部接入就地站,可以從就地站操作面板直接進行啟泵和停泵操作。
啟泵順序:水泵、管路、真開泵、油泵選擇→打開電動球閥→啟動真空泵抽真空→真空度滿足條件后啟動油泵→啟動水泵→正壓和電流滿足條件后打開閘閥→閘閥開到位后關閉真空泵、油泵和電動球閥。
停泵順序:啟動油泵→關閉閘閥→閘閥關到位后關閉水泵。
2.2井下集控手自動模式
實現(xiàn)井下集控手/自動控制模式的基礎是集控站的PLC控制程序,按照手/自動啟停泵流程邏輯編寫集控程序,就地站PLC程序內部設置遠程控制V區(qū)變量,通過設置S7通訊將就地站PLC程序的控制變量與集控程序DB數(shù)據(jù)塊對應的控制變量進行映射,采用以太網通訊進行傳值。集控站手動模式通過集控站操作臺上的各種按鈕可以直接控制對應的水泵、油泵、真空泵和出口閘閥的開關等設備,啟泵之前進行真空泵、油泵、水泵及管路選擇,再按照流程操作即可。
集控站自動控制模式,也稱一鍵啟動,其采用順序控制方式,按照啟/停泵流程進行步控制。將檔位選擇置于自動擋,選擇對應的真空泵、油泵、水泵和管路后,按下自動啟動按鈕開始自動排水流程。按照流程一步一步執(zhí)行,如圖6和圖7所示。
2.3地面遠程手自動模式
地面遠程手自動控制模式是通過上位機與集控站PLC下位機進行以太網通訊,利用上位機組態(tài)軟件對集控站進行手動和自動控制。利用上位機組態(tài)軟件模擬現(xiàn)場動態(tài)畫面并設置手動、自動操作按鈕與集控站PLC控制變量進行連接,在地面調度室就可以進行遠程手、自動操作,即實現(xiàn)無人值守。
(1)遠程手動控制:遠程控制是指操作人員在異地通過工業(yè)以太網連接需要被控制的設備,將被控設備的桌面環(huán)境顯示到自己的計算機上,通過本地計算機對遠方設備進行配置、修改等工作。當系統(tǒng)處于遠程手動控制方式時,可以在地面控制室靈活操作各個球閥、水閥、真空閥以及水泵、真空泵按順序啟動。礦山智能排水系統(tǒng)由組態(tài)王軟件作為上位機通過Internet與S1200 PLC相連來實現(xiàn)遠程控制。
(2)遠程自動控制:系統(tǒng)具有遠程自動控制的功能。當系統(tǒng)處于遠程自動控制方式時,可以在地面控制室一鍵啟/停水泵。
3智能報警與故障診斷
PLC控制系統(tǒng)的運行過程是循環(huán)掃描,當系統(tǒng)采集到的信息符合排水控制程序內部設置的參數(shù)時,系統(tǒng)可以正常運行。比如:閘閥無故障;正負壓達到運行條件;溫度、電流、振動、位移、水位等模擬量滿足設定參數(shù)。當以上條件都達到時,可以按照啟停泵流程進行手動或者一鍵自動模式進行排水。若以上模擬量或裝置檢測到異常,則系統(tǒng)會進行報警,同時進行相應的閉鎖,禁止系統(tǒng)運行以保護水泵等各種設備,直到故障解除,按下故障復位才能重新運行排水系統(tǒng)。通過觸摸屏組態(tài)故障記錄畫面可以找出故障點所在位置,便于排查修復故障。
4結語
文章設計的基于分布式PLC的礦山多傳感融合智能排水系統(tǒng)已在淮南地區(qū)某煤礦試運行,運行期間,各監(jiān)測傳感器采集的參數(shù)正常,系統(tǒng)各種控制模式運行正常。經過一段時間的運行,可以做到電機的均勻磨損、削峰填谷,大大提升了電力資源的使用效率。實現(xiàn)該系統(tǒng)正常運行的關鍵是就地控制程序和集控程序間的通訊,即分布式PLC之間的通訊程序。該系統(tǒng)七臺水泵共用一個液壓系統(tǒng)(兩臺油泵電機)和四臺真空泵,因此液壓系統(tǒng)和真空泵的穩(wěn)定運行和自由切換至關重要。實際運行過程中,排水穩(wěn)定,效率較高,可以進行多種控制模式的自由切換。
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Research on Mine Intelligent Drainage System Based on
Distributed PLC Collaborative Control
ZHANG Xing,WU Yajun,LU Dejian
(1School of Mechanical and Electrical Engineering, Huainan Normal University,
Huainan, Anhui 232001,China)
ABSTRACT Aiming at the problems of many sensor parameters and input and output variables, complex control methods and messy wiring in the mine main drainage system composed of multiple pumps, a distributed PLC controlled multi-sensor fusion intelligent drainage system was designed. The system used multiple PLCs to control the water pumps locally and remotely, and used monitoring sensors such as pressure, temperature, liquid level, and flow to monitor the drainage system in real time. Real-time free switching of remote manual/automatic multiple drainage control modes, and automatic peak-shaving and valley-filling of drainage power consumption according to water level and volume and peak-valley time of power consumption. At the same time, it had the collection, display and abnormal alarm of various operating parameters and protection states and fault diagnosis function, could realize intelligent optimization of drainage mode and unattended underground water pump room.
KEY WORDS Intelligent drainage; multi-sensor fusion; distributed PLC; collaborative control; unattended
(責任編輯 王一諾)