煤礦智能分布式電鍍監(jiān)控控制系統(tǒng)

杜 震，劉 堯，李 偉，岳建忠，王 福

(府谷能源投資集團(tuán)沙溝岔礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719315)

0 引言

隨著煤礦開(kāi)采深度的增加，井下高溫潮濕的環(huán)境極易導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備的銹蝕，進(jìn)而影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，危害井下安全生產(chǎn)[1-3]。傳統(tǒng)電鍍控制器由于點(diǎn)數(shù)的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)更復(fù)雜系統(tǒng)的控制，而使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和PLC技術(shù)可以很好地解決此類問(wèn)題。

目前，由于傳統(tǒng)電鍍控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)井下大規(guī)模機(jī)電設(shè)備的防銹蝕處理，從國(guó)外引進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化儀表行業(yè)技術(shù)，并且通過(guò)合作組裝和生產(chǎn)的分布式控制系統(tǒng)，也逐步向本地化發(fā)展[4-6]。分布式控制系統(tǒng)擴(kuò)展其功能，使用局域網(wǎng)技術(shù)在多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行分配計(jì)算機(jī)的處理功能，容易維修和維護(hù)，性價(jià)比較低，并配置有實(shí)用軟件。全面的控制算法使用戶可以輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制應(yīng)用程序，從而不再需要對(duì)每個(gè)應(yīng)用程序系統(tǒng)進(jìn)行編程。開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)功能可以輕松地有機(jī)連接到管理網(wǎng)絡(luò)的每一層，并形成一個(gè)綜合的集成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制[7-9]。電鍍工件質(zhì)量的好壞會(huì)受到電解質(zhì)配方和工作溫度的影響，也受到電解質(zhì)濃度、密度和電鍍時(shí)間的制約[10-12]。為了應(yīng)對(duì)井下大規(guī)模機(jī)械設(shè)備的電鍍需求，確保電鍍質(zhì)量，就需要調(diào)整所使用的控制技術(shù)。因此，亟需研發(fā)一整套煤礦智能分布式電鍍控制系統(tǒng)，對(duì)井下大型設(shè)備進(jìn)行電鍍防腐處理。為此，分析可編程邏輯控制(PLC)技術(shù)電鍍生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，然后設(shè)計(jì)基于PLC的煤礦智能分布式電鍍控制系統(tǒng)，以期為煤礦大型機(jī)械設(shè)備的防銹蝕處理提供技術(shù)支持。

1 煤礦智能分布式電鍍控制系統(tǒng)概述

煤炭行業(yè)正在向現(xiàn)代化生產(chǎn)和信息管理邁進(jìn)，建立完善的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡(luò)化，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)為主控中心，以圖形界面的形式建立用戶交互窗口。工業(yè)控制系統(tǒng)通常采用微軟提供的MFC作為計(jì)算機(jī)平臺(tái)上的開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)和傳感器技術(shù)采集數(shù)據(jù)，采用計(jì)算機(jī)通信協(xié)議控制信息的傳輸。無(wú)線傳感器采用傳感器技術(shù)，計(jì)算機(jī)通信采用信息傳輸技術(shù)，主控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，各種技術(shù)的結(jié)合構(gòu)成了煤礦安全監(jiān)控的關(guān)鍵技術(shù)。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)和傳感器節(jié)點(diǎn)類似，由3個(gè)模塊組成。一是中央控制系統(tǒng)包括主控計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和主控應(yīng)用程序；二是通信模塊包括數(shù)據(jù)傳輸裝置和連接電纜；三是傳感器終端節(jié)點(diǎn)和設(shè)備。煤礦安全監(jiān)測(cè)的工作是監(jiān)測(cè)瓦斯、風(fēng)量等關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)指標(biāo)，在超過(guò)警戒線時(shí)的基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)是否在正常范圍內(nèi)，用中心控制系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為指導(dǎo)生產(chǎn)部門提供參考，并對(duì)不良狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警，達(dá)到防患于未然的效果。安全監(jiān)控系統(tǒng)在礦井部署有各種自動(dòng)報(bào)警裝置和電源開(kāi)關(guān)，能夠有效應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，盡可能減少和預(yù)防災(zāi)害，為安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

電鍍生產(chǎn)過(guò)程按處理過(guò)程可分為電鍍前處理、電鍍工藝和電鍍后處理3大部分。車間內(nèi)的生產(chǎn)狀況可分為多條生產(chǎn)線。根據(jù)涂層類型的不同，每條生產(chǎn)線的處理工藝也不同，包括清洗、回收、發(fā)光、鈍化、抗變色、涂膜處理等。根據(jù)生產(chǎn)的具體要求結(jié)合上述相關(guān)內(nèi)容，本文主要采用基于PLC的分布式監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。PLC和DCS都有其明顯的優(yōu)缺點(diǎn)。如果將PLC和DCS的性能從弱到強(qiáng)分為1到10級(jí)，其比較結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 PLC與DCS的比較Table 1 Comparison between PLC and DCS

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制要求

系統(tǒng)需監(jiān)控水泵、提升機(jī)、局扇、主扇、帶式輸送機(jī)、采煤機(jī)、開(kāi)關(guān)、磁力啟動(dòng)器等主要生產(chǎn)參數(shù)的運(yùn)行狀態(tài)及重要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的波動(dòng)。在計(jì)算機(jī)圖形界面窗口中進(jìn)行功能測(cè)量，具有測(cè)量參數(shù)的采集顯示、數(shù)據(jù)報(bào)表的分析、報(bào)表的圖像曲線顯示、數(shù)據(jù)庫(kù)生成、預(yù)警信息統(tǒng)計(jì)和報(bào)表生成、報(bào)表輸出等功能。其中一些主機(jī)可以實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)連接互聯(lián)網(wǎng)，利用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)與中心站之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢索。數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化是將移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)定期發(fā)送到固定傳感器節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)固定節(jié)點(diǎn)組成的骨干網(wǎng)絡(luò)傳送到地面監(jiān)控中心。控制自動(dòng)化是當(dāng)檢測(cè)到緊急情況時(shí)，可以通過(guò)某種方式自動(dòng)進(jìn)行緊急處理；例如氣體超標(biāo)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并自動(dòng)開(kāi)啟通風(fēng)設(shè)備或關(guān)閉電源，停止生產(chǎn)，直至氣體體積分?jǐn)?shù)降至安全值。地面監(jiān)控中心需要了解所有重要的安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以便了解礦井下的安全生產(chǎn)情況，信息發(fā)布自動(dòng)化的要求就是將井下采集的數(shù)據(jù)能夠安全、可靠、及時(shí)地以簡(jiǎn)單快捷的方式傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，從而可以根據(jù)這些信息做出相應(yīng)的管理決策。

2.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

考慮到上述要求，總體方案設(shè)計(jì)時(shí)需合理利用無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)睡眠、更新和激活3種工作狀態(tài)。在睡眠狀態(tài)下，無(wú)線收發(fā)器處于睡眠狀態(tài)，控制器和參數(shù)內(nèi)容檢測(cè)器周期性地連接到電源，以檢測(cè)可能的緊急情況。在狀態(tài)更新中，控制器和無(wú)線收發(fā)器打開(kāi)，參數(shù)內(nèi)容檢測(cè)器周期性地切換到電源模式。在激活模式下，無(wú)線電收發(fā)器、參數(shù)內(nèi)容檢測(cè)器和控制器都處于打開(kāi)狀態(tài)。此時(shí)，傳感器一方面輸出采樣數(shù)據(jù)，另一方面使用無(wú)線收發(fā)器接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)煤礦井下大型機(jī)電設(shè)備的研究，傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信息從內(nèi)部傳輸?shù)皆O(shè)備表面，然后通過(guò)巷道口的節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)降孛娴耐ㄐ藕凸芾碓O(shè)備。這種結(jié)構(gòu)使得這套智能監(jiān)控控制在煤礦中的應(yīng)用具有不同于一般應(yīng)用的特點(diǎn)。由于礦井是一個(gè)無(wú)法到達(dá)的區(qū)域，一旦部署了傳感器節(jié)點(diǎn)，將很難獲得能量供應(yīng)，所以要優(yōu)先延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。應(yīng)采用多路徑機(jī)制來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目沙掷m(xù)性。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊通過(guò)表格、條形圖、折線圖等直觀方式呈現(xiàn)井下傳感器從數(shù)據(jù)庫(kù)中采集的信息，并顯示當(dāng)前時(shí)刻的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和最近一段時(shí)間的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，以便管理人員及時(shí)解決生產(chǎn)情況。

2.3 可靠性設(shè)計(jì)

2.3.1 電磁兼容性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在環(huán)境條件相對(duì)惡劣的工業(yè)場(chǎng)所工作，并直接連接到測(cè)試設(shè)備和受控對(duì)象，因此現(xiàn)場(chǎng)各種電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行影響很大，甚至?xí)鸸收希斐蓢?yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。為了使控制器穩(wěn)定工作并提高控制系統(tǒng)的可靠性，在設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)以消除各種電磁噪聲時(shí)采取一些適當(dāng)?shù)目垢蓴_措施非常重要。電磁兼容性(EMC)和抑制電子系統(tǒng)干擾的能力極大地決定了系統(tǒng)的可靠性。電磁兼容性意味著該設(shè)備可以在其電磁環(huán)境中正常運(yùn)行，并且不會(huì)對(duì)附近的其他設(shè)備造成無(wú)法承受的電磁干擾。抑制電子系統(tǒng)干擾的能力是指該產(chǎn)品對(duì)其他產(chǎn)品的電磁干擾的抵抗力，也稱為抗干擾。構(gòu)成電磁干擾的3個(gè)元素是干擾源、傳輸路徑和接收器。干擾的來(lái)源與有害電磁信號(hào)(即干擾信號(hào)或噪聲)的發(fā)送者有關(guān)。傳輸路徑是指電磁信號(hào)的傳輸路徑，主要有輻射和傳導(dǎo)2種。接收器是接收電磁信號(hào)的電路。

2.3.2 接地設(shè)計(jì)

電氣設(shè)備與地面之間的電連接可以理解為等電位點(diǎn)或等面積，即電路或系統(tǒng)的參考電位。除電氣安全外，接地的目的是消除每個(gè)電路的電流流過(guò)公共接地阻抗時(shí)產(chǎn)生的噪聲電壓，并避免磁場(chǎng)和電勢(shì)差的影響，從而避免接地環(huán)路。地面設(shè)計(jì)的質(zhì)量會(huì)影響PLC噪聲抑制的效果。通常，系統(tǒng)的信號(hào)環(huán)路應(yīng)接地到單點(diǎn)，而不是多點(diǎn)接地，以避免接地電平差異的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

煤礦智能分布式電鍍監(jiān)控控制系統(tǒng)的基本要求是可靠性強(qiáng)，而提高系統(tǒng)可靠性需多種方法并用，相互完善、相互補(bǔ)充。PLC作為一種工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，操作方便，而且還具有很高的可靠性和抗干擾性，得到廣泛使用。通過(guò)對(duì)電鍍行業(yè)的基本生產(chǎn)狀況進(jìn)行分析，結(jié)合傳統(tǒng)電鍍和現(xiàn)代電鍍的發(fā)展?fàn)顩r，經(jīng)過(guò)分析比較，最好采用PLC改造生產(chǎn)線，最終提高整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性。