DCS控制系統在礦井水泵遠程控制中的應用研究

何水龍 鐘毅 吳富姬 歐陽健強 黃俊

【摘要】? ? 為了實現礦山井上遠程控制決井下水泵，解決水泵控制方式單一、落后的問題。本文結合礦山生產的實際情況，探討DCS控制系統在礦井水泵遠程控制中的應用，并礦山實際情況，設計了一種基于DCS控制系統的水泵遠程控制系統。現場應用結果表明，該遠程控制系統，能有效控制礦山井下水泵運行，更好地滿足礦山的排水需求。

【關鍵詞】? ? DCS系統? ? 礦山? ? 水泵? ? 遠程控制系統

一、DCS控制系統概述

1.1 DCS控制系統的含義

DCS控制系統在國內自動化控制領域被稱為分布式控制系統，是一種為滿足多設備、多工藝流程的復雜過程控制要求，從多層自動化控制維度出發，將過程控制及多設備監控綜合在一起，結合4C技術，即現代計算機技術（Computer）、現代控制技術（Control）、現代通信技術 （Communication）及現代圖形顯示技術（CRT），而發展起來的新型控制系統。

1.2 DCS控制系統的優點

1.高可靠性。因DCS系統將系統中各個控制功能分散在多臺計算機上實現，同時現場控制終端（PLC）多采用冗余設計，當現場一臺工作站或者現場控制終端出現的一些重大故障時，整個系統中的其他功能并不會因此停止工作。同時，由整個于系統中各臺工作站一般以采用具有特定結構和軟件的專用計算機，從而使DCS系統擁有較強硬件可靠性基礎。

2.開放性。DCS系統通常采用標準化、模塊化和系列化的設計，系統中多臺工作站都是設計在一個局域網內進行互相通信，實現了信息的高速傳輸，當現場工作站需要增減系統功能時，可將其功能直接連入到系統的通信網絡或從該通信網絡中直接卸下，幾乎不對系統其他的功能產生任何影響。

3.靈活性。借助于現在豐富的組態軟件，DCS系統可根據不同的工藝流程進行軟硬件組態，即只需確定現場狀態信號、設備控制信號、及工藝流程中各個設備的控制關系，即可通過組態軟件方便地設計出工藝所需的控制系統。[1]

4.易于維護。多數DCS系統都采用模塊化設計，各個系統功能分布式控制，當某一局部功能出現故障，一般只影響該功能所控制的工藝流程，系統管理員可以方便快捷的定位故障發生的位置，迅速排除故障。

5.協調性。DCS系統之間各個組件通過專用的局域網傳送各種數據，整個系統中的現場控制單元、工作站之間信息共享，協調工作，以完成控制系統的總體功能和優化處理。

6.控制功能齊全。DCS技術發展幾十年，其控制算法豐富，集連續控制、順序控制和批處理等多種控制算法于一體，可以輕松實現串級、前饋、解耦、自適應和預測等多種先進的控制技術，并且可方便地添加所需要的特殊控制算法。

二、礦井水泵遠程控制分析

2.1礦井水泵遠程控制現狀分析

許多國外的研究人員對礦井水泵遠程控制系統的各個方面都做了大量的專業性研究，主流的研究方向是利用信息理論、系統理論和計算機技術建立了一個多參數、多維度的水泵綜合管理信息系統。在實際應用方面，現今大部分的工業化國家都將遠程控制技術、自動控制技術、水資源綜合管理等引入礦井水泵遠程控制系統中。其中歐美等信息技術發達國家通過將實時監控、綜合統計和標準化控制結合起來，提出了數字礦山，通過并建立了一個綜合信息框架并結合其他生產設備，例如采礦設備開發錯誤診斷系統和安全操作系統，將整個采礦和綜合系統連接成一個適合綜合管理的網絡。芬蘭等國家則通過創建智能礦山項目，以實現生產管理、控制過程自動化和生產過程實時聯網。[2]

2.2礦井水泵控制需解決痛點

礦井水泵控制具有非常強的實用性，針對于礦山礦井水泵使用過程中的多個問題出發，主要有：

1.部分礦山井下水泵仍然采用現場手動啟停水泵方式，方式低效落后;2.井下水泵無信息化采集系統，其運行系統參數無法實時采集、處理;3.現有的水泵控制系統沒有對采集的數據進行合理分析與應用，使得系統僅僅是包含控制，沒有涵蓋故障診斷、用電分析等實用功能;4.現有水泵控制系統大多都在處于現場診斷控制，并沒有實現數據共享及數據融合;5.水泵控制僅僅停留在“單一控制“，并沒有涉及整個礦山的用于的合理調度和集中控制。

三、DCS控制系統在礦井水泵遠程控制中的應用分析

3.1系統設計

DCS系統架構較為靈活，結構形式大致相同，現今主要的包含如現場控制單元FCU、操作站等。DCS系統的硬件和軟件，都是按模塊化結構設計的，所以DCS系統的架構設計實際上就是將系統提供的各種基本模塊按實際的需要組合成為一個系統。對于礦井水泵遠程控制，研究考慮將在保障礦井排水功能安全的前提下，將整個礦山用水納入至系統中，實現設備的集中化管理。在系統中設置一個工程師站、一個操作站，多個現場控制單元。[3]

1.工程師站。一臺安裝有組態過程控制軟件的工作站，用于診斷、監測井下各個水泵房水泵的的運行情況，并供設計工程師開發、測試、維護DCS系統。工程師站可以滿足開發工程師的系統開發需求，主要是進行系統數據庫的創建，生產流程畫面的開發、設備順序控制程序的的設計以及系統連續控制回路的組態等工作。

2.操作員站。在礦井水泵遠程控制中，操作員站設置在控制區域的主控制室，一般情況下，由一臺安裝有工程師站開發的運程監控軟件的工作站、一臺用于系統展示的顯示器、鍵盤、打印機、故障報警器等設備組成。其中安裝的顯示器基本上可取代大量的常規儀表顯示，在屏幕上顯示設備的運行狀態、系統工藝流程總貌、系統過程狀態、和歷史數據等;打印機則用于打印系統生產過程產生的記錄報表、系統運行狀態信息、生產統計報表和報警信息等。每個操作員站都根據擁有的系統操作權限，對系統中的所有工作流程的畫面進行瀏覽，或者對系統進行控制。

3.現場控制單元。系統在每個水泵房設置有現場控制單元，主要含電源處理設備、核心控制器（SIMATIC S7-1200 PLC）、模擬量輸入模塊、以太網通訊模塊，為了保障系統能穩定運行，核心控制器采用冗余設計，單元內安裝有兩臺SIMATIC S7-1200 PLC.

3.2系統功能

根據礦山的實際情況，主要由現場傳感器及檢測儀表、排水系統電氣控制設備、井下可編程控制柜、監控室上位機組成，PLC自動控制系統包含排水系統全自動程序模塊，常見事故處理模塊，設備故障及報警記錄模塊（可形成報表文件），操作記錄模塊，歷史數據查詢模塊。為礦山排水系統的全自動控制和設備檢修提供便利。系統采用分布式結構。主要由信號采集及現場PLC柜構成。數據采用以太網網絡或光纖獨立進行傳輸。PLC與傳感器之間采用線性結構連接。

1.現場數據采集設備。主要包括：液位開關、液位計、交流電壓傳感器、交流電流傳感器、電動閘閥、電磁閥、壓力傳感器、、溫度傳感器等。

2.數據處理設備。現場各項數據接入可編程控制箱內，高性能PLC控制器完成數據的轉換和處理，能夠實現泵、閥門等設備的集中控制，能夠根據預設報警參數，生成報警信息。

3.數據傳輸網絡。為保證信號的可靠傳遞和防止電氣干擾對通信的影響，系統采用光纖傳輸技術實現現場控制單元（現場PLC柜）與操作員站（安裝有上位機監控軟件）、工程師站之間的數據交換。控制現場與礦調度中心之間布置有光纖，現場PLC統一采用的是西門子的S7-1200系列PLC，通過光纖與上位機通訊，系統的網絡結構層次簡單清晰，避免了異構網絡互連時必須安裝相應網關設備的問題。。

4.遠程監控設備。遠程監控設備主要由布置在監控室的工控機、顯示器、工業組態軟件、UPS等組成，實現泵、閥等設備的遠程監控與調度。

3.4系統功能

1.監測信號功能。1）實現對每臺水泵的啟停、故障等信號監測。2）實現對水倉的液位監測。3）實現每臺水泵的運行電參數監測（電流、電壓）。

2.控制功能。實現每臺水泵的自動啟停及遠程啟停控制功能，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柜上人工開啟或停止水泵。2）遠程人工啟停：在監控室對水泵進行啟停操作。3）自動控制：根據設置好的條件（如：液位高低等），自動控制水泵的啟停，參數修改可以在監控室修改設置。參數修改權限可以根據要求進行劃分設置。

3.故障自診斷功能。通過設置在現場的PLC柜將現場設備運行狀態、故障狀態、傳感器信號等傳輸到在礦調度中心操作員站上，并將這些信息與礦綜合自動化系統進行信息集成、數據分析，系統根據分析結果可準確判斷故障類型、位置并能進行圖像和語音提示。

4.實時報警及報警記錄功能。當現場水倉上位、管道壓力、風速、風壓、設備運行電流等被測參數超限、或者保護動作及設備運行狀態改變后，上位機可發出相應的語音、文字告警提示，并進行聲、光、語音報警，同時系統數據庫實時保存以上信息，為后續工作溯源提供幫助。

5.數據顯示功能。在操作員站的上位機可實時顯示設備電流電壓、水倉水池、風速、風壓的變化曲線圖，并可展示不同年、月、日等各時間段的歷史曲線和具體數據表。

6.數據統計功能。在操作員站可分別對每臺水泵、主扇的運行電耗、工作時間等進行統計，便于管理人員及時掌握每臺水泵、主扇的運行狀態。

四、結束語

研究結合對 DCS 系統的深入分析，在利用DCS系統易于維護、開發性等特點，開發一套基于DCS控制系統礦井水泵遠程控制系統，解決礦山企業井下水泵控制的難點。不僅降低了工人的勞動強度以及提高工作效率，還提高了企業生產的信息化水平。

參考文獻

[1]李雙全，賈維揚.DCS控制系統在甲醇制烯烴生產中的應用[J].中國石油和化工標準與質量，2016，36（17）：21+23.

[2]張莉. 煤礦井下主排水自控系統的設計[D].重慶大學，2012.

[3]雷瑤瑤.DCS系統在污水處理裝置自動化控制中的應用研究[J].化工設計通訊，2020，46（08）：218-219.

參? 考? 文? 獻

[1]李雙全，賈維揚.DCS控制系統在甲醇制烯烴生產中的應用[J].中國石油和化工標準與質量，2016，36（17）：21+23.

[2]張莉. 煤礦井下主排水自控系統的設計[D].重慶大學，2012.

[3]雷瑤瑤.DCS系統在污水處理裝置自動化控制中的應用研究[J].化工設計通訊，2020，46（08）：218-219.