羅克韋爾自動化煤礦綜合自動化技術在山西柴溝煤礦的應用造車網(wǎng) / 2008年12月19日 摘要：本文介紹羅克韋爾自動化技術在山西懷仁聯(lián)順璽達能源公司柴溝煤礦的應用。采用羅克韋爾自動化的集成架構(gòu)及其三層網(wǎng)絡技術、羅克韋爾自動化產(chǎn)品，把其他廠家產(chǎn)品天衣無縫地集成在同一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中，實現(xiàn)整個礦井的“遙控、搖信、遙測”綜合自動化控制。關鍵詞：羅克韋爾自動化 集成架構(gòu) 煤礦 綜合自動化控制1引言山西懷仁聯(lián)順璽達能源公司柴溝煤礦下屬北京魯能煤業(yè)公司，坐落在煤炭資源豐富的山西省朔州市。根據(jù)國家建設十三個煤炭基地的總體規(guī)劃,“關小建大資源整合”的產(chǎn)業(yè)政策,鼓勵煤炭企業(yè)關小建大，通過資源整合，實現(xiàn)產(chǎn)量集中，提高回采率，減少資源浪費工業(yè)自動化網(wǎng)，確保安全生產(chǎn)，維護地方利益等政策，整合三個小煤礦構(gòu)建成一個現(xiàn)代化大型煤礦柴溝煤礦。該礦井建設規(guī)模為年產(chǎn)600萬噸，2006年底開始基礎建設，2007年5月投產(chǎn)。該煤礦綜合自動化學習了神華集團神東公司的模式，結(jié)合自身實際地理環(huán)境，以羅克韋爾自動化技術為基礎，完成整個礦井和洗煤廠的控制及其監(jiān)控系統(tǒng)的集成。煤炭行業(yè)是具有強烈行業(yè)特征的特殊產(chǎn)業(yè)，其特點是：煤炭是非再生性一次能源，煤炭企業(yè)的壽命決定于礦井范圍內(nèi)的埋藏量和開采強度；開采與洗選是多種技術相結(jié)合、多工種相配合的復雜系統(tǒng)工程，任何環(huán)節(jié)的失常都可能造成全面停產(chǎn)，甚至引發(fā)嚴重災害事故；采掘作業(yè)是在極限條件下進行的，存在危及人員安全的自然災害和影響身心健康的惡劣環(huán)境工業(yè)自動化網(wǎng)，安全始終是制約煤礦生產(chǎn)的瓶頸。礦井生產(chǎn)包括開采、掘進、運輸、通風、安全、排水、供電、洗選等多個環(huán)節(jié)。在這些環(huán)節(jié)中，各種監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)繁多復雜。根據(jù)礦井的特殊性華光信息技術公司已經(jīng)在神華礦井成功的實現(xiàn)礦井綜合自動化系統(tǒng)。煤炭行業(yè)實施綜合自動化的關鍵是將工業(yè)自動化控制技術與煤炭行業(yè)的特征及實際相結(jié)合，開發(fā)具有顯著行業(yè)特色的現(xiàn)代集成生產(chǎn)系統(tǒng)。隨著工控行業(yè)的迅速發(fā)展，市場不再是一種品牌的天下，煤礦企業(yè)要求使用的產(chǎn)品品牌多樣化，多種品牌的產(chǎn)品通過工業(yè)以太網(wǎng)以及協(xié)議的轉(zhuǎn)化都能夠在同一個系統(tǒng)配合使用，共同組成自動化控制系統(tǒng)。2工藝系統(tǒng)簡介2.1礦井工藝系統(tǒng)柴溝礦井開采的主運輸流程：綜采工作面或掘進順槽膠帶機大巷膠帶機主井膠帶機原煤上倉膠帶機原煤倉。全礦井配備一套綜采設備，美國JOY公司的采煤機、德國DBT公司液壓支架和輸送機。順槽膠帶機由北京華寧開關柜控制，大巷膠帶機、主井膠帶機和上倉膠帶機都選用變頻控制。風井為立井，采用對旋風機抽出式通風。井下主供電和排水在中央變電所及水泵房系統(tǒng)。整個礦井的調(diào)度集中控制由調(diào)度監(jiān)控網(wǎng)絡完成。2.2洗煤廠工藝系統(tǒng)柴溝煤礦洗煤廠的建設規(guī)模為6.0Mt/a，主要工藝部分組成：原煤準備系統(tǒng)（包括原煤倉下給煤機和原煤入洗膠帶機等）、主洗系統(tǒng)（包括篩分重介浮選聯(lián)合流程）、塊煤脫水、末煤脫水（濃縮及壓濾系統(tǒng)）、產(chǎn)品裝車系統(tǒng)。整個洗煤廠的電控系統(tǒng)很簡單，分為兩部分：原煤倉下、主廠房、濃縮車間、矸石倉等用電設備及其相關帶式輸送機的配電控制為主廠房電控系統(tǒng)；產(chǎn)品煤帶式輸送機及產(chǎn)品倉用電設備的配電控制為產(chǎn)品倉電控系統(tǒng)。2.3自動化控制系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)控分站的位置分散、距離遠的特點，控制網(wǎng)絡按生產(chǎn)關系和物理位置構(gòu)成的邏輯多鏈路網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)IIA版權(quán)所有，將柴溝礦所有監(jiān)控點通過多鏈路連接為一個統(tǒng)一的控制網(wǎng)絡，并接入礦、廠、站調(diào)度（集控）室，形成煤礦生產(chǎn)綜合自動化系統(tǒng)。選用ControlNet作為控制層網(wǎng)絡，主干采用光纖傳導模式，由調(diào)度中心通過62.5/125m光纜連接控制分站或控制系統(tǒng)，構(gòu)成整個控制層網(wǎng)絡，其余如皮帶監(jiān)控系統(tǒng)用軟件編程實現(xiàn)第三方通訊就近接入網(wǎng)絡。 調(diào)度（集控）室是全礦安全生產(chǎn)的監(jiān)控指揮中心，所有的控制信息在這里匯總并由此發(fā)布。根據(jù)控制網(wǎng)結(jié)構(gòu)，設置2臺監(jiān)控主機，互為熱備，分別經(jīng)控制網(wǎng)連接ControlNet與EtherNet網(wǎng)關中的ControlNet接口模塊，而EtherNet接口模塊接入礦局域網(wǎng)交換機，兩種接口模塊間經(jīng)由ControlLogix網(wǎng)關背板直接通訊MMS，完成ControlNet和EtherNet的互聯(lián)互通。監(jiān)控軟件平臺采用RSView32，通過SCADA Server實時采集各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，即可在調(diào)度室實現(xiàn)操作控制；數(shù)據(jù)上傳礦信息網(wǎng)后，可實現(xiàn)在辦公終端監(jiān)視生產(chǎn)過程，供決策部門和管理部門掌握生產(chǎn)最新動態(tài)。3生產(chǎn)系統(tǒng)配電及控制3.1礦井生產(chǎn)系統(tǒng)礦井生產(chǎn)系統(tǒng)配電控制的范圍從井下大巷膠帶機開始經(jīng)過主斜井膠帶機至原煤倉刮板機為止。根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)用電負荷要求，在主井皮帶驅(qū)動機房設一座地面井口變電所，在大巷皮帶機頭附近設一座中央變電所及水泵房。(1)膠帶機運輸系統(tǒng)原煤主井皮帶采用德國西門子公司生產(chǎn)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，配置如下：膠帶機基本參數(shù)(見表1)表1 膠帶機基本參數(shù)變頻器基本參數(shù)(見表2)表2 變頻器基本參數(shù)PLC控制設備組成主井皮帶監(jiān)控系統(tǒng)選用AB ControlLogix系列可編程序控制器及ControlLogix I/O系統(tǒng)，通過SST-PFB-CLX模塊與變頻器建立Profibus通訊，完成變頻器數(shù)據(jù)采集和控制功能。(2)主井皮帶變頻器控制系統(tǒng)原理圖主井皮帶變頻器控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。圖1 變頻器控制系統(tǒng)原理圖主斜井皮帶機保護，選用ZBK-型皮帶保護系統(tǒng)，配有打滑、拉繩、跑偏、縱撕、堆煤等傳感器，并配有擴音電話金屬加工網(wǎng)，實現(xiàn)予警與通話功能，該系統(tǒng)以RS-485通訊口與主井口PLC鏈接，完成ZBK-與工控網(wǎng)的通訊。上原煤倉皮帶保護也設有拉繩、跑偏、縱撕、堆煤、速度等保護，因該皮帶較短，為節(jié)省投資各種傳感器均接入PLC輸入模塊，實現(xiàn)皮帶機的保護功能。原煤上倉皮帶變頻系統(tǒng)選用ABB變頻器系統(tǒng)，通過DeviceNet網(wǎng)絡，與設在井口配電室的PLC主控機進行通訊，3.2大巷膠帶機變頻控制系統(tǒng)大巷膠帶機變頻控制系統(tǒng)主要部件組成如下：(1)745kW 水冷變頻器，包括12脈沖整流單元和各自獨立的逆變單元;(2)兩臺500kW防爆驅(qū)動電機通過減速箱和高、低速聯(lián)軸節(jié)與主驅(qū)動滾筒相連;(3)膠帶機變頻啟動柜內(nèi)安裝有膠帶機調(diào)速用的變頻器和PLC控制系統(tǒng);(4)膠帶機變頻控制系統(tǒng)是通過一套水和空氣的交換系統(tǒng)實現(xiàn)冷卻降溫。大巷變頻控制系統(tǒng)的PLC采用Rockwell公司生產(chǎn)的SLC，通過DH+線與附件的中央變電所的ControlLogix系統(tǒng)相連，實現(xiàn)網(wǎng)絡的互聯(lián)和數(shù)據(jù)共享。順槽膠帶機系統(tǒng)也通過標準Modbus協(xié)議接入中央變電所的ControlLogix系統(tǒng)。膠帶機控制系統(tǒng)經(jīng)過Control Net工控網(wǎng)，完成在礦調(diào)度室對幾條皮帶的自動控制。3.3井下排水泵房及中央變電所三遙系統(tǒng)由于井下中央水泵房與中央變電所是聯(lián)合建筑ARCHEAN.net版權(quán)所有，其配電設備也是一個整體，因此按一套三遙系統(tǒng)進行設計。為了實現(xiàn)三遙功能，在礦調(diào)度室對排水泵進行遙控、遙測、遙信，由一套以ControlLogix PLC組成自控系統(tǒng)，外設負壓、壓力、液位等傳感器監(jiān)測水量參數(shù)，通過4-20mA模擬量信號接入PLC。 (1)高壓配電系統(tǒng)所內(nèi)共有KYGC-Z型高壓柜29臺，其中，進線兩回、PT兩回、聯(lián)絡一回、負荷24回。為實現(xiàn)變電所三遙控制，在每臺高壓柜加裝一套FLEX遠程I/O模塊，通過DeviceNet網(wǎng)與設在所內(nèi)的PLC聯(lián)網(wǎng)，經(jīng)ControlNet工控網(wǎng)與設在調(diào)度室主控機鏈接，實現(xiàn)在調(diào)度室對高壓柜的分合閘及檢測分合閘與儲能狀態(tài)；微機保護系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)通訊機Modbus口與PLC聯(lián)網(wǎng)搜企網(wǎng)，實現(xiàn)在調(diào)度室監(jiān)測各高壓柜電氣參數(shù)（如電壓、電流、有功功率、電度、cos 等）及其狀態(tài)參數(shù)（如短路、過流、漏電、失壓等）。(2)自動控制原理被控設備：3個高壓柜、3個低壓柜、1臺射流泵、6個電磁閥、3個排水泵、3個電動閥及水泵和電磁閥的就地按鈕。閉鎖關系：射流泵閉鎖排水泵（真空度達到后才能起排水泵），排水泵閉鎖電動閥（但是電動閥若有故障也得停泵），停止排水時要先關電動閥再關排水泵。工藝流程及控制邏輯。(3)主流程自動啟動水泵的流程：開啟電磁閥開起射流泵檢測真空度真空度到位，關電磁閥，關射流泵同時開啟主排水泵檢測正壓力開電動閥輔流程及停泵流程：關閉電動閥門關閉水泵判斷水位達到高水位起泵排水（起動過程同主流程）。遇到故障或要停止排水都要先關閥門再關泵（如果遇到閥門故障則直接停泵）。水泵操作先分為就地和程控（就地就是現(xiàn)場按鈕控制），程控又分Panelview和遠控（Panelview是指plc上面的Panelview按鈕控制），遠控為調(diào)度室上位操作。P.V操作和上位操作是一樣的。3.4 通風機三遙系統(tǒng)(1)被控設備兩臺對旋式通風機；兩臺風門絞車。(2)礦井通風機三遙系統(tǒng)要完成以下自動控制功能主扇正常狀態(tài)下的開、?？刂?；主扇定期輪換控制；礦井發(fā)生事故需返風時的倒轉(zhuǎn)返風控制；風門絞車控制。以上控制內(nèi)容均具有遙控與就地控制兩種方式。(3)主扇監(jiān)控系統(tǒng)需檢測的參數(shù)主電機電器參數(shù)：電壓、電流、有功、電量、功率因數(shù)；主扇溫度參數(shù)：主電機定子及軸承溫度、通風機軸溫；通風機及風門運行狀態(tài)參數(shù)；通風機的負壓、風量及進口風速。(4)主扇監(jiān)控系統(tǒng)與工控網(wǎng)聯(lián)，實現(xiàn)在礦調(diào)度監(jiān)控(5)礦井通風機三遙系統(tǒng)配置通風機房共有15臺高壓柜，按照智能柜的要求加裝PM3000和FLEXI/O模塊。為了實現(xiàn)通風機三遙，在礦調(diào)度室對通風機進行遙控、遙測、遙信，由一套以ControlLogix PLC組成自控系統(tǒng)，外設整套負壓、風量及進口風速監(jiān)測裝置nc.qoos.www，通過4-20mA模擬量信號接入PLC。礦井生產(chǎn)系統(tǒng)，設三套PLC控制主機，完成井下順槽、大巷膠帶機、主井膠帶機、上倉膠帶機、配倉刮板，電動閘板等自動控制，PLC選用統(tǒng)一ControlLogix機型，根據(jù)功能與自動控制要求，配有各種功能模塊。4網(wǎng)絡架構(gòu)采用羅克韋爾自動化網(wǎng)絡架構(gòu)信息層(Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng))、控制層(ControINet)和設備層(DeviceNet)。 ControlNet是一種高速的自動化網(wǎng)絡，可以提供5Mbps的數(shù)據(jù)傳輸能力，實時性強，它也因其高度的確定性和可重復性聞名，適用于對控制要求高的復雜環(huán)境。它采用并行時間域多路存取( CTDMA)加隱性令牌技術來控制節(jié)點對總線的訪問，采用通用工業(yè)協(xié)議CIP保證它的上層協(xié)議通信。ControINet技術采取了一種新的生產(chǎn)者/客戶通信模式www.IIA，不僅支持傳統(tǒng)的點對點通訊，而且允許同時向多個設備傳遞信息，從而提高了帶寬利用率。ControlNet使用同軸電纜時距離可達5km，節(jié)點數(shù)99個，兩個節(jié)點間距離最長達1000m，采用光纖和中繼器后通訊距離可達幾十公里。 4.1洗煤廠生產(chǎn)系統(tǒng)洗煤廠自動化控制系統(tǒng)的任務是完成各生產(chǎn)設備的控制及閉鎖、洗選工藝自動調(diào)節(jié)以及信息上傳和共享，是礦井生產(chǎn)自動化和信息化的重要部分。柴溝洗煤廠自動化控制系統(tǒng)按照安全、實用、可靠、先進、開放指導思想進行設計，吸收以往洗煤廠成功的經(jīng)驗，選用先進的技術和設備來保證整個系統(tǒng)安全可靠正常地運行。洗煤廠參加集中控制的設備為：從原煤倉下給煤機開始至主廠房以及矸石倉、產(chǎn)品倉為止的全部生產(chǎn)系統(tǒng)的工藝流程設備。柴溝洗煤廠設置兩個監(jiān)控分站，分別位于主廠房和產(chǎn)品倉低壓配電室，控制網(wǎng)絡主干采用光纖傳導模式，將各監(jiān)控點通過多鏈路連接為一個統(tǒng)一的控制網(wǎng)絡，并接入洗煤廠集控室，形成一套生產(chǎn)自動化系統(tǒng)。皮帶監(jiān)控系統(tǒng)用軟件編程實現(xiàn)第三方通訊就近接入網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡擴展。4.2系統(tǒng)主要功能(1)控制方式分為兩種：有閉鎖的集中程序控制方式和無閉鎖的就地控制。其中集中程序控制方式用于正常生產(chǎn)，就地控制用于維修和調(diào)試運行。(2)按逆煤流分時序逐臺程序起車，按順煤流每臺卸料完畢程序停車。(3)設置起車預告信號，警示現(xiàn)場工作人員以免發(fā)生事故。(4)設置禁止起動信號，一旦有緊急情況發(fā)生，現(xiàn)場和控制室人員均可解除設備的起動。(5)在設備起車和運行過程中，如果某臺設備因故障停車造成某臺設備及其受閉鎖的設備停車時，在事故解除后，經(jīng)起車預告后，則由故障設備開始，按逆煤流方向依原程序繼續(xù)起車，如故障較大塑料工業(yè)網(wǎng)版權(quán)所有，可轉(zhuǎn)入停車或急停。(6)在停車過程中，如遇到某臺設備故障，則該設備和受其閉鎖的設備立即停車，不受該閉鎖控制的設備則仍按程序停車。(7)在任何控制方式中，機旁停車控制按鈕均可做到緊急停車。(8)操作方式：通過人機對話的方式進行操作，控制室的操作人員通過上位機的鍵盤或鼠標來表達生產(chǎn)調(diào)度的意圖和命令，去指揮PLC來完成系統(tǒng)的選擇和操作。如起、停車命令等。(9)屏幕顯示功能：利用上位機的顯示器模擬系統(tǒng)的工藝流程。顯示系統(tǒng)中每臺設備的工作狀態(tài)及運行參數(shù)。通過對主要生產(chǎn)過程參數(shù)進行實時的在線檢測，以趨勢圖的方式顯示出來，使調(diào)度指揮人員隨時掌握現(xiàn)場設備的工作狀態(tài)及系統(tǒng)各類相關參數(shù)的變化情況。(10)故障報警及打印功能：應用上位機組態(tài)軟件開發(fā)本系統(tǒng)的上位機監(jiān)控、管理及故障報警功能軟件。該報警軟件可顯示現(xiàn)場設備的各種保護、料位、液位、設備故障等狀態(tài)。并可即時的打印出報警報表。對各工藝參數(shù)可進行制表、打印，實現(xiàn)科學的生產(chǎn)管理。(11)加壓過濾機自動控制應用DH+網(wǎng)接入系統(tǒng)，其上位軟件使用Rsview32，便于遠程維護及系統(tǒng)整合。(12)絮凝系統(tǒng)通過DeviceNet網(wǎng)絡接入控制主機，實現(xiàn)絮凝劑制配添加功能。4.3柴溝洗煤廠PLC網(wǎng)絡配置圖圖2為柴溝洗煤廠PLC網(wǎng)絡配置圖。 圖2 柴溝洗煤廠PLC網(wǎng)絡配置圖4.4柴溝礦井綜合自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖圖3為柴溝礦井綜合自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)