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自动化技术提升矿山设备现代化水平
[ 作者: 人气:2434 日期:2009-11-9 ]
自动化技术提升矿山设备现代化水平
近几年来,兖州矿业(集团)有限责任公司及其下属各矿(厂)针对矿山地面和井下运输、通风、提升、选矿、电力和供水等各种设备在运行实践中发现的问题进行了认真分析和归纳,总结运行经验教训,根据已有的适用新技术制定了自动化改造方案并且进行了实施,同时还取得了一批研究成果,有效地保障了设备的安全、优质运行,对于国内同行具有很好的参考价值。

1 风叶自动调整装置的微控制器系统

矿山井下需要反风或者调整通风量的大小时,必须调整主扇风机风叶的角度才能实现。人工调整风叶存在费时、费力、定位不准确等缺点。为了满足煤矿安全规程规定的要求,兖州矿业(集团)公司济宁二号煤矿开发出了自动反风系统,风叶自动调整装置是其中关键设备之一,如何实现该装置自动控制是设备的重要内容。风叶自动调整装置是一套以液压泵站为核心的机械运行机构,通过液压马达驱动调整杆前进、后退、正转、反转来调整风叶位置。该装置的微控制器根据键盘输入的数据,通过控制液压系统中不同电磁阀的通、断调整风叶到达预定位置。

其工作原理如下:用小键盘输入风叶要调整的预定位置角度值,控制器通过角度编码器读取风叶当前位置角度值,两数值比较后确定调整杆的运行方向,控制器输出控制信号驱动相应的电磁阀执行风叶调整动作。调整过程中控制器不断读取风叶当前位置角度值并与输入值比较,两数值相等即表明风叶到达预定位置,调整杆退回。根据风叶自动调整装置的功能要求,微处理器要处理的数据较多,控制功能需要在系统调试过程中根据具体要求作出相应的变化。因此,他们在控制器选型中没有选择现有的成熟产品,而是根据系统的功能要求用单片机自行开发适用的控制器以满足系统的要求。此外,系统供电选用隔离变压器用以屏蔽电源系统的高频电源干扰;单片机系统的前向通道和后向通道均采用光电隔离技术用于隔离信号通道对单片机系统的干扰;在供电回路的交流端选用TVS电路用于抑制供电回路的瞬间高电压。该装置具有使风叶调整迅速、停位准确、节省人力等优点,实践证明完全能够达到《煤矿安全规程》的要求。

2 乘人装置智能型电控系统

由兖州矿业(集团)公司机械制修厂研制的利用串行通讯方式能够在远方多功能控制乘人装置的自动控制系统,具有自动程序控制、保护齐全、安装方便等优点,已经在济宁二号煤矿、兴隆庄煤矿、鲍店煤矿等特大型煤矿成功地得到了应用。济二煤矿的整套乘人装置安装工况条件如下:混合巷道,湿度大,整体平运趋势且起伏较大,乘人装置长度1700m,沿线共设有6个分站点,控制的电动机型号为YB-37,额定电压为660V,额定转速为1000rpm。

乘人装置智能型电控系统适用于矿山井下单一巷道、混合巷道、混合交叉巷道等的乘人装置控制。该系统主要是由磁力启动器、电控箱(主站)、分控箱(1~12个分站)及速度传感器等组成的。其保护功能主要有以下6种:①打滑保护。系统发出起车信号后或乘人装置运行中发生阻碍时,在一定的时间范围内,如果主控制系统接不到速度反馈信号或速度低于规定值时(由程序而定),系统确认为打滑故障,停车并显示故障信息。②越位保护。当运乘人员到达乘人装置两端而没有及时下车时,系统实行越位保护,停车并显示故障信息,保障运乘人员的人身安全。③脱绳保护。当乘人装置的钢绳脱落时,系统实行脱绳保护,停车并显示故障信息。④绞车闭锁。在混合巷道、混合交叉巷道使用中,绞车和乘人装置之间互为闭锁,保障运乘人员的人身安全和运料生产的正常进行。⑤急停保护。当乘人装置发生意外事故时,可在乘人装置沿线紧急停车,防止事故的发生和扩大。磁力启动器不启动保护。系统发出起车信号后,如果在规定的时间内磁力启动器没有给系统反馈实际的启动状态信号,系统实行磁力启动器不启动保护。

3 西门子PLC在带式输送机控制系统的应用

兖州矿业(集团)公司机械制修厂根据煤矿井下运输的实际情况,选用西门子公司的S7-200CPU226可编程控制器对原有的电控系统进行了自动化改造,增加了新的功能。在济宁市运河煤矿的多年实践表明,该系统可靠性高、操作简单、运行稳定,而且具有可扩展性,为今后实现全矿井生产集中控制打下了良好的基础。

其主要功能特点如下:

⑴控制功能。系统设有自动/手动两种控制方式。微机控制箱上有正常起车、正常停车、紧急停车、故障复位等按钮。当系统发生紧急故障时,只有当故障排除后按下故障复位按钮才能重新起车。在自动状态下,按下电控装置的正常起车按钮,启动主电机,安装在输送机驱动滚筒下的速度传感器发出脉冲信号,PLC内部程序计算出输送机速度和启动加速度。根据预先设定的启动加速度与实际的加速度进行比较,其差值经过数据处理以后,控制步进电机调节数字压力阀控制油压的大小,将启动加速度控制在设定值的范围之内。

⑵保护功能。①沿线故障保护。为了更及时判断和处理故障,选用了故障地址识别装置,可以将沿线闭锁开关发来的跑偏、纵撕、闭锁等故障及故障地址、停机信号进行显示和处理,并且将信号用无电位接点的形式并行输出,供给PLC与其它控制装置。②电机温度保护。主电机定子绕组装入热电阻,变换成电流信号输入模拟量输入模块,CPU226把它换算成电机温度,和设定温度比较,检测到电机超温即停车,转故障处理。③电机电流保护。主电机电流经过电流变送器输出电流信号,输入到数字输入模块,检测出电机电流超过额定电流的时候就立即停车,转入故障处理。

4 胶带输送机自动张紧装置研制成功

随着井下长距离胶带输送机的广泛使用,胶带的伸长量亦急剧增加,常规的回柱绞车张紧装置由于受到张紧距离和张紧力的限制而难以适应500m以上胶带的张紧要求。此外,长距离胶带输送机的使用要求采用张紧力可调的张紧装置,启动阶段增大张紧力防止胶带打滑、等速阶段降低张紧力以维持胶带机的正常运行,但是利用传统的回柱绞车张紧时不具备这种功能。为此,中国矿业大学研制出了YZL-100型胶带输送机自动张紧装置,在兖州矿业(集团)公司兴隆庄煤矿的使用中体现出了优越的实用性能。

该装置主要是由1个液压站、1台液压张紧绞车、1个电控柜、1个压力控制器和1个张力监控装置组成的。在“自动”状态下,点动电控柜开关,给电控柜的可编程控制器供电,可编程控制器工作;液压站工作,打开液压张紧绞车制动器,液压张紧绞车张紧胶带至胶带启动时的张力;张紧完成以后,可编程控制器向控制台发出开机信号,胶带输送机运转,可编程控制器接通掖控系统的电磁换向阀线圈,电磁换向阀换向,胶带张紧力下降到匀速运转时的张力;胶带输送机正常运转后,可编程控制器自动停止液压站的工作,并自动制动液压绞车,保持胶带张力。胶带输送机正常运转的时候,如果张力降低到匀速运转所需张力的95%时,压力控制器发出信号,通过可编程控制器再次启动液压系统,调整胶带的张力;动作完成以后,液压站自动停止工作并制动液压绞车。胶带输送机停止运转以后,点动电控柜开关,可编程控制器停止工作,此时胶带保持正常运行时的张力不变。需要松胶带时,将电控柜转换开关换到“手动‘位置,可通过操作液压站内的手动换向阀控制绞车的转向,完成胶带的松弛。

5 井筒PLC提升信号及操车电控系统

矿山井筒现有的操车设备除推车机外均是气动控制,设备闭锁由二位三通电磁截止阀来实现。由于外部闭锁可靠性较差,设备间的闭锁关系和运行状态没有显示。山东省煤炭科学研究所采用PLC对其进行了改造,气路部分选用二位五通双控电磁阀来进行控制,解决了信号系统在传输过程中的抗干扰能力和适应矿山特殊环境的技术问题,实现了井筒提升信号与操车作业控制的自动化。

操车控制台装有模拟显示屏,左、右勾操车按纽共用,PLC机的输出端COM装有保险,以防短路过电流。原有的手动控制阀改为电磁阀,装在控制箱内。操车电控系统可以实现提升信号与操车设备之间的相互闭锁。当提物的时候,罐笼必须到位,发停车信号,接通操车主控回路后,按下操车主令钮才能进行操车;当提人的时候,除了安全门、摇台以外,其它设备均处于闭锁状态,待安全门关闭、摇台抬起以后,接通提升信号回路才可以发出提人的信号。另外,还有工作故障点自动检测、工作现场状态模拟显示、传感器故障点检测等功能。

PLC操车控制方式可以分为自动、手动、点动三种,根据现场情况进行选择。提升信号系统有声光兼备、数字显示、信号记忆、急停信号报警功能;信号之间闭锁、信号指令与绞车开车回路闭锁、水平安全设施(安全门、摇台、阻车器等)闭锁和显示、水平信号之间相互闭锁功能、提升信号与操车点控相互闭锁功能及其扩展;急停记忆功能和信号自动保护;提升勾数记数;“检修”信号类别、水平转换、调平信号显示;与信号显示同步的自动打点音响;对系统故障自动监视报警功能;简易备用信号系统;直通扩音通讯功能等。

6 主煤流胶带运输地面集中控制系统诞生

中国矿业大学和兖州矿业(集团)公司兴隆庄煤矿研制的“煤矿井下主煤流胶带运输地面集中控制系统”,集控制、检测和监测为一体,在我国首家实现了地面对井下主煤流胶带运输的长距离(10km以内)、多点位(2000点以上)信息传输和无岗点操作管理人员的远程集中监测监控,开创了我国地面远程集中控制煤矿井下机电设备的先例,系统自动化程度达到了国际先进水平。煤矿井下主煤流胶带运输地面集中控制系统以分布式计算机控制系统(DCS)为主,包括了地面控制中心、井下控制中心和11个监控分站,具有在线监测、分析以及完善的保护与报警功能,完全符合煤矿井下胶带输送机输煤系统安全生产的要求。

在兴隆庄煤矿井下的现场技术检测和工业性运行表明,该系统的技术性能达到了设计的要求,开机率由原来的60%提高到95%以上,系统输煤能力也从1000t/h提高到1200t/h,同时还极大地减轻了操作人员的劳动强度。专家们指出:此项成果运用自动化、计算机、传感器、工业电视、光纤通讯及网络技术,采用触摸屏或鼠标控制方式进行数据和图像信息传输,可以实现各个煤流方向胶带的顺序开停和无扰切换,具有打滑、跑偏、自动灭火断电、语音报警等各种保护功能,免除了人为因素的干扰,避免了整个胶带运输系统带载停车与堆煤事故的发生;它首次将先进的冗余技术应用于煤矿胶带输送机的集中控制,实现了地面和井下控制中心的3台计算机互为热备,提高了整个系统的可靠性;所开发的防爆兼本安型胶带输送机自动控制装置具有完善的数据采集和控制功能,亦可以作为单台胶带输送机的自动控制装置。

7 鲍店选煤厂实现跳汰机自动测控

兖州矿业(集团)公司鲍店煤矿选煤厂的主洗设备为4台LTG-15型跳汰机,自从推广应用了跳汰工艺检测和生产过程集散型的自动测控系统以后,减少了跳汰产品的灰分波动,跳汰机的数量效率提高了4%,斗式提升机的带煤量也有所降低,年创经济效益500多万元。这个厂的跳汰机自动测控系统主要是由跳汰机床层自动控制装置、通讯网络和操作站等组成的。安装在工业现场的每一个独立的床层自动控制装置用于对1台跳汰机的手动/自动控制控制柜设置1台CS910两回路智能式可编程序调节器,可同时对跳汰机的Ⅰ、Ⅱ段放料闸板和排料滚轮进行双重自动控制,除了主要用于床层的自动控制以外,另外还配置了后备手动操作所必须的检测、操作、指示等仪器、仪表,以保证故障状态下的连续生产。利用可编程序调节器的通讯功能,把4台床层自动控制装置通过通讯网络,将各跳汰机的工作状态及运行参数送至主要由工业控制计算机组成的操作站,通过彩色CRT集中监测各跳汰机的运行状况,并且可以在操作站通过键盘修改各跳汰机的运行参数。由于床层自动控制装置具有多种显示控制、自编程功能,完全可以脱离操作站,独立完成对跳汰机床层的实时检测和自动调节,较好地体现了集散系统把危险、控制分散及监视管理优化集中的控制原则,取得了较为满意的应用效果。专家们指出:该集散型控制系统在跳汰选煤过程中的应用,极大地减轻了岗位操作工的劳动强度,提高了跳汰过程控制的技术水平和现代化管理水平,为合理控制跳汰产品灰分以获得更好的经济效益创造了有利的条件。

8 大型变电所综合自动化系统

兖州矿业(集团)公司东滩煤矿对35kV变电所的自动化系统进行了改造,采用ND3000厂站自动化系统实现了对全所的监测、控制、继电保护和运行管理,满足了电力系统要求的“四通”功能,建立了真正意义上的变电所综合自动化系统,为矿井数字化建设提供了可贵的实践经验,值得推广应用。该系统包括厂站层和间隔层,两者之间通过以太网联结,并且通过以太网与上级变电所和管理部门联结。间隔层主要为现场安装的各类分散式ND300系列保护装置,ND3000系列保护屏7台、NDX320线路保护装置42台、NDT330变压器保护装置2台和GPS校时装置、NDR320电容器保护装置2台NDK330电抗器保护装置2台。它们互相独立,并且与厂站层通讯。

该保护装置主要实现以下功能:显示一次设备电气主接线图和运行状态;U线、U相、I线、I相、有功功率P、无功功率Q、频率F和功率因数等运行数据显示;显示事件、采样值、定值、参数及传动信息等菜单选项。厂站层包括NDJ300自动化监控系统2套和NDM300通信管理装置2台。NDM300通信管理装置实现与设备及远方调度的通讯接口,进行信息交换。NDJ300自动化监控系统是系统监控单元,提供良好的人机界面,可以显示以下信息:实时监控画面;信息采集画面;遥测数据曲线;有语音系统与之配合的保护动作时间显示;故障录波;保护信息管理;电度量报表画面。另外,在该系统的基础上安装了RS232/485通信接口的新型智能电度表、直流屏和其它智能设备,并且与微机监控系统保持正常通信,实现了远程抄表和自动抄表。35kV变电所是矿井的枢纽变电所,对于保障矿井供电安全可靠性起着关键的作用,大型变电所综合自动化系统的成功应用为该矿将来实施集中控制打下了良好的基础。

9 CAN总线技术在电力调度自动化系统应用

山东科技大学与兖州矿业(集团)公司兴隆庄煤矿在实施电力调度系统的时候,设计应用了站点内部数据采集模块的通信解决措施。经实际运行证明,CAN总线在电力调度的大系统中作为站点内部智能数据模块与计算机之间的通信网络,在通信速度、通信距离、抗干扰等方面完全能满足控制系统的要求。计算机科学的发展以及现场总线控制系统在数据交换的实时性、准确性、快速性方面的突破性进展,为电力网系统经济、合理的调度运行提供了技术保证和技术支持。CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。在该电力调度系统,每个分站点均由工控机和若干测控接点组成。所有的测控点都以“平等主体”挂接在总线上,每一点对应35kV回路或者6kV回路的测控。测控点能够采集对应回路的遥信量及遥测量,能根据接收到的命令主动将数据发送到CAN总线,通过预先设定的验收码和验收屏蔽码可以控制该测控点从总线上接收哪些数据或命令。站点工控机通过CAN卡从CAN总线上接收各节点数据进行处理,再通过网卡到集团千兆网,转发到总调度中心。该智能测控节点的软件由两部分组成:一部分为初始化程序,包括对单片机本身的中断、定时器串行口等的初始化和CAN控制器的初始化;另一部分为测控供电回路电量参数的数据采集处理。经过此次煤矿电力调度自动化站点测控节点CAN总线的设计及实践应用,他们体会到了CAN总线比以往采用的其它形式总线在速度、抗干扰能力及高性能上有着巨大的区别,CAN总线设计灵活、可靠性高、布线方便,更加适合于工业领域到各种集散控制系统。

10 高岭土剥片机自动控制系统研制成功

剥片机是高岭土超细加工的关键设备。迄今为止,国内的剥片机一直采用就地监控、就地手动调节的方式,自动化水平较低,调节难以掌握,而且车间设备噪声大,工人劳动环境恶劣。针对这种情况,兖州矿业(集团)公司北宿煤矿高岭土厂成功地对BP-500剥片机就自动控制系统在高岭土超细加工中的应用进行了研制开发。如何在给料泵流量、剥片介质及分散剂的添加量之间寻找****工况点是控制的关键。传统的控制方式为:首先,添加一定量的剥片介质,根据化验数据调整给料泵的流量;其次,每一级磨矿设备配备一人随时观测浆料液位。由于人工调节的随意性较大,产量和质量的波动性大,设备的运行难以达到****状态,不能充分发挥设备的生产能力。利用工业控制计算机实现生产的集中监控以后,解决了上述问题。

将设备在一定介质填充量(通过主机电流间接反映)情况下****工况的有关参数输入到计算机中,计算机根据剥片介质的填充量、流量和原料浓度调整产品的产量,使系统在保证质量的前提下提高产量。由于分散剂的添加不均匀,在末级磨矿设备有时会发生浆料的膨胀,造成浆料溢流“冒顶”事故的发生,给加工设备带来损害。因此。防止事故的发生是控制系统的一项重要工作。在不同的剥片介质填充量下,给料泵的流量有上限,当液位尚未达到正常工作高度时,计算机能够根据程序的设定自动调节流量。当液位高或超高时,计算机一方面报警,一方面自动将给料泵的流量降低,防止浆料溢出“冒顶”。这样,既保持了质量和产量的稳定,又保证了生产的安全,使主机的运行状态自动稳定在较好水平。

11 输供水系统实现智能化自动控制

山东科技大学和兖州矿业(集团)公司鲍店煤矿采用微机与PLC联网,通过调制解调器通讯网络,对该矿的15座水源井进行集中远程控制,实现了遥测、遥信、遥控;同时,采用PLC与变频器相结合,对供水泵实现了变频恒压供水自动控制。该矿的地下水源是由15座水源井和6台55kw供水泵及安装在水源泵房内的22kw深井水泵组成的输供水系统。自投运以来,一直采用就地控制、人工操作。各水源井水泵的工作只得根据目测水池水位来控制水泵的开停台数,经常出现水池缺水或溢水。新的输供水控制系统分为分别设置在工区、供水站和各水源井泵房内的总调度中心、控制中心和现场子站3个层次。输水系统对水源井泵站水泵的电机电流、机壳温度、出水压力等运行参数及保护信号进行遥测,并根据实际用水量大小对水泵的启停进行遥控,从而使各现场水源井泵房实现了全自动控制。供水系统中,西泵房4台泵为直接启动,东泵房2台泵为降压启动。由于水源、动力、需求等关系不是一个“闭环系统”,供需双方无法进行合理的系统控制,因此采用全自动恒压变频调速控制系统,并对原有控制系统进行了技术改造。东泵房的供水泵改用变频恒压控制,实现了全自动变频调速向管网恒压供水。西泵房的2台泵改用变频恒压控制,其余2台泵使用原来东泵房的降压启动控制柜。这样,在用水低峰期投运1台变频控制器,便可以向管网供水;在用水高峰期,投运2台变频控制器,加上2台降压启动的备用泵,组成多种运行方式。实践表明:此种方式既考虑了投资的经济性,又保证了供水的可靠性和运行的安全性。

12 自动化技术在生活污水泵房的应用

兖州矿业(集团)公司济宁三号煤矿将恒水位变频技术和PLC自动监控装置应用在生活污水处理系统中,对污水处理过程实现了自动化、智能化控制。这个煤矿的生活污水是由污水池经2台防腐污水泵排放的。其中一号泵为15kW、60m?/h的离心式耐酸陶瓷泵,二号泵为30kW、400m?/h的离心式污水泵,2台泵共用1条Φ200mm排水干管。原先由值班人员根据液位高度变化人工掌握开启一号或二号泵。由于生活污水是昼夜不停排放而且流量不断变化的,值班人员对水位很难控制,两台泵难以及时切换。另外,二号泵由于流量较大,又无节能调速措施,能源浪费严重。为此,他们对生活污水的排放进行了技术改造:对二号泵增加变频调速装置,以节能降耗,减少运行费用;实现有水位控制的污水泵站自动化,达到无人值守的目的。离心式水泵的流量与转速成正比,通过改变电源频率、调节电机转速,达到按需要改变流量的目的。

此系统主要是由变频器、液位传感器、控制柜、水泵等组成的。工作的时候只要将污水池水位与给定水位进行比较,其差值经过运算以后控制变频器的输出频率,并且最终控制水泵的电动机转速。挡水池水位增高的时候,与给定水位进行比较以后变频输出频率增高,排水量增大;反之亦然,使系统保持恒水位排水。高低水位计选用浮球式控制开关,挡水位降低到最低水平的时候,水泵停机。此外,变频器本身的保护也很完备,对电动机缺相、堵转、过流、过热、欠压等保护灵敏可靠。该自动化控制系统还可以与螺旋泵房等设施配合使用,通过超声波浊度仪对水质进行监测,用螺旋泵房等配套设施将不达标的生活污水排入处理站重新进行处理,直至达标以后才向外排放。

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