防爆電磁流量計遠(yuǎn)程自動化控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用
點擊次數(shù)：1929 發(fā)布時間：2021-01-01 12:15:58
摘要：我國煤礦多為井工開采，巷道掘進(jìn)過程中使用大量的氣動設(shè)備，防爆電磁流量計擔(dān)負(fù)著礦井的壓縮空氣的生產(chǎn)任務(wù)，為風(fēng)鎬、風(fēng)鉆以及其它工具提供動能。傳統(tǒng)的單臺獨立控制、人工開停機(jī)的操作工藝，已經(jīng)很難保證壓縮空氣的供氣質(zhì)量，也不利于對電磁流量計的維護(hù)管理，為解決該問題，本文設(shè)計了基于PLC技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、光纖通訊技術(shù)的電磁流量計實現(xiàn)集中控制，通過采集處理電機(jī)電流、電壓信號，溫度、壓力信號，實現(xiàn)電磁流量計各種保護(hù)、報警、監(jiān)控功能、風(fēng)機(jī)的自動投入與退出。經(jīng)過在貴州能發(fā)高山礦業(yè)有限公司實施，提高了礦井壓風(fēng)系統(tǒng)的自動化程度，提高了防爆電磁流量計運行的安全性、可靠性，提高了安全生產(chǎn)和管理水平，實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制、實現(xiàn)無人值守，降低了工人勞動強(qiáng)度，大大提高了該礦電磁流量計工效及生產(chǎn)管理水平。
1 系統(tǒng)改造目標(biāo)
為響應(yīng)機(jī)械化換人、自動化減人，科技強(qiáng)安戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)，貴州豫能擬在貴州能發(fā)高山礦業(yè)有限公司實施防爆電磁流量計控制系統(tǒng)自動化改造，預(yù)期達(dá)到下述目標(biāo)：
1）對電磁流量計實施科學(xué)管理；
2）提高電磁流量計控制系統(tǒng)安全性、準(zhǔn)確性、可靠性；
3）提高高山煤礦電磁流量計控制系統(tǒng)自動化程度；
4）協(xié)調(diào)生產(chǎn)系統(tǒng)中各系統(tǒng)之間的關(guān)系，提高機(jī)械和電氣設(shè)備的利用率，實現(xiàn)無人值守，提高安全生產(chǎn)和管理水平。
2 系統(tǒng)改造前現(xiàn)狀
貴州能發(fā)高山礦業(yè)有限公司電磁流量計房有3臺空壓機(jī)，3個風(fēng)包，兩趟入井管路，電磁流量計電機(jī)額定電壓等級0.66kV。目前電磁流量計系統(tǒng)安裝有簡易在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過現(xiàn)場面板能夠簡單查詢風(fēng)機(jī)狀態(tài)，但是采集傳感器安全不全面，無法對電機(jī)溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，當(dāng)前系統(tǒng)的啟停主要靠人工的操作。迫切需要進(jìn)行自動化改造，提高壓風(fēng)系統(tǒng)自動化程度，提高系統(tǒng)效率。
3 系統(tǒng)方案設(shè)計與實施
防爆電磁流量計自動化系統(tǒng)主要由以下兩部分組成。
1）上位機(jī)
上位機(jī)設(shè)置在集中控制中心，主要包括控制計算機(jī)、顯示器、語音報警裝置及控制軟件等。
2）電磁流量計房監(jiān)控單元
主要由PLC控制柜、電動閥門、傳感器等組成，為了實現(xiàn)空壓機(jī)房的無人值守及遠(yuǎn)程自動化控制。經(jīng)過充分的分析，本次PLC控制柜內(nèi)的主站控制器選用西門子s7-1200系列PLC來保證系統(tǒng)可靠性，風(fēng)機(jī)及管路上的閥門全部更換為電動閥門，現(xiàn)場加配傳感器實時采集現(xiàn)場物理量信號，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號傳送給CPU。
本系統(tǒng)現(xiàn)場使用的傳感器較多，如壓力、溫度等等。為減少傳輸誤差，提高檢測精度，均選用帶變送器，性能可靠，壽命長，輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號4-20mA的傳感器，直接采集現(xiàn)場信號，以進(jìn)一步提高整套系統(tǒng)的可靠性。同時現(xiàn)場安裝海康攝像儀實現(xiàn)視頻實時采集。具體如下：
1）現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)選用西門子S7-系列可編程序控制器作為監(jiān)控核心?？删幊绦蚩刂破髂苓m應(yīng)各種惡劣現(xiàn)場條件，現(xiàn)場抗干擾能力強(qiáng)的特點，且安裝維護(hù)方便，其模塊化結(jié)構(gòu)，配置相應(yīng)的通訊接口與各防爆電磁流量計控制器通訊；與上位計算機(jī)進(jìn)行通訊可以采用Profibus或工業(yè)以太網(wǎng)；系統(tǒng)配置合理，技術(shù)可行，完全可以滿足現(xiàn)場使用要求。
2）在儲氣罐上加裝壓力變送器、溫度傳感器，實現(xiàn)風(fēng)包壓力、風(fēng)包溫度的實時采集。
3）在輸氣管道上安裝流量傳感器、溫度傳感器、壓力變送器實現(xiàn)實現(xiàn)排氣管路流量、溫度、壓力監(jiān)測。
4）在電機(jī)配電設(shè)施上加裝電流變送器、電壓變送器實現(xiàn)電機(jī)電流、電壓等參數(shù)監(jiān)測。
5）現(xiàn)場增加2臺500萬像素高速球型攝像儀，具備定點巡航、巡航軌跡設(shè)定等功能，實現(xiàn)電磁流量計房內(nèi)外的視頻實時采集，保證在無人值守時，防止人員惡意破壞系統(tǒng)，索采集的圖像通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸及錄像存儲，存儲時間不少于二個月，滿足事故追溯要求。
6）防爆電磁流量計及管道的閥門改成電動閥門，遠(yuǎn)程控制時通過上位機(jī)或系統(tǒng)自動打開、關(guān)閉閥門，實現(xiàn)系統(tǒng)自動恒壓供風(fēng)。
7）現(xiàn)場配置的PLC控制柜，還配置有觸摸屏顯示屏，用于現(xiàn)場顯示工況等，滿足現(xiàn)場檢修需求，PLC的I/O接口預(yù)留20%以上的備用量，滿足系統(tǒng)擴(kuò)容及維修需求。
8）儲氣罐（風(fēng)包）放水閥門改為自動閥門，確保系統(tǒng)能夠根據(jù)需要實現(xiàn)定時排污。
4 系統(tǒng)功能
1）能夠自動采集、顯示電磁流量計的各種運行參數(shù)，控制電磁流量計運行。
2）能夠根據(jù)檢測到的信號判斷電磁流量計的工作情況，故障時能及時發(fā)出報警信號，并根據(jù)故障類型停止防爆電磁流量計。
3）有啟動功能、停止功能、正常停車功能、故障停車功能、緊急停車功能、預(yù)告功能、保護(hù)及故障報警功能。
4）系統(tǒng)通過PLC及控制網(wǎng)絡(luò)可方便地采集現(xiàn)場設(shè)備開/停及故障狀態(tài)、電機(jī)電流等實時數(shù)據(jù)。
5）具有多種控制方式
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下集中方式下：PLC自動集控方式：在該模式下PLC根據(jù)設(shè)定的工作時間和工作壓力值、總管當(dāng)前實時壓力值，自動判斷當(dāng)前投入/切除系統(tǒng)中的電磁流量計臺數(shù)，經(jīng)特定的運算處理，以便對運行中的防爆電磁流量計進(jìn)行加載或者卸荷或切除系統(tǒng)、投入系統(tǒng)工作。
遠(yuǎn)程控制方式：在該模式下，通過上位計算機(jī)的操作來在控制各電磁流量計系統(tǒng)的運行。系統(tǒng)對操作員有權(quán)限管理，有一定的權(quán)限的操作員才可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。
6）實現(xiàn)自動恒壓供風(fēng)
當(dāng)系統(tǒng)在自動集控工作方式時，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的供氣壓力值，自動控制卸荷或加載。當(dāng)壓力值當(dāng)風(fēng)壓達(dá)到設(shè)定值時，自動停機(jī)（卸荷）；風(fēng)壓降到低值時，自動啟動或關(guān)閉卸荷閥。
7）安全可靠地報警保護(hù)
每臺防爆電磁流量計均可具有：出氣壓力超限保護(hù)、出氣超溫保護(hù)、吸氣阻力過大保護(hù)、潤滑油超溫保護(hù)、潤滑油量不足保護(hù)、主電機(jī)超載保護(hù)等功能。
8）無人值守
實現(xiàn)多臺電磁流量計按程序執(zhí)行啟動/停止電磁流量計操作，并控制相關(guān)的水泵閥門等，實現(xiàn)全自動化運行，無人值守。全自動運行方式下，系統(tǒng)可以按現(xiàn)場需要自動啟停一臺或多臺電磁流量計，完成電磁流量計的自動加卸載控制，實現(xiàn)防爆電磁流量計及冷卻水泵自動輪轉(zhuǎn)功能。
9）存檔功能
能夠?qū)F(xiàn)場運行信息存入數(shù)據(jù)庫，以便于**進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢。
10）曲線功能
可繪制各種模擬量參數(shù)的實時曲線及歷史曲線。
11)管理功能
監(jiān)控軟件具有設(shè)備參數(shù)、運行、檢修和維護(hù)的管理功能。
5 結(jié)語
通過對貴州能發(fā)高山礦業(yè)有限公司電磁流量計房的自動化改造，改變了原來系統(tǒng)單臺獨立控制、人工開停機(jī)的現(xiàn)狀，通過PLC控制器實時采集、傳輸系統(tǒng)運行工況并在上位機(jī)實時顯示，同時系統(tǒng)根據(jù)采集的實時數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)變化趨勢進(jìn)行預(yù)警與報警，提高了防爆電磁流量計組的運行效率，降低了工人勞動強(qiáng)度，通過恒壓供風(fēng)策略保證了壓縮空氣的供氣質(zhì)量，對電磁流量計的維護(hù)管理有了更科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐，保證了開拓進(jìn)度，達(dá)到系統(tǒng)改造預(yù)期目標(biāo)。
1 系統(tǒng)改造目標(biāo)
為響應(yīng)機(jī)械化換人、自動化減人，科技強(qiáng)安戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)，貴州豫能擬在貴州能發(fā)高山礦業(yè)有限公司實施防爆電磁流量計控制系統(tǒng)自動化改造，預(yù)期達(dá)到下述目標(biāo)：
1）對電磁流量計實施科學(xué)管理；
2）提高電磁流量計控制系統(tǒng)安全性、準(zhǔn)確性、可靠性；
3）提高高山煤礦電磁流量計控制系統(tǒng)自動化程度；
4）協(xié)調(diào)生產(chǎn)系統(tǒng)中各系統(tǒng)之間的關(guān)系，提高機(jī)械和電氣設(shè)備的利用率，實現(xiàn)無人值守，提高安全生產(chǎn)和管理水平。
2 系統(tǒng)改造前現(xiàn)狀
貴州能發(fā)高山礦業(yè)有限公司電磁流量計房有3臺空壓機(jī)，3個風(fēng)包，兩趟入井管路，電磁流量計電機(jī)額定電壓等級0.66kV。目前電磁流量計系統(tǒng)安裝有簡易在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過現(xiàn)場面板能夠簡單查詢風(fēng)機(jī)狀態(tài)，但是采集傳感器安全不全面，無法對電機(jī)溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，當(dāng)前系統(tǒng)的啟停主要靠人工的操作。迫切需要進(jìn)行自動化改造，提高壓風(fēng)系統(tǒng)自動化程度，提高系統(tǒng)效率。
3 系統(tǒng)方案設(shè)計與實施
防爆電磁流量計自動化系統(tǒng)主要由以下兩部分組成。
1）上位機(jī)
上位機(jī)設(shè)置在集中控制中心，主要包括控制計算機(jī)、顯示器、語音報警裝置及控制軟件等。
2）電磁流量計房監(jiān)控單元
主要由PLC控制柜、電動閥門、傳感器等組成，為了實現(xiàn)空壓機(jī)房的無人值守及遠(yuǎn)程自動化控制。經(jīng)過充分的分析，本次PLC控制柜內(nèi)的主站控制器選用西門子s7-1200系列PLC來保證系統(tǒng)可靠性，風(fēng)機(jī)及管路上的閥門全部更換為電動閥門，現(xiàn)場加配傳感器實時采集現(xiàn)場物理量信號，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號傳送給CPU。
本系統(tǒng)現(xiàn)場使用的傳感器較多，如壓力、溫度等等。為減少傳輸誤差，提高檢測精度，均選用帶變送器，性能可靠，壽命長，輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號4-20mA的傳感器，直接采集現(xiàn)場信號，以進(jìn)一步提高整套系統(tǒng)的可靠性。同時現(xiàn)場安裝海康攝像儀實現(xiàn)視頻實時采集。具體如下：
1）現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)選用西門子S7-系列可編程序控制器作為監(jiān)控核心?？删幊绦蚩刂破髂苓m應(yīng)各種惡劣現(xiàn)場條件，現(xiàn)場抗干擾能力強(qiáng)的特點，且安裝維護(hù)方便，其模塊化結(jié)構(gòu)，配置相應(yīng)的通訊接口與各防爆電磁流量計控制器通訊；與上位計算機(jī)進(jìn)行通訊可以采用Profibus或工業(yè)以太網(wǎng)；系統(tǒng)配置合理，技術(shù)可行，完全可以滿足現(xiàn)場使用要求。
2）在儲氣罐上加裝壓力變送器、溫度傳感器，實現(xiàn)風(fēng)包壓力、風(fēng)包溫度的實時采集。
3）在輸氣管道上安裝流量傳感器、溫度傳感器、壓力變送器實現(xiàn)實現(xiàn)排氣管路流量、溫度、壓力監(jiān)測。
4）在電機(jī)配電設(shè)施上加裝電流變送器、電壓變送器實現(xiàn)電機(jī)電流、電壓等參數(shù)監(jiān)測。
5）現(xiàn)場增加2臺500萬像素高速球型攝像儀，具備定點巡航、巡航軌跡設(shè)定等功能，實現(xiàn)電磁流量計房內(nèi)外的視頻實時采集，保證在無人值守時，防止人員惡意破壞系統(tǒng)，索采集的圖像通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸及錄像存儲，存儲時間不少于二個月，滿足事故追溯要求。
6）防爆電磁流量計及管道的閥門改成電動閥門，遠(yuǎn)程控制時通過上位機(jī)或系統(tǒng)自動打開、關(guān)閉閥門，實現(xiàn)系統(tǒng)自動恒壓供風(fēng)。
7）現(xiàn)場配置的PLC控制柜，還配置有觸摸屏顯示屏，用于現(xiàn)場顯示工況等，滿足現(xiàn)場檢修需求，PLC的I/O接口預(yù)留20%以上的備用量，滿足系統(tǒng)擴(kuò)容及維修需求。
8）儲氣罐（風(fēng)包）放水閥門改為自動閥門，確保系統(tǒng)能夠根據(jù)需要實現(xiàn)定時排污。
4 系統(tǒng)功能
1）能夠自動采集、顯示電磁流量計的各種運行參數(shù)，控制電磁流量計運行。
2）能夠根據(jù)檢測到的信號判斷電磁流量計的工作情況，故障時能及時發(fā)出報警信號，并根據(jù)故障類型停止防爆電磁流量計。
3）有啟動功能、停止功能、正常停車功能、故障停車功能、緊急停車功能、預(yù)告功能、保護(hù)及故障報警功能。
4）系統(tǒng)通過PLC及控制網(wǎng)絡(luò)可方便地采集現(xiàn)場設(shè)備開/停及故障狀態(tài)、電機(jī)電流等實時數(shù)據(jù)。
5）具有多種控制方式
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下集中方式下：PLC自動集控方式：在該模式下PLC根據(jù)設(shè)定的工作時間和工作壓力值、總管當(dāng)前實時壓力值，自動判斷當(dāng)前投入/切除系統(tǒng)中的電磁流量計臺數(shù)，經(jīng)特定的運算處理，以便對運行中的防爆電磁流量計進(jìn)行加載或者卸荷或切除系統(tǒng)、投入系統(tǒng)工作。
遠(yuǎn)程控制方式：在該模式下，通過上位計算機(jī)的操作來在控制各電磁流量計系統(tǒng)的運行。系統(tǒng)對操作員有權(quán)限管理，有一定的權(quán)限的操作員才可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。
6）實現(xiàn)自動恒壓供風(fēng)
當(dāng)系統(tǒng)在自動集控工作方式時，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的供氣壓力值，自動控制卸荷或加載。當(dāng)壓力值當(dāng)風(fēng)壓達(dá)到設(shè)定值時，自動停機(jī)（卸荷）；風(fēng)壓降到低值時，自動啟動或關(guān)閉卸荷閥。
7）安全可靠地報警保護(hù)
每臺防爆電磁流量計均可具有：出氣壓力超限保護(hù)、出氣超溫保護(hù)、吸氣阻力過大保護(hù)、潤滑油超溫保護(hù)、潤滑油量不足保護(hù)、主電機(jī)超載保護(hù)等功能。
8）無人值守
實現(xiàn)多臺電磁流量計按程序執(zhí)行啟動/停止電磁流量計操作，并控制相關(guān)的水泵閥門等，實現(xiàn)全自動化運行，無人值守。全自動運行方式下，系統(tǒng)可以按現(xiàn)場需要自動啟停一臺或多臺電磁流量計，完成電磁流量計的自動加卸載控制，實現(xiàn)防爆電磁流量計及冷卻水泵自動輪轉(zhuǎn)功能。
9）存檔功能
能夠?qū)F(xiàn)場運行信息存入數(shù)據(jù)庫，以便于**進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢。
10）曲線功能
可繪制各種模擬量參數(shù)的實時曲線及歷史曲線。
11)管理功能
監(jiān)控軟件具有設(shè)備參數(shù)、運行、檢修和維護(hù)的管理功能。
5 結(jié)語
通過對貴州能發(fā)高山礦業(yè)有限公司電磁流量計房的自動化改造，改變了原來系統(tǒng)單臺獨立控制、人工開停機(jī)的現(xiàn)狀，通過PLC控制器實時采集、傳輸系統(tǒng)運行工況并在上位機(jī)實時顯示，同時系統(tǒng)根據(jù)采集的實時數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)變化趨勢進(jìn)行預(yù)警與報警，提高了防爆電磁流量計組的運行效率，降低了工人勞動強(qiáng)度，通過恒壓供風(fēng)策略保證了壓縮空氣的供氣質(zhì)量，對電磁流量計的維護(hù)管理有了更科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐，保證了開拓進(jìn)度，達(dá)到系統(tǒng)改造預(yù)期目標(biāo)。