露天礦山無人值守泵站系統設計
返回列表發布日期：2019-10-16 09:23:12 |
摘 要 ：城門山銅礦地處江西九江市城門鄉，供排水系統作為礦山重要生產設施，扮演著重要的角色。目前該礦山采用有人值守，就地操作的方式實現各泵站的運行。為滿足城門山銅礦智能化礦山的建設要求，實現“無人化”和“少人化”的建設目標，城門山銅礦擬建設露天礦山無人值守泵站，實現泵站的數據采集、自動控制、遠程操控、集中監控、自動診斷等功能，減少人工成本投入，提高設備運行效率。
1 引言
隨城門山銅礦采礦場擔負著露天采場排水和全礦生產、生活供水任務。目前，采礦場排水泵站 3處，中間泵站 1 處，疏干泵站 2 處，供水泵站 2 處。各泵站均以傳統的人工手動控制方式，實現供、排水。該方式存在人工投入成本高，安全系數低，效率低等缺點。為改變傳統的供、排水方式，根據城門山銅礦智能化建設的總體要求，結合城門山銅礦各泵站的實際需求，設計了露天礦山無人值守泵站系統［3］，可以完全實現泵站的自動控制，提高水泵的利用率和效率，提高安全生產系數，減少生產成本。
2 系統總體架構
露天礦山無人值守泵站系統集水泵各數據監測、運行狀態監測、故障報警、故障自診斷與自恢復、自動化控制、遠程數據傳輸等功能于一體。該系統結構設計成泵站監控系統、通訊系統、遠程監控系統三部分。其系統結構圖如圖 1 所示。
2.1 泵站監控系統
泵站監控系統［5］是露天礦山無人值守泵站系統的最底層，主要是對泵站水倉水位，水泵、電機、排水閘閥、潛水泵引水、注水閥及排氣閥、配電設備及啟動柜等進行監控，并通過可編程邏輯控制器（PLC）采集控制，實現水泵的自動控制［1］等功能。
其主要監測的參數有 ：
（1）電量監測 ：主電機運行電流、電壓、功率等 ；
（2）流量監測 ：單泵流量或單管流量 ；
（3）液位監測 ：泵站水池水位 ；
（4）壓力監測 ：水泵出口壓力及管路壓力 ；
（5）溫度監測 ：水泵軸承溫度 ；
（6）振動監測 ：水泵軸承振動 ；
（7）pH 值監測 ：排水的 pH 值 ；
（8）濁度監測 ：排水渾濁度 ；
（9）設備狀態 ：主水泵、主電機、排水閘閥、潛水泵注水及排氣閥、配電設備及啟動柜等設備的工作狀態 ；
（10）保護信息 ：設備的各種保護事件與保護定值等。
泵站的自動化控制，是使用 PLC 控制器，通過各數字量、模擬量的輸入輸出，并進行邏輯編程，實現對現場各執行機構的自動控制。其主要控制的執行機構有 ：
（1）小潛水泵控制 ：對小潛水泵啟、停控制，實現水泵的灌引水 ；
（2）閘閥控制 ：對管路上各閘閥開、關控制，實現對水流的控制 ；
（3）電機控制 ：對供、排水電機的啟、停控制，實現水泵自動運行。
2.2 通訊系統
無人值守泵站通訊主要分為兩部分 ：現場監測、控制信號與 PLC 之間的通訊 ；PLC 與調度中
心上位機之間的通訊。
城門山銅礦泵站是通過軟啟動器與變頻器實現水泵的啟動，并且具備 485 通訊［6］接口。電流電壓的采集可通過 485 通訊模塊實現采集。現場液位、溫度等監測和電機、閘閥等控制與信號采集控制柜之間是通過 PLC 輸入輸出模擬實現采集控制。信號采集控制柜與 PLC 控制柜通過光纖傳輸實現通訊。
城門山銅礦各泵站均已實現光纖的鋪設。現場PLC 控制柜與調度中心上位機之間通過光纖傳輸實現通訊。無人值守泵站還包括現場視頻監控，該監控的信號傳輸也是通過光纖傳輸實現。
為保障光纖通訊中斷時，調度中心仍能夠采集現場運行數據。結合城門山銅礦 4G 無線網絡系統建設項目，實現 PLC 控制柜與調度中心上位機之間的無線通訊。該通訊方式作為一種備用方式，確保對各泵站的不間斷監控。主要實現方式為 ：在各泵站現場安裝 EG860 CPE（寬帶無線路由器），與礦區內的基站連接完成系統組網，PLC 系統可通過網口有線方式或 WiFi 無線方式接入到該 LTE無線網絡，最終可實現 PLC 與上位機之間的無線通訊。
2.3 遠程監控系統
遠程監控系統設置在采礦場調度中心［4］，并配置兩臺工業計算機和服務器，通過光纖通訊和4G 無線網絡通訊，并且基于組態軟件 Intouch 軟件平臺，對 PLC 控制器內相關數據進行實時采集，發出控制命令并監控系統的整體運行。組態軟件能充分的利用其強大的圖形編輯功能，以動畫的方式直觀的顯示監控設備的運行狀態，方便的構成了監控畫面和實現控制功能等。
3 泵站自動控制系統設計
根據城門山銅礦采礦場的現狀，確定對 10# 坑泵站、+20 固定泵站、+30 固定泵站、疏干泵站和W 泵站作為無人值守泵站的改造對象。因各泵站的硬件設施、控制邏輯方式基本相同，本次以 10#坑排水泵站為例進行自動控制系統的設計。
3.1 排水泵站現狀
10 號坑排水泵站［2］由 2 臺單級離心泵、2 條排水管路及相應輔助系統組成。水泵等相關設施安裝在浮筏上，并置于水倉中。水泵吸水管安裝DN300 底閥，出水管安裝 DN150、PN16 閘閥，泵組法蘭為 DN150，PN25 尺寸。10 號坑管路采用DN400 鋼絲管骨架復合管鋪設，排水至 +20 泵站，全程約 800m，現場低壓配電室至水泵距離約為300m，水泵采用變頻器控制。
3.2 排水泵站自動控制系統硬件改造
為實現泵站的自動控制，現有設備不滿足需求，需要對硬件進行改造。具體如下 ：
在浮筏邊安裝一臺潛水泵，用于水泵灌引水 ；水泵前端安裝補水球閥和排氣閘閥，排氣閘閥上安裝流量開關，用于灌引水排除水泵空氣及檢測空氣是否排空 ；水泵出水口更換成電動閘閥 ；在水泵出水口管路與排水管出水口管路附近分別安裝壓力傳感器、流量計，用于監測排水管道的壓力與流量，通過數據差值判斷管道是否泄露 ；在水倉中安裝液位計、濁度儀和 pH 計，分別用于監測水位、水質和水倉的酸堿度，并進行判斷是否可以排水 ；在電機上安裝溫度傳感器和震動傳感器，用于判斷電機運行是否正常 ；在控制柜上安裝 485 通訊模塊，用于采集變頻器電壓、電流。
另外，為方便水泵等現場控制和監測信號的采集，在水泵周邊安裝一臺信息采集柜，PLC 控制柜放置在低壓配電室內。信息采集柜與 PLC 控制柜之間采用光纖通訊。
3.3 PLC 邏輯控制設計
（1）水泵正常啟停邏輯控制流程 ：水倉水位到達設置上限→開啟補水球閥和排氣球閥→開啟潛水
泵→監測流量開關有水流出→關閉補水球閥、停
止潛水泵和排氣球閥→開啟水泵、打開出水口電動
閘閥→水倉水位到達指定下限→關閉出水口電動閘
閥、停止水泵運行 ；
（2）管路泄露邏輯控制 ：檢測前后管道壓力差
異常或檢測前后管道流量差異常→判斷管道泄露→
停止水泵或禁止水泵啟動 ；
（3）監測參數異常邏輯控制 ：電機運行溫度、震動、電流、電壓、流量、壓力、水質等監測數據出現異常→立即關閉閘閥并停止水泵電機運行或者禁止電機啟動，同時進行報警→自診斷，判斷故障→檢修模式。
4 實現的功能
（1）泵站自動控制功能 ：通過對各泵站執行機構的邏輯控制，實現各泵站的自動控制 ；
（2）管道泄露檢測功能 ：通過對管道壓力差和流量差進行實時監控，低于系統設定值時自動報警，實現管道泄露監測 ；
（3）節能功能 ：對兩臺水泵運行時間進行均衡調配，保證水泵均衡使用，延長泵組的使用壽命 ；保證移峰填谷節能措施，在保證安全供排水的情況下，系統自動選擇用電平谷期進行供排水 ；
（4）安全功能 ：擁有遠端控制和就地控制兩種模式，滿足現場操作的需要，當出現信號中斷后，系統會發出報警，自動轉入自動控制 ；全方位監測供排水各環節，對系統出現異常提前給出預警 ；嚴格按照水泵啟停的邏輯順序進行正常供排水。
5 結語
隨著城門山銅礦智能化礦山建設的不斷推進，無人值守泵站建設對礦山的發展有著重大的意義，改變了現有泵站的管理與運行模式，增強了設備的安全性、可靠性，降低了工人的勞動強度，創造了節能降耗的經濟價值。露天礦山無人值守系統主要利用了組態軟件、PLC 控制、4G 無線網絡、視頻監控、安全經濟運行與管理等關鍵技術。該礦智能化礦山建設一期項目設備與工藝智能化組無人值守泵站的系統設計充分考慮了礦山的現狀及需求，克服了地形及距離的影響。該系統 能夠實現水泵各數據監測、運行狀態監測、故障報警、故障自診斷與自恢復、自動化控制、遠程數據傳輸等功能。在系統后期建設和運行的過程中，不斷進行系統功能的完善與優化，摸索自動控制系統的運行與管理經驗，最終實現泵站的無人值守。
1 引言
隨城門山銅礦采礦場擔負著露天采場排水和全礦生產、生活供水任務。目前，采礦場排水泵站 3處，中間泵站 1 處，疏干泵站 2 處，供水泵站 2 處。各泵站均以傳統的人工手動控制方式，實現供、排水。該方式存在人工投入成本高，安全系數低，效率低等缺點。為改變傳統的供、排水方式，根據城門山銅礦智能化建設的總體要求，結合城門山銅礦各泵站的實際需求，設計了露天礦山無人值守泵站系統［3］，可以完全實現泵站的自動控制，提高水泵的利用率和效率，提高安全生產系數，減少生產成本。
2 系統總體架構
露天礦山無人值守泵站系統集水泵各數據監測、運行狀態監測、故障報警、故障自診斷與自恢復、自動化控制、遠程數據傳輸等功能于一體。該系統結構設計成泵站監控系統、通訊系統、遠程監控系統三部分。其系統結構圖如圖 1 所示。
2.1 泵站監控系統
泵站監控系統［5］是露天礦山無人值守泵站系統的最底層，主要是對泵站水倉水位，水泵、電機、排水閘閥、潛水泵引水、注水閥及排氣閥、配電設備及啟動柜等進行監控，并通過可編程邏輯控制器（PLC）采集控制，實現水泵的自動控制［1］等功能。
（1）電量監測 ：主電機運行電流、電壓、功率等 ；
（2）流量監測 ：單泵流量或單管流量 ；
（3）液位監測 ：泵站水池水位 ；
（4）壓力監測 ：水泵出口壓力及管路壓力 ；
（5）溫度監測 ：水泵軸承溫度 ；
（6）振動監測 ：水泵軸承振動 ；
（7）pH 值監測 ：排水的 pH 值 ；
（8）濁度監測 ：排水渾濁度 ；
（9）設備狀態 ：主水泵、主電機、排水閘閥、潛水泵注水及排氣閥、配電設備及啟動柜等設備的工作狀態 ；
（10）保護信息 ：設備的各種保護事件與保護定值等。
泵站的自動化控制，是使用 PLC 控制器，通過各數字量、模擬量的輸入輸出，并進行邏輯編程，實現對現場各執行機構的自動控制。其主要控制的執行機構有 ：
（1）小潛水泵控制 ：對小潛水泵啟、停控制，實現水泵的灌引水 ；
（2）閘閥控制 ：對管路上各閘閥開、關控制，實現對水流的控制 ；
（3）電機控制 ：對供、排水電機的啟、停控制，實現水泵自動運行。
2.2 通訊系統
無人值守泵站通訊主要分為兩部分 ：現場監測、控制信號與 PLC 之間的通訊 ；PLC 與調度中
心上位機之間的通訊。
城門山銅礦泵站是通過軟啟動器與變頻器實現水泵的啟動，并且具備 485 通訊［6］接口。電流電壓的采集可通過 485 通訊模塊實現采集。現場液位、溫度等監測和電機、閘閥等控制與信號采集控制柜之間是通過 PLC 輸入輸出模擬實現采集控制。信號采集控制柜與 PLC 控制柜通過光纖傳輸實現通訊。
城門山銅礦各泵站均已實現光纖的鋪設。現場PLC 控制柜與調度中心上位機之間通過光纖傳輸實現通訊。無人值守泵站還包括現場視頻監控，該監控的信號傳輸也是通過光纖傳輸實現。
為保障光纖通訊中斷時，調度中心仍能夠采集現場運行數據。結合城門山銅礦 4G 無線網絡系統建設項目，實現 PLC 控制柜與調度中心上位機之間的無線通訊。該通訊方式作為一種備用方式，確保對各泵站的不間斷監控。主要實現方式為 ：在各泵站現場安裝 EG860 CPE（寬帶無線路由器），與礦區內的基站連接完成系統組網，PLC 系統可通過網口有線方式或 WiFi 無線方式接入到該 LTE無線網絡，最終可實現 PLC 與上位機之間的無線通訊。
2.3 遠程監控系統
遠程監控系統設置在采礦場調度中心［4］，并配置兩臺工業計算機和服務器，通過光纖通訊和4G 無線網絡通訊，并且基于組態軟件 Intouch 軟件平臺，對 PLC 控制器內相關數據進行實時采集，發出控制命令并監控系統的整體運行。組態軟件能充分的利用其強大的圖形編輯功能，以動畫的方式直觀的顯示監控設備的運行狀態，方便的構成了監控畫面和實現控制功能等。
3 泵站自動控制系統設計
根據城門山銅礦采礦場的現狀，確定對 10# 坑泵站、+20 固定泵站、+30 固定泵站、疏干泵站和W 泵站作為無人值守泵站的改造對象。因各泵站的硬件設施、控制邏輯方式基本相同，本次以 10#坑排水泵站為例進行自動控制系統的設計。
3.1 排水泵站現狀
10 號坑排水泵站［2］由 2 臺單級離心泵、2 條排水管路及相應輔助系統組成。水泵等相關設施安裝在浮筏上，并置于水倉中。水泵吸水管安裝DN300 底閥，出水管安裝 DN150、PN16 閘閥，泵組法蘭為 DN150，PN25 尺寸。10 號坑管路采用DN400 鋼絲管骨架復合管鋪設，排水至 +20 泵站，全程約 800m，現場低壓配電室至水泵距離約為300m，水泵采用變頻器控制。
3.2 排水泵站自動控制系統硬件改造
為實現泵站的自動控制，現有設備不滿足需求，需要對硬件進行改造。具體如下 ：
在浮筏邊安裝一臺潛水泵，用于水泵灌引水 ；水泵前端安裝補水球閥和排氣閘閥，排氣閘閥上安裝流量開關，用于灌引水排除水泵空氣及檢測空氣是否排空 ；水泵出水口更換成電動閘閥 ；在水泵出水口管路與排水管出水口管路附近分別安裝壓力傳感器、流量計，用于監測排水管道的壓力與流量，通過數據差值判斷管道是否泄露 ；在水倉中安裝液位計、濁度儀和 pH 計，分別用于監測水位、水質和水倉的酸堿度，并進行判斷是否可以排水 ；在電機上安裝溫度傳感器和震動傳感器，用于判斷電機運行是否正常 ；在控制柜上安裝 485 通訊模塊，用于采集變頻器電壓、電流。
另外，為方便水泵等現場控制和監測信號的采集，在水泵周邊安裝一臺信息采集柜，PLC 控制柜放置在低壓配電室內。信息采集柜與 PLC 控制柜之間采用光纖通訊。
3.3 PLC 邏輯控制設計
（1）水泵正常啟停邏輯控制流程 ：水倉水位到達設置上限→開啟補水球閥和排氣球閥→開啟潛水
泵→監測流量開關有水流出→關閉補水球閥、停
止潛水泵和排氣球閥→開啟水泵、打開出水口電動
閘閥→水倉水位到達指定下限→關閉出水口電動閘
閥、停止水泵運行 ；
（2）管路泄露邏輯控制 ：檢測前后管道壓力差
異常或檢測前后管道流量差異常→判斷管道泄露→
停止水泵或禁止水泵啟動 ；
（3）監測參數異常邏輯控制 ：電機運行溫度、震動、電流、電壓、流量、壓力、水質等監測數據出現異常→立即關閉閘閥并停止水泵電機運行或者禁止電機啟動，同時進行報警→自診斷，判斷故障→檢修模式。
4 實現的功能
（1）泵站自動控制功能 ：通過對各泵站執行機構的邏輯控制，實現各泵站的自動控制 ；
（2）管道泄露檢測功能 ：通過對管道壓力差和流量差進行實時監控，低于系統設定值時自動報警，實現管道泄露監測 ；
（3）節能功能 ：對兩臺水泵運行時間進行均衡調配，保證水泵均衡使用，延長泵組的使用壽命 ；保證移峰填谷節能措施，在保證安全供排水的情況下，系統自動選擇用電平谷期進行供排水 ；
（4）安全功能 ：擁有遠端控制和就地控制兩種模式，滿足現場操作的需要，當出現信號中斷后，系統會發出報警，自動轉入自動控制 ；全方位監測供排水各環節，對系統出現異常提前給出預警 ；嚴格按照水泵啟停的邏輯順序進行正常供排水。
5 結語
隨著城門山銅礦智能化礦山建設的不斷推進，無人值守泵站建設對礦山的發展有著重大的意義，改變了現有泵站的管理與運行模式，增強了設備的安全性、可靠性，降低了工人的勞動強度，創造了節能降耗的經濟價值。露天礦山無人值守系統主要利用了組態軟件、PLC 控制、4G 無線網絡、視頻監控、安全經濟運行與管理等關鍵技術。該礦智能化礦山建設一期項目設備與工藝智能化組無人值守泵站的系統設計充分考慮了礦山的現狀及需求，克服了地形及距離的影響。該系統 能夠實現水泵各數據監測、運行狀態監測、故障報警、故障自診斷與自恢復、自動化控制、遠程數據傳輸等功能。在系統后期建設和運行的過程中，不斷進行系統功能的完善與優化，摸索自動控制系統的運行與管理經驗，最終實現泵站的無人值守。
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