分体式电磁流量计远程自动化控制系统的研究与应用

    【摘要】我国煤矿多为井工开采，巷道掘进过程中使用大量的气动设备，分体式电磁流量计担负着矿井的压缩空气的生产任务，为风镐、风钻以及其它工具提供动能[1]。传统的单台独立控制、人工开停机的操作工艺，已经很难保证压缩空气的供气质量，也不利于对分体式电磁流量计的维护管理，为解决该问题，本文设计了基于PLC技术、计算机控制技术、网络技术、光纤通讯技术的分体式电磁流量计实现集中控制，通过采集处理电机电流、电压信号，温度、压力信号，实现分体式电磁流量计各种保护、报警、监控功能、风机的自动投入与退出。经过在贵州能发高山矿业有限公司实施，提高了矿井压风系统的自动化程度，提高了分体式电磁流量计运行的安全性、可靠性，提高了安全生产和管理水平，实现远程集中控制、实现无人值守，降低了工人劳动强度，大大提高了该矿分体式电磁流量计工效及生产管理水平。

    1系统改造目标
    为响应机械化换人、自动化减人，科技强安战略目标的实现，贵州豫能拟在贵州能发高山矿业有限公司实施分体式电磁流量计控制系统自动化改造，预期达到下述目标：

    1）对分体式电磁流量计实施科学管理；

    2）提高分体式电磁流量计控制系统安全性、准确性、可靠性；

    3）提高高山煤矿分体式电磁流量计控制系统自动化程度；4）协调生产系统中各系统之间的关系，提高机械和电气设备的利用率，实现无人值守，提高安全生产和管理水平。

    2系统改造前现状
    贵州能发高山矿业有限公司分体式电磁流量计房有3台空压机，3个风包，两趟入井管路，分体式电磁流量计电机额定电压等级0.66kV。目前分体式电磁流量计系统安装有简易在线监测系统，通过现场面板能够简单查询风机状态，但是采集传感器安全不全面，无法对电机温度等相关数据进行实时采集，当前系统的启停主要靠人工的操作。迫切需要进行自动化改造，提高压风系统自动化程度，提高系统效率。

    3系统方案设计与实施
    分体式电磁流量计自动化系统主要由以下两部分组成。

    1）上位机
    上位机设置在集中控制中心，主要包括控制计算机、显示器、语音报警装置及控制软件等。

    2）分体式电磁流量计房监控单元
    主要由PLC控制柜、电动阀门、传感器等组成，为了实现空压机房的无人值守及远程自动化控制。经过充分的分析，本次PLC控制柜内的主站控制器选用西门子s7-1200系列PLC来保证系统可靠性，风机及管路上的阀门全部更换为电动阀门，现场加配传感器实时采集现场物理量信号，并将其转换为标准电信号传送给CPU。

    本系统现场使用的传感器较多，如压力、温度等等。为减少传输误差，提高检测精度，均选用带变送器，性能可靠，寿命长，输出标准电流信号4—20mA的传感器，直接采集现场信号，以进一步提高整套系统的可靠性。同时现场安装海康摄像仪实现视频实时采集。具体如下：

    1）现场PLC控制系统选用西门子S7-系列可编程序控制器作为监控核心。可编程序控制器能适应各种恶劣现场条件，现场抗干扰能力强的特点，且安装维护方便，其模块化结构，配置相应的通讯接口与各分体式电磁流量计控制器通讯；与上位计算机进行通讯可以采用Profibus或工业以太网；系统配置合理，技术可行，完全可以满足现场使用要求。

    2）在储气罐上加装压力变送器、温度传感器，实现风包压力、风包温度的实时采集。

    3）在输气管道上安装流量传感器、温度传感器、压力变送器实现实现排气管路流量、温度、压力监测。

    4）在电机配电设施上加装电流变送器、电压变送器实现电机电流、电压等参数监测。

    5）现场增加2台500万像素高速球型摄像仪，具备定点巡航、巡航轨迹设定等功能，实现分体式电磁流量计房内外的视频实时采集，保证在无人值守时，防止人员恶意破坏系统，索采集的图像通过网络进行传输及录像存储，存储时间不少于二个月，满足事故追溯要求。

    6）分体式电磁流量计及管道的阀门改成电动阀门，远程控制时通过上位机或系统自动打开、关闭阀门，实现系统自动恒压供风。

    7）现场配置的PLC控制柜，还配置有触摸屏显示屏，用于现场显示工况等，满足现场检修需求，PLC的I/O接口预留20%以上的备用量，满足系统扩容及维修需求。

    8）储气罐（风包）放水阀门改为自动阀门，确保系统能够根据需要实现定时排污。

    4系统功能
    1）能够自动采集、显示分体式电磁流量计的各种运行参数，控制分体式电磁流量计运行。

    2）能够根据检测到的信号判断分体式电磁流量计的工作情况，故
障时能及时发出报警信号，并根据故障类型停止分体式电磁流量计。

    3）有启动功能、停止功能、正常停车功能、故障停车功能、紧急停车功能、预告功能、保护及故障报警功能。

    4）系统通过PLC及控制网络可方便地采集现场设备开/停及故障状态、电机电流等实时数据。

    5）具有多种控制方式
    根据系统设置，该系统可以实现以下集中方式下：PLC自动集控方式：在该模式下PLC根据设定的工作时间和工作压力值、总管当前实时压力值，自动判断当前投入/切除系统中的分体式电磁流量计台数，经特定的运算处理，以便对运行中的分体式电磁流量计进行加载或者卸荷或切除系统、投入系统工作。

    远程控制方式：在该模式下，通过上位计算机的操作来在控制各分体式电磁流量计系统的运行。系统对操作员有权限管理，有一定的权限的操作员才可以进行远程操作。

    6）实现自动恒压供风
    当系统在自动集控工作方式时，系统根据设定的供气压力值，自动控制卸荷或加载。当压力值当风压达到设定值时，自动停机（卸荷）；风压降到低值时，自动启动或关闭卸荷阀。

    7）安全可靠地报警保护
    每台分体式电磁流量计均可具有：出气压力超限保护、出气超温保护、吸气阻力过大保护、润滑油超温保护、润滑油量不足保护、主电机超载保护等功能。

    8）无人值守
    实现多台分体式电磁流量计按程序执行启动/停止分体式电磁流量计操作，并控制相关的水泵阀门等，实现全自动化运行，无人值守[2]。全自动运行方式下，系统可以按现场需要自动启停一台或多台分体式电磁流量计，完成分体式电磁流量计的自动加卸载控制，实现分体式电磁流量计及冷却水泵自动轮转功能。

    9）存档功能
    能够将现场运行信息存入数据库，以便于随时进行历史数据查询。

    10）曲线功能
    可绘制各种模拟量参数的实时曲线及历史曲线。

    11)管理功能
    监控软件具有设备参数、运行、检修和维护的管理功能。

    5  结语
    通过对贵州能发高山矿业有限公司分体式电磁流量计房的自动化改造，改变了原来系统单台独立控制、人工开停机的现状，通过PLC控制器实时采集、传输系统运行工况并在上位机实时显示，同时系统根据采集的实时数据及数据变化趋势进行预警与报警，提高了分体式电磁流量计组的运行效率，降低了工人劳动强度[3]，通过恒压供风策略保证了压缩空气的供气质量，对分体式电磁流量计的维护管理有了更科学的数据支撑，保证了开拓进度，达到系统改造预期目标。