基于PLC的礦井無人值守系統的研究與應用

呂康寧

（寧夏銀星煤業有限公司 寧夏 銀川 750408）

0 引言

目前我國煤炭智能化發展尚處于初級階段[1]，煤礦智能化是煤炭工業高質量發展的核心技術支撐。在2000 年左右，隨著通信技術、工業以太網技術等的普及及應用，在煤礦首次實現了輸送帶系統、水泵房、通風系統、等自動化控制[2]。礦井無人值守系統是踐行“少人化、無人化”理念的重要組成部分，隨著大數據、人工智能等技術的發展，煤炭工業逐步進入智能化時代[3-4]。近年來隨著科技的飛速發展，PLC（可編程控制器）已經成為實現工業自動化的關鍵[5]。PLC采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計時和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。礦井無人值守系統已引起了越來越多煤炭企業高層管理者的高度重視。本文針對銀星煤礦自動化系統現狀，研究與設計了基于PLC 的礦井無人值守系統。

1 系統總計設計

本次原則上利用已建成的工業環網及礦井綜合自動化平臺部分設備，不足部分改造擴展。改造內容包括主井皮帶機房無人值守改造、壓風系統、制氮系統無人值守改造、井下中排水控制系統無人值守改造以及接入平臺實現無人值守四個部分。著重體現軟件的展示與增值功能，反應礦井管理實際需求。綜合自動化軟件平臺的改造中，充分體現軟件管控功能和數據增值利用功能，發揮綜合自動系統的真正作用，實現無人值守，并全面滿足本安體系管理要求。自動化無人值守系統結構設計如圖1所示。

圖1 無人值守系統結構

2 各個子系統建設

2.1 主井皮帶無人值守改造

目前主井皮帶運輸系統存在操作臺投入時間較長、控制功能不完善、界面顯示內容不夠，且不支持遠程控制的問題。針對以上問題，設計一套方案。

通過操作臺連接變頻器、PLC 控制柜及綜合保護器，讀取皮帶運行信息并處理控制邏輯。另一方面提供友好的人機界面。更換后操作臺增加皮帶運行及保護狀態顯示、增加變頻器運行狀態顯示、增加遠程/就地/檢修控制切換功能，并提供以太網接口連接至調度室綜合自動化平臺。

圖2 主井皮帶無人值守結構

2.2 壓風系統改造

（1）現狀

壓風系統現使用5 臺螺桿式空氣壓縮機，壓縮機產生高壓氣體先存儲在存儲罐中然后通過管道將氣體提供給井下用氣設備，管道截止閥為DN150 手動閘閥。儲氣罐上壓力表為機械式，無溫度傳感器，儲氣罐上的壓力、溫度等信息不能實時傳輸給上位機監控，監控系統沒有連接工業環網，無法實現集中監測控制。儲氣罐底部有管徑DN20 的手動閥門，用于排出儲氣罐中的廢水等雜質。

（2）改造方案

將現有管道DN150 手動閥門，更換為電動閥門，將儲氣罐底部DN20 手動閥門更換為電動閥門，在儲氣罐上安裝壓力傳感器與溫度傳感器。現場增加一套控制柜，實現現場集控，控制箱增加模擬量模塊和以太網模塊，模擬量模塊實現氣體存儲罐壓力與溫度的實時監測，以太網模塊實現控制命令的上傳下達，實現遠程控制以及壓縮機運行實時數據的上傳功能，無縫連接至現有的工業網絡中，實現調度指揮中心遠程集中控制。實現管路閥門的集中控制，根據儲氣罐上的壓力、溫度等信息自動控制壓縮機的啟停，定期自動打開儲氣罐底部的電動閥門，排出儲氣罐中的廢水等雜質，實現無人值守?，F場增加聲光報警器，設備啟動前預警，停機提示，系統結構圖如圖3所示。

圖3 壓風系統無人值守系統結構

實現儲氣罐壓力過高時自動停止壓縮機，并自動打開儲氣罐底部的電磁閥協助卸壓。實現儲氣罐底部電磁閥的定時開關功能，將儲氣罐中的水分等雜質排出，增加用氣設備的使用壽命。系統形成后具備遠程自動控制、遠程單臺控制、就地控制模式三種模式，友好的人機界面方便操作人員操作。

2.3 制氮系統現狀以及改造方案

（1）現狀

原制氮系統共1#、2#兩套制氮機組，單個機組包含一臺冷干機和一套壓縮機，儲罐及管路公用。其中1#冷干機進氣管道有DN100 手動截止閥門，2#冷干機進氣管道沒有截至閥門，冷干機采用專用控制器，壓縮機采用小型PLC控制，兩者沒有做連鎖，操作時需要操作人員單獨操作。并且儲氣罐狀態包括壓力、溫度、流量等均沒有就地顯示，儲氣罐上有壓力、溫度、流量、傳感器，但信號沒有接入，儲氣罐上的注氮閥、放空閥為DN50手動閘閥，沒有實現集中控制。

（2）改造方案

增加一臺總控PLC 控制柜，負責將壓縮機、冷干機、制氮吸附裝置、各種儲氣罐的壓力、電動閥門整合成一個統一的系統，在各種設備之間形成邏輯控制關系。將現使用的手動系統閥和排空閥門更換為電動調節閥，由總控PLC控制閥門開度，實現氮氣注入流量的控制。更換儲氣罐上的壓力、流量、溫度、燈傳感器，增加通訊模塊實現壓縮機的數據采集，并將采集的數據映射到總控PLC 中，實現數據在總控PLC 中的統一處理使用。通過增加的總控PLC控制壓縮機的啟動停止功能。增加通訊模塊實現冷干機到總控的S7-1500系列的PLC 數據連接，根據冷干機的故障及溫度狀態及時對系統運行狀態采取措施保證系統的安全可靠。在原來的制氮吸附裝置的PLC上增加485通訊模塊將原來程序進行相應的修改，使其通過工業總線將現有的數據連接到總控PLC 中，配合PLC 中的其他數據一起形成一套完整的系統?，F場增加聲光報警器，設備啟動前預警，停機提示，系統結構圖如圖4所示。

圖4 制氮系統無人值守系統結構

2.4 井下排水系統

（1）現狀

井下水泵房排水自動化系統只改造了1#、2#、3#，4#水泵沒有自動化改造，一共由4臺PLC控制柜（內置西門子S7300系列PLC），與一臺操作臺控制，只有近控，沒有接入工業環網，無法集中監控，且自動排水系統目前已經無法正常使用。

四臺水泵射流管路電動球閥因長時間未使用，已經無法正常運行，每臺泵兩個電動球閥共8個。1#和3#吸水小井里共有兩個投入式水位計。3#水泵正壓傳感器損壞無法正常讀取數據。電機前后軸裝有溫度傳感器，都已損壞。水泵電機的開停傳感器已無法正常讀取開停信號。

（2）改造方案

全部更新為礦用隔爆型電動球閥配置智能組合式閥門控制箱，水泵進水管和排水管路上加裝4 臺負壓和4臺正壓傳感器，電機和水泵軸承座加裝8臺軸溫傳感器，水倉和明水小井加裝液位傳感器，2路排水管路加裝超聲波流量傳感器。重新設計PLC 程序，實現水泵一鍵啟動，一鍵停止，PLC柜內以太網就近接入變電所的環網交換機，實現調度室遠程監控。水倉、吸水小井水位、電機溫度、水泵溫度、排水管流量、水泵真空度等數據，同時控制主站將各種數據信息傳送到地面生產集控中心，在調度室實現水泵房的集中遠程監測監控及無人值守功能，系統結構如圖5所示。

圖5 井下排水無人值守系統結構

改造后系統具備功能：信號自動采集、排水流量的自動監測功能；根據水位值和電力峰谷時間來進行控制水泵的開停；根據水位變化、水位的變化速率判斷投入水泵的臺數；系統保護功能（電動機故障保護、水泵啟動保護、超溫保護）；自動注水、水位自動監控、閘閥電動控制、動態顯示功能；監控系統能準確顯示各個電動閘閥、水泵閥的開閘反饋控制、球閥的開關狀態及開度值（0～100%）；出現故障，監控系統及現場有報警功能。

2.5 平臺系統改造

（1）改造需求

目前該礦無自動化系統平臺，因此需要新建一套自動化平臺系統。該平臺是對所接入的系統的信息綜合，是對采集數據進行分類、處理、整合、共享，最終建立一個有效的管理系統，為領導決策提供依據。

（2）自動化平臺改造方案

系統平臺軟件擬采用B/S 架構，采用面向對象語言JAVA開發服務端程序，前臺使用VUE框架開發，后臺系統采用Spring Boot 框架開發，數據庫采用關系型Mysql。整體采用前后端分離開發方式，分為視圖層、業務邏輯層、持久化層分層架構，同時具有日志組件、權限管理等模塊。軟件開發架構如圖6所示。

圖6 軟件系統架構圖

3 改造升級后的應用情況

目前該系統經過生產測試結果表明，整套無人值守系統的技術指標已經完全達到擬定設計要求，成功地提高了礦井的自動化程度，有效地降低了生產線現場的可能的生產風險，實現了自動化無人值守目標、降低了人力成本、提高了系統自動化程度，助力煤礦安全生產標準化一級礦井建設。