基于PLC技術的黃金礦山排水系統自動控制研究與應用

高飛翔,劉金鳳,李家瑋,靳慶杰

(長春黃金研究院有限公司)

黃金礦山排水系統的正常運行可保障礦山生產的安全性并有助于提高采礦效率,排水系統的設計與運維均需要相應的專業知識與經驗,技術要求較高。傳統人工操作方式存在人員勞動強度高、操作人員個體經驗差異大等問題,進而影響排水系統的正常運行。PLC是可編程邏輯控制器的簡稱,具有高可靠性、可擴展性、易于維護與可靠的工業通信等優點,為電氣設備的自動化提供了必要的條件。采用PLC技術對黃金礦山排水系統進行自動化控制,能有效地改善黃金礦山的工作效率、減輕工作人員勞動強度,并全面提高黃金礦山的安全運行質量。

1 工程背景

某黃金礦山位于黑龍江省黑河市西部,占地面積232.6萬m2,日處理礦石3 000 t,建設2個生產系列:500 t/d(氧化礦系列)、2 500 t/d(原生礦系列)。礦區位于小興安嶺西南坡,屬低山丘陵區,最高海拔528.2 m,一般海拔460～520 m,相對高差20～50 m,地勢整體呈北高南低。

排水系統在井下礦山安全生產方面有著舉足輕重的作用,排水系統的安全穩定運行是礦山正常生產的前提。目前,中國大部分黃金礦山的排水系統均采用手動與半自動化控制相結合的方式,自動化排水程度較低,尤其是井下區域,排水速度慢,不僅對工作人員安全造成威脅,還會增加生產成本。結合當前黃金礦井情況構建的基于PLC技術的排水自動控制系統,解決了上述排水速度慢、自動化程度不夠高等問題[1]。

2 PLC技術

PLC技術具有高速的分析能力、計算能力以及高精確度的信息采集能力,在黃金礦山排水系統的高效管理與精準控制方面發揮了重要作用。通過調整設置,PLC能夠接收現場檢測設備(液位計、流量計、溫度傳感器和壓力變送器等)的信號并進行運算分析,以供PLC做出遠程自動控制指令輸出或供操作人員對泵類設備進行遠程手動操作,進而提高黃金礦山井下排水效率。

PLC技術作為一種成熟的、集成的信息技術,因其強大的控制功能在礦山企業中應用廣泛,PLC技術擁有特定的檢測功能,在黃金礦山中對其進行應用,可以全面監控現場各個區域的設備與儀表運行情況,工作人員通過控制系統可發布命令對礦山信息進行分類和收集。經過整合收集到的各項現場數據,工作人員可以了解到現場工作情況,從而對相關工作進行進一步規劃。

PLC技術還擁有強大的執行能力,使用者按照自身需求發布命令,在特定位置進行掃描,被分析區域的信息會通過客戶端返回相應的數據[2]。PLC技術強大的邏輯分析能力和計算能力,能夠為企業規劃工作提供參考。同時,在現代信息技術高速發展的背景下,PLC系統已經與現代信息系統相互融合,這樣結合使用會形成一個全新的自動化工作平臺,用戶從系統收到指令后,可以對礦山中各區域運行狀態進行分析,結合分析結果完成邏輯操作;在監控與分析過程中,還能夠對礦山現場的各項數據進行記錄,所記錄的數據足夠真實和準確;邏輯操作結束后,會將其記錄的信息發送至主機,在系統終端,主機系統在收到對應數據后會發布相應的命令。

3 PLC技術在黃金礦山排水系統自動控制中的研究與應用

3.1 系統結構設計

黃金礦山PLC排水自動控制系統主要由集中監控系統、低壓柜、PLC控制柜、以太網網絡系統、機旁操作箱、現場檢測設備等組成,實現設備的遠程自動控制,以及對水位、壓力、流量、重點設備溫度等相關參數數據的全面實時采集和分析處理。本系統控制方式有本地控制和遠程控制2種方式。遠程控制方式包含遠程手動控制與遠程自動控制,2種方式可任意進行切換,通常會結合蓄水池高度和水泵溫度作為衡量條件,受現場環境影響,還會考慮開關柜狀態、電動機溫度等因素。在系統自動化運行時,需要有專門人員對該系統進行24 h監管,以免系統在運行中發生故障時,沒有對其進行實時調控[3]。

為保障排水可進行自動控制,需要設置液位計、流量計、溫度傳感器、壓力變送器、電動閥門等儀表設備,量程結合工況條件選擇,4～20 mA為儀表運行時的標準信號輸出形態。為了對水位后備進行保護,還需要加裝浮球開關對其進行控制,當蓄水池水位低于1.5 m或浮球開關處于低位時,水泵啟動回路會轉換成鎖定狀態,水位低位的信號燈會發出閃爍提醒。如果自動排水系統正處于運行狀態,PLC模塊會根據低水位信號情況自動進行停泵處理,不會再次發出聲光警報。

3.2 網絡結構設計

黃金礦山PLC排水自動控制系統網絡(見圖1)由遠程監控網絡和現場監控網絡2部分構成。遠程監控網絡基于工業以太網,實現工程師和操作人員對礦山排水系統的遠程訪問和管理。控制系統采用西門子S7-300系列的PLC,采用西門子S7-300系列中專門用于以太網通信的CP343-1通信處理模塊,避免了異構網絡安裝復雜的問題,實現與以太網設備的數據交換和遠程通信;采用以太網和光纖傳輸技術,避免電氣、磁場等因素影響通訊信號的精確度。現場監控網絡中控制設備和參數相對多,常規的配線方法可靠性差、維修難度大,采用現場總線技術可以實現設備層和控制層之間高效、可靠的數據傳送,提高控制系統的可靠性和管理效率。采用Profibus-DP協議與西門子ET200 M的分布式I/O接口,在現場總線網中可以實現快速、小數量級的循環通信。

圖1 黃金礦山排水自動控制系統網絡架構

排水報警監測系統是排水系統PLC自動控制的一個重要組成部分,由井下電視監測和通信組成,具有獨立的功能,適用于不同的礦山環境。通過建立獨立的通信系統和監測系統,可以避免二者之間的相互干擾,采用光纜通信技術不僅可以降低通訊信號傳輸過程中的干擾,還提供了高帶寬和遠距離傳輸的能力,以滿足排水預警監測系統中大量數據的傳輸需求。為了使光纖信號的傳遞更加方便,首先使用光端機對電子信號進行加工,將電子信號轉化為光學信號,由井下的光端機將數據和語音數據分離,安裝在排水井或管道中的井下儀器通過傳送接口將實時采集的排水相關數據傳送到分線箱,利用通信系統的語音傳輸功能將語音信號傳送到相應的電話終端。

3.3 系統功能的實現

將PLC技術引入到黃金礦山排水自動控制系統中可以有效改善企業的生產質量,提高生產效率。排水系統具有2種工作模式,一種是半自動工作模式,另外一種是全自動工作模式。半自動工作模式對技術人員有一定的要求,需要工作人員全程對控制顯示臺進行監督,以便于控制水泵、閥門,當礦井內部水位過低時,可以對系統進行關停處理。全自動工作模式是一種完全由PLC控制的方法,自動控制系統會自動對黃金礦山的水位進行控制,實現自動啟停水泵、閥門。在全自動控制系統中,當水位突然增加時,可以通過抽水等方法進行控制,防止因井水過量而發生安全事故。礦山排水系統運行畫面見圖2。

圖2 黃金礦山PLC排水自動控制系統運行畫面

黃金礦山因地質條件的復雜性和特殊性,其涌水具有不可控性和不可預測性,極易發生事故,因此,防止黃金礦山發生涌水,對黃金礦山的安全生產至關重要。在黃金礦山的排水系統中設置了涌水探測設備,能夠及時監測到涌水等突發事件,監控信號將傳送給控制中心,能夠快速響應緊急情況,必要時迅速啟動安全聯鎖保護措施;此外,在黃金礦山排水管道等條件允許的情況下,可以同時啟動多臺水泵以增加排水能力,確保在最短時間內將涌水排出,保障系統的安全并有效減少黃金礦山的經濟損失。

PLC排水自動控制系統在黃金礦山排水中發揮了重要作用,不僅能對礦井內水位進行全面控制,同時能夠實時監控礦井內各區域狀態。當水位過高時,主控系統會根據判斷自行進行吸水處理,當系統內部各器件溫度過高時,主控系統會自動進行斷閘處置,提高了系統運行的安全性,對工作人員安全也形成了保障。水泵開關啟動后,系統處于運行狀態時,對流量能進行實時全面監測,如果流量始終達不到正常值,系統會自動發出報警提醒,超過設定時間后還會自動停泵。同時,對壓力異常等狀況也可進行自動判斷,當排水壓力過大,超過系統負載時,吸水真空度會出現異常,系統自動識別后會發出報警提醒,排水壓力與真空壓力達不到系統設定值時會自動停泵。礦井內水位會出現超限的現象,水位傳感器接收到信息后會進行故障報警處理。在系統設計上,須結合礦井蓄水池深度設置對應閾值,以便于在水位過高時發出自動警報。受到外部環境影響,水位會出現突變或者排水系統因受到影響出現異常。當水位增長速度與正常系統運行狀態相差較多時,系統會發出報警。除此之外,泵房排水流量與礦井涌水總量差值始終應小于水位下降速度,如果數據經計算后發現異常,系統會進行自動報警處理。

黃金礦山PLC排水自動控制系統在控制礦井內部水位上具有明顯優勢,與傳統的機電技術相比具有更高的利用價值和利用空間。黃金礦山PLC排水自動控制系統可以按照礦井內水位情況對排水系統自動進行設備啟停處理,同時能夠按照工程規定要求,對系統設備啟動順序進行調整,在不同工況下對系統進行不同的控制操作。為保障該系統正常運行,需要確保其電力系統供電穩定性,同時還須按照系統累計時間,對相應裝置進行檢修。

3.4 應用效果

采用基于PLC技術的黃金礦山排水自動控制系統實現了如下功能:

1)具有半自動和全自動工作模式,通過自動啟停水泵、閥門等實現水位的自動控制,進而防止因井水過量而發生安全事故。

2)通過設置全面的涌水探測設備與監控設備,及時監測區域狀態與突發事件,并迅速啟動安全聯鎖保護措施。

3)通過對設備狀態的監測,及時對設備進行故障排除與維護,延長設備的運行時間;排水系統的自動運行,降低了人員工作強度與人工操作帶來的差錯。

4 結 語

黃金礦山排水系統在黃金礦山生產中扮演著重要的角色,并對保證生產安全起到關鍵作用,通常由水泵、排水管道、吸水管、閥門與控制設備等組成,其常規的工作模式存在效率低、能耗大、故障率高等問題,很難滿足目前黃金礦山生產的需要。黃金礦山PLC排水自動控制系統在礦山排水系統中的應用,不僅為礦山企業創造了巨大的利潤空間,同時全面自動化的管理還提高了工作效率;企業自動化系統的應用,對人員的需求量降低,成本進一步得到縮減。黃金礦山PLC排水自動控制系統的自動化調控可對黃金礦山的各個設備進行實時監測,使設備達到最佳的運行狀態,提高礦山排水系統的性能,使工人生產安全和礦井工作安全進一步得到了保障,對黃金礦山的生產安全起到了很大的作用。