防爆電磁流量計遠程自動化控制系統的研究與應用
點擊次數：2906 發布時間：2021-01-01 12:15:58
摘要：我國煤礦多為井工開采，巷道掘進過程中使用大量的氣動設備，防爆電磁流量計擔負著礦井的壓縮空氣的生產任務，為風鎬、風鉆以及其它工具提供動能。傳統的單臺獨立控制、人工開停機的操作工藝，已經很難保證壓縮空氣的供氣質量，也不利于對電磁流量計的維護管理，為解決該問題，本文設計了基于PLC技術、計算機控制技術、網絡技術、光纖通訊技術的電磁流量計實現集中控制，通過采集處理電機電流、電壓信號，溫度、壓力信號，實現電磁流量計各種保護、報警、監控功能、風機的自動投入與退出。經過在貴州能發高山礦業有限公司實施，提高了礦井壓風系統的自動化程度，提高了防爆電磁流量計運行的安全性、可靠性，提高了安全生產和管理水平，實現遠程集中控制、實現無人值守，降低了工人勞動強度，大大提高了該礦電磁流量計工效及生產管理水平。
1 系統改造目標
為響應機械化換人、自動化減人，科技強安戰略目標的實現，貴州豫能擬在貴州能發高山礦業有限公司實施防爆電磁流量計控制系統自動化改造，預期達到下述目標：
1）對電磁流量計實施科學管理；
2）提高電磁流量計控制系統安全性、準確性、可靠性；
3）提高高山煤礦電磁流量計控制系統自動化程度；
4）協調生產系統中各系統之間的關系，提高機械和電氣設備的利用率，實現無人值守，提高安全生產和管理水平。
2 系統改造前現狀
貴州能發高山礦業有限公司電磁流量計房有3臺空壓機，3個風包，兩趟入井管路，電磁流量計電機額定電壓等級0.66kV。目前電磁流量計系統安裝有簡易在線監測系統，通過現場面板能夠簡單查詢風機狀態，但是采集傳感器安全不全面，無法對電機溫度等相關數據進行實時采集，當前系統的啟停主要靠人工的操作。迫切需要進行自動化改造，提高壓風系統自動化程度，提高系統效率。
3 系統方案設計與實施
防爆電磁流量計自動化系統主要由以下兩部分組成。
1）上位機
上位機設置在集中控制中心，主要包括控制計算機、顯示器、語音報警裝置及控制軟件等。
2）電磁流量計房監控單元
主要由PLC控制柜、電動閥門、傳感器等組成，為了實現空壓機房的無人值守及遠程自動化控制。經過充分的分析，本次PLC控制柜內的主站控制器選用西門子s7-1200系列PLC來保證系統可靠性，風機及管路上的閥門全部更換為電動閥門，現場加配傳感器實時采集現場物理量信號，并將其轉換為標準電信號傳送給CPU。
本系統現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，輸出標準電流信號4-20mA的傳感器，直接采集現場信號，以進一步提高整套系統的可靠性。同時現場安裝海康攝像儀實現視頻實時采集。具體如下：
1）現場PLC控制系統選用西門子S7-系列可編程序控制器作為監控核心。可編程序控制器能適應各種惡劣現場條件，現場抗干擾能力強的特點，且安裝維護方便，其模塊化結構，配置相應的通訊接口與各防爆電磁流量計控制器通訊；與上位計算機進行通訊可以采用Profibus或工業以太網；系統配置合理，技術可行，完全可以滿足現場使用要求。
2）在儲氣罐上加裝壓力變送器、溫度傳感器，實現風包壓力、風包溫度的實時采集。
3）在輸氣管道上安裝流量傳感器、溫度傳感器、壓力變送器實現實現排氣管路流量、溫度、壓力監測。
4）在電機配電設施上加裝電流變送器、電壓變送器實現電機電流、電壓等參數監測。
5）現場增加2臺500萬像素高速球型攝像儀，具備定點巡航、巡航軌跡設定等功能，實現電磁流量計房內外的視頻實時采集，保證在無人值守時，防止人員惡意破壞系統，索采集的圖像通過網絡進行傳輸及錄像存儲，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，遠程控制時通過上位機或系統自動打開、關閉閥門，實現系統自動恒壓供風。
7）現場配置的PLC控制柜，還配置有觸摸屏顯示屏，用于現場顯示工況等，滿足現場檢修需求，PLC的I/O接口預留20%以上的備用量，滿足系統擴容及維修需求。
8）儲氣罐（風包）放水閥門改為自動閥門，確保系統能夠根據需要實現定時排污。
4 系統功能
1）能夠自動采集、顯示電磁流量計的各種運行參數，控制電磁流量計運行。
2）能夠根據檢測到的信號判斷電磁流量計的工作情況，故障時能及時發出報警信號，并根據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、預告功能、保護及故障報警功能。
4）系統通過PLC及控制網絡可方便地采集現場設備開/停及故障狀態、電機電流等實時數據。
5）具有多種控制方式
根據系統設置，該系統可以實現以下集中方式下：PLC自動集控方式：在該模式下PLC根據設定的工作時間和工作壓力值、總管當前實時壓力值，自動判斷當前投入/切除系統中的電磁流量計臺數，經特定的運算處理，以便對運行中的防爆電磁流量計進行加載或者卸荷或切除系統、投入系統工作。
遠程控制方式：在該模式下，通過上位計算機的操作來在控制各電磁流量計系統的運行。系統對操作員有權限管理，有一定的權限的操作員才可以進行遠程操作。
6）實現自動恒壓供風
當系統在自動集控工作方式時，系統根據設定的供氣壓力值，自動控制卸荷或加載。當壓力值當風壓達到設定值時，自動停機（卸荷）；風壓降到低值時，自動啟動或關閉卸荷閥。
7）安全可靠地報警保護
每臺防爆電磁流量計均可具有：出氣壓力超限保護、出氣超溫保護、吸氣阻力過大保護、潤滑油超溫保護、潤滑油量不足保護、主電機超載保護等功能。
8）無人值守
實現多臺電磁流量計按程序執行啟動/停止電磁流量計操作，并控制相關的水泵閥門等，實現全自動化運行，無人值守。全自動運行方式下，系統可以按現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，實現防爆電磁流量計及冷卻水泵自動輪轉功能。
9）存檔功能
能夠將現場運行信息存入數據庫，以便于**進行歷史數據查詢。
10）曲線功能
可繪制各種模擬量參數的實時曲線及歷史曲線。
11)管理功能
監控軟件具有設備參數、運行、檢修和維護的管理功能。
5 結語
通過對貴州能發高山礦業有限公司電磁流量計房的自動化改造，改變了原來系統單臺獨立控制、人工開停機的現狀，通過PLC控制器實時采集、傳輸系統運行工況并在上位機實時顯示，同時系統根據采集的實時數據及數據變化趨勢進行預警與報警，提高了防爆電磁流量計組的運行效率，降低了工人勞動強度，通過恒壓供風策略保證了壓縮空氣的供氣質量，對電磁流量計的維護管理有了更科學的數據支撐，保證了開拓進度，達到系統改造預期目標。
1 系統改造目標
為響應機械化換人、自動化減人，科技強安戰略目標的實現，貴州豫能擬在貴州能發高山礦業有限公司實施防爆電磁流量計控制系統自動化改造，預期達到下述目標：
1）對電磁流量計實施科學管理；
2）提高電磁流量計控制系統安全性、準確性、可靠性；
3）提高高山煤礦電磁流量計控制系統自動化程度；
4）協調生產系統中各系統之間的關系，提高機械和電氣設備的利用率，實現無人值守，提高安全生產和管理水平。
2 系統改造前現狀
貴州能發高山礦業有限公司電磁流量計房有3臺空壓機，3個風包，兩趟入井管路，電磁流量計電機額定電壓等級0.66kV。目前電磁流量計系統安裝有簡易在線監測系統，通過現場面板能夠簡單查詢風機狀態，但是采集傳感器安全不全面，無法對電機溫度等相關數據進行實時采集，當前系統的啟停主要靠人工的操作。迫切需要進行自動化改造，提高壓風系統自動化程度，提高系統效率。
3 系統方案設計與實施
防爆電磁流量計自動化系統主要由以下兩部分組成。
1）上位機
上位機設置在集中控制中心，主要包括控制計算機、顯示器、語音報警裝置及控制軟件等。
2）電磁流量計房監控單元
主要由PLC控制柜、電動閥門、傳感器等組成，為了實現空壓機房的無人值守及遠程自動化控制。經過充分的分析，本次PLC控制柜內的主站控制器選用西門子s7-1200系列PLC來保證系統可靠性，風機及管路上的閥門全部更換為電動閥門，現場加配傳感器實時采集現場物理量信號，并將其轉換為標準電信號傳送給CPU。
本系統現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，輸出標準電流信號4-20mA的傳感器，直接采集現場信號，以進一步提高整套系統的可靠性。同時現場安裝海康攝像儀實現視頻實時采集。具體如下：
1）現場PLC控制系統選用西門子S7-系列可編程序控制器作為監控核心。可編程序控制器能適應各種惡劣現場條件，現場抗干擾能力強的特點，且安裝維護方便，其模塊化結構，配置相應的通訊接口與各防爆電磁流量計控制器通訊；與上位計算機進行通訊可以采用Profibus或工業以太網；系統配置合理，技術可行，完全可以滿足現場使用要求。
2）在儲氣罐上加裝壓力變送器、溫度傳感器，實現風包壓力、風包溫度的實時采集。
3）在輸氣管道上安裝流量傳感器、溫度傳感器、壓力變送器實現實現排氣管路流量、溫度、壓力監測。
4）在電機配電設施上加裝電流變送器、電壓變送器實現電機電流、電壓等參數監測。
5）現場增加2臺500萬像素高速球型攝像儀，具備定點巡航、巡航軌跡設定等功能，實現電磁流量計房內外的視頻實時采集，保證在無人值守時，防止人員惡意破壞系統，索采集的圖像通過網絡進行傳輸及錄像存儲，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，遠程控制時通過上位機或系統自動打開、關閉閥門，實現系統自動恒壓供風。
7）現場配置的PLC控制柜，還配置有觸摸屏顯示屏，用于現場顯示工況等，滿足現場檢修需求，PLC的I/O接口預留20%以上的備用量，滿足系統擴容及維修需求。
8）儲氣罐（風包）放水閥門改為自動閥門，確保系統能夠根據需要實現定時排污。
4 系統功能
1）能夠自動采集、顯示電磁流量計的各種運行參數，控制電磁流量計運行。
2）能夠根據檢測到的信號判斷電磁流量計的工作情況，故障時能及時發出報警信號，并根據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、預告功能、保護及故障報警功能。
4）系統通過PLC及控制網絡可方便地采集現場設備開/停及故障狀態、電機電流等實時數據。
5）具有多種控制方式
根據系統設置，該系統可以實現以下集中方式下：PLC自動集控方式：在該模式下PLC根據設定的工作時間和工作壓力值、總管當前實時壓力值，自動判斷當前投入/切除系統中的電磁流量計臺數，經特定的運算處理，以便對運行中的防爆電磁流量計進行加載或者卸荷或切除系統、投入系統工作。
遠程控制方式：在該模式下，通過上位計算機的操作來在控制各電磁流量計系統的運行。系統對操作員有權限管理，有一定的權限的操作員才可以進行遠程操作。
6）實現自動恒壓供風
當系統在自動集控工作方式時，系統根據設定的供氣壓力值，自動控制卸荷或加載。當壓力值當風壓達到設定值時，自動停機（卸荷）；風壓降到低值時，自動啟動或關閉卸荷閥。
7）安全可靠地報警保護
每臺防爆電磁流量計均可具有：出氣壓力超限保護、出氣超溫保護、吸氣阻力過大保護、潤滑油超溫保護、潤滑油量不足保護、主電機超載保護等功能。
8）無人值守
實現多臺電磁流量計按程序執行啟動/停止電磁流量計操作，并控制相關的水泵閥門等，實現全自動化運行，無人值守。全自動運行方式下，系統可以按現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，實現防爆電磁流量計及冷卻水泵自動輪轉功能。
9）存檔功能
能夠將現場運行信息存入數據庫，以便于**進行歷史數據查詢。
10）曲線功能
可繪制各種模擬量參數的實時曲線及歷史曲線。
11)管理功能
監控軟件具有設備參數、運行、檢修和維護的管理功能。
5 結語
通過對貴州能發高山礦業有限公司電磁流量計房的自動化改造，改變了原來系統單臺獨立控制、人工開停機的現狀，通過PLC控制器實時采集、傳輸系統運行工況并在上位機實時顯示，同時系統根據采集的實時數據及數據變化趨勢進行預警與報警，提高了防爆電磁流量計組的運行效率，降低了工人勞動強度，通過恒壓供風策略保證了壓縮空氣的供氣質量，對電磁流量計的維護管理有了更科學的數據支撐，保證了開拓進度，達到系統改造預期目標。