基于PLC技术的黄金矿山排水系统自动控制研究与应用

高飞翔,刘金凤,李家玮,靳庆杰

(长春黄金研究院有限公司)

黄金矿山排水系统的正常运行可保障矿山生产的安全性并有助于提高采矿效率,排水系统的设计与运维均需要相应的专业知识与经验,技术要求较高。传统人工操作方式存在人员劳动强度高、操作人员个体经验差异大等问题,进而影响排水系统的正常运行。PLC是可编程逻辑控制器的简称,具有高可靠性、可扩展性、易于维护与可靠的工业通信等优点,为电气设备的自动化提供了必要的条件。采用PLC技术对黄金矿山排水系统进行自动化控制,能有效地改善黄金矿山的工作效率、减轻工作人员劳动强度,并全面提高黄金矿山的安全运行质量。

1 工程背景

某黄金矿山位于黑龙江省黑河市西部,占地面积232.6万m2,日处理矿石3 000 t,建设2个生产系列:500 t/d(氧化矿系列)、2 500 t/d(原生矿系列)。矿区位于小兴安岭西南坡,属低山丘陵区,最高海拔528.2 m,一般海拔460～520 m,相对高差20～50 m,地势整体呈北高南低。

排水系统在井下矿山安全生产方面有着举足轻重的作用,排水系统的安全稳定运行是矿山正常生产的前提。目前,中国大部分黄金矿山的排水系统均采用手动与半自动化控制相结合的方式,自动化排水程度较低,尤其是井下区域,排水速度慢,不仅对工作人员安全造成威胁,还会增加生产成本。结合当前黄金矿井情况构建的基于PLC技术的排水自动控制系统,解决了上述排水速度慢、自动化程度不够高等问题[1]。

2 PLC技术

PLC技术具有高速的分析能力、计算能力以及高精确度的信息采集能力,在黄金矿山排水系统的高效管理与精准控制方面发挥了重要作用。通过调整设置,PLC能够接收现场检测设备(液位计、流量计、温度传感器和压力变送器等)的信号并进行运算分析,以供PLC做出远程自动控制指令输出或供操作人员对泵类设备进行远程手动操作,进而提高黄金矿山井下排水效率。

PLC技术作为一种成熟的、集成的信息技术,因其强大的控制功能在矿山企业中应用广泛,PLC技术拥有特定的检测功能,在黄金矿山中对其进行应用,可以全面监控现场各个区域的设备与仪表运行情况,工作人员通过控制系统可发布命令对矿山信息进行分类和收集。经过整合收集到的各项现场数据,工作人员可以了解到现场工作情况,从而对相关工作进行进一步规划。

PLC技术还拥有强大的执行能力,使用者按照自身需求发布命令,在特定位置进行扫描,被分析区域的信息会通过客户端返回相应的数据[2]。PLC技术强大的逻辑分析能力和计算能力,能够为企业规划工作提供参考。同时,在现代信息技术高速发展的背景下,PLC系统已经与现代信息系统相互融合,这样结合使用会形成一个全新的自动化工作平台,用户从系统收到指令后,可以对矿山中各区域运行状态进行分析,结合分析结果完成逻辑操作;在监控与分析过程中,还能够对矿山现场的各项数据进行记录,所记录的数据足够真实和准确;逻辑操作结束后,会将其记录的信息发送至主机,在系统终端,主机系统在收到对应数据后会发布相应的命令。

3 PLC技术在黄金矿山排水系统自动控制中的研究与应用

3.1 系统结构设计

黄金矿山PLC排水自动控制系统主要由集中监控系统、低压柜、PLC控制柜、以太网网络系统、机旁操作箱、现场检测设备等组成,实现设备的远程自动控制,以及对水位、压力、流量、重点设备温度等相关参数数据的全面实时采集和分析处理。本系统控制方式有本地控制和远程控制2种方式。远程控制方式包含远程手动控制与远程自动控制,2种方式可任意进行切换,通常会结合蓄水池高度和水泵温度作为衡量条件,受现场环境影响,还会考虑开关柜状态、电动机温度等因素。在系统自动化运行时,需要有专门人员对该系统进行24 h监管,以免系统在运行中发生故障时,没有对其进行实时调控[3]。

为保障排水可进行自动控制,需要设置液位计、流量计、温度传感器、压力变送器、电动阀门等仪表设备,量程结合工况条件选择,4～20 mA为仪表运行时的标准信号输出形态。为了对水位后备进行保护,还需要加装浮球开关对其进行控制,当蓄水池水位低于1.5 m或浮球开关处于低位时,水泵启动回路会转换成锁定状态,水位低位的信号灯会发出闪烁提醒。如果自动排水系统正处于运行状态,PLC模块会根据低水位信号情况自动进行停泵处理,不会再次发出声光警报。

3.2 网络结构设计

黄金矿山PLC排水自动控制系统网络(见图1)由远程监控网络和现场监控网络2部分构成。远程监控网络基于工业以太网,实现工程师和操作人员对矿山排水系统的远程访问和管理。控制系统采用西门子S7-300系列的PLC,采用西门子S7-300系列中专门用于以太网通信的CP343-1通信处理模块,避免了异构网络安装复杂的问题,实现与以太网设备的数据交换和远程通信;采用以太网和光纤传输技术,避免电气、磁场等因素影响通讯信号的精确度。现场监控网络中控制设备和参数相对多,常规的配线方法可靠性差、维修难度大,采用现场总线技术可以实现设备层和控制层之间高效、可靠的数据传送,提高控制系统的可靠性和管理效率。采用Profibus-DP协议与西门子ET200 M的分布式I/O接口,在现场总线网中可以实现快速、小数量级的循环通信。

图1 黄金矿山排水自动控制系统网络架构

排水报警监测系统是排水系统PLC自动控制的一个重要组成部分,由井下电视监测和通信组成,具有独立的功能,适用于不同的矿山环境。通过建立独立的通信系统和监测系统,可以避免二者之间的相互干扰,采用光缆通信技术不仅可以降低通讯信号传输过程中的干扰,还提供了高带宽和远距离传输的能力,以满足排水预警监测系统中大量数据的传输需求。为了使光纤信号的传递更加方便,首先使用光端机对电子信号进行加工,将电子信号转化为光学信号,由井下的光端机将数据和语音数据分离,安装在排水井或管道中的井下仪器通过传送接口将实时采集的排水相关数据传送到分线箱,利用通信系统的语音传输功能将语音信号传送到相应的电话终端。

3.3 系统功能的实现

将PLC技术引入到黄金矿山排水自动控制系统中可以有效改善企业的生产质量,提高生产效率。排水系统具有2种工作模式,一种是半自动工作模式,另外一种是全自动工作模式。半自动工作模式对技术人员有一定的要求,需要工作人员全程对控制显示台进行监督,以便于控制水泵、阀门,当矿井内部水位过低时,可以对系统进行关停处理。全自动工作模式是一种完全由PLC控制的方法,自动控制系统会自动对黄金矿山的水位进行控制,实现自动启停水泵、阀门。在全自动控制系统中,当水位突然增加时,可以通过抽水等方法进行控制,防止因井水过量而发生安全事故。矿山排水系统运行画面见图2。

图2 黄金矿山PLC排水自动控制系统运行画面

黄金矿山因地质条件的复杂性和特殊性,其涌水具有不可控性和不可预测性,极易发生事故,因此,防止黄金矿山发生涌水,对黄金矿山的安全生产至关重要。在黄金矿山的排水系统中设置了涌水探测设备,能够及时监测到涌水等突发事件,监控信号将传送给控制中心,能够快速响应紧急情况,必要时迅速启动安全联锁保护措施;此外,在黄金矿山排水管道等条件允许的情况下,可以同时启动多台水泵以增加排水能力,确保在最短时间内将涌水排出,保障系统的安全并有效减少黄金矿山的经济损失。

PLC排水自动控制系统在黄金矿山排水中发挥了重要作用,不仅能对矿井内水位进行全面控制,同时能够实时监控矿井内各区域状态。当水位过高时,主控系统会根据判断自行进行吸水处理,当系统内部各器件温度过高时,主控系统会自动进行断闸处置,提高了系统运行的安全性,对工作人员安全也形成了保障。水泵开关启动后,系统处于运行状态时,对流量能进行实时全面监测,如果流量始终达不到正常值,系统会自动发出报警提醒,超过设定时间后还会自动停泵。同时,对压力异常等状况也可进行自动判断,当排水压力过大,超过系统负载时,吸水真空度会出现异常,系统自动识别后会发出报警提醒,排水压力与真空压力达不到系统设定值时会自动停泵。矿井内水位会出现超限的现象,水位传感器接收到信息后会进行故障报警处理。在系统设计上,须结合矿井蓄水池深度设置对应阈值,以便于在水位过高时发出自动警报。受到外部环境影响,水位会出现突变或者排水系统因受到影响出现异常。当水位增长速度与正常系统运行状态相差较多时,系统会发出报警。除此之外,泵房排水流量与矿井涌水总量差值始终应小于水位下降速度,如果数据经计算后发现异常,系统会进行自动报警处理。

黄金矿山PLC排水自动控制系统在控制矿井内部水位上具有明显优势,与传统的机电技术相比具有更高的利用价值和利用空间。黄金矿山PLC排水自动控制系统可以按照矿井内水位情况对排水系统自动进行设备启停处理,同时能够按照工程规定要求,对系统设备启动顺序进行调整,在不同工况下对系统进行不同的控制操作。为保障该系统正常运行,需要确保其电力系统供电稳定性,同时还须按照系统累计时间,对相应装置进行检修。

3.4 应用效果

采用基于PLC技术的黄金矿山排水自动控制系统实现了如下功能:

1)具有半自动和全自动工作模式,通过自动启停水泵、阀门等实现水位的自动控制,进而防止因井水过量而发生安全事故。

2)通过设置全面的涌水探测设备与监控设备,及时监测区域状态与突发事件,并迅速启动安全联锁保护措施。

3)通过对设备状态的监测,及时对设备进行故障排除与维护,延长设备的运行时间;排水系统的自动运行,降低了人员工作强度与人工操作带来的差错。

4 结 语

黄金矿山排水系统在黄金矿山生产中扮演着重要的角色,并对保证生产安全起到关键作用,通常由水泵、排水管道、吸水管、阀门与控制设备等组成,其常规的工作模式存在效率低、能耗大、故障率高等问题,很难满足目前黄金矿山生产的需要。黄金矿山PLC排水自动控制系统在矿山排水系统中的应用,不仅为矿山企业创造了巨大的利润空间,同时全面自动化的管理还提高了工作效率;企业自动化系统的应用,对人员的需求量降低,成本进一步得到缩减。黄金矿山PLC排水自动控制系统的自动化调控可对黄金矿山的各个设备进行实时监测,使设备达到最佳的运行状态,提高矿山排水系统的性能,使工人生产安全和矿井工作安全进一步得到了保障,对黄金矿山的生产安全起到了很大的作用。