基于自愈环网的矿井排水控制鲁棒性设计.pdf

自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 6 年 第 3 5 卷 第1 期 行 业 应 用 与 交 流 n d us t r i a l Ap pli c at ion s a n d Co mm u n ic at io ns 基于自愈环网的矿井排水控制鲁棒性设计 l、 玉明 ， 王 琨 ( 1 铜陵有色设计研究院 ， 安徽 铜陵 2 4 4 0 0 0 ； 2 黑龙江省教育学院 ， 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 8 0 ) 摘 要 ： 井下主排水泵在矿山安全生产中占有重要地位 ，以沙溪铜矿井下排水泵系统为例 ， 基于工业以太 自愈环网技术 ，采 用 PAC S y s t e ms RX3 i 及先进的过程控制软件设计了矿山井下主排水监控系统 ， 对井下排水设备 自动控制和智能调 度 ， 该系统能够进一步提高系统的可靠性和鲁棒性 ， 有效节约能源 ， 降低工作人员劳动强度 ， 促进矿山的生产 自动 化水平。 关键词 ：自愈环网 ； 主排水系统 ； 鲁棒性设计 中图分类号 ： T P 2 9 文献标识码 ： B 文章编号 ： l 0 0 3 7 2 4 1 ( 2 0 1 6 ) 0 卜0 1 3 2 0 4 Ro b u s t n e s s De s i g n o f Mi n e Dr a i n a g e Co n t r o l Ba s e d O n Se l f - h e a l i n g Ri n g Ne t wo r k BU Yu - mi n g ， W ANG Ku n ( 1 T o n g l i n g N o n f e r r o u s De s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e ， T o n g l i n g 2 4 4 0 0 0 C h i n a ； 2 H e i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f E d u c a t i o n ， Ha r b i n 1 5 0 0 8 0 C h i n a ) Abs t r a c t ：Th e u nd e r g r o u nd ma i n d r a i n a g e p u mp p l a y s a n i mpo r t a n t r o l e i n mi n e s a f e t y p r o d u c t i o n i n S h a x i c o p p e r mi n e ，t a k e u n d e r g r o un d dr a i n a g e p u mp s y s t e m a s a ll e x a mpl e ， i n d us t r i a l Et h e m e t t e c h n o l o g y b a s e d o n s e l f - h e a l i n g r i n g ， t h e ma i n dra i n a g e mo n i t o r i n g s y s t e m f o r un d e r gro un d mi n e d e s i g n u s i n g P ACS y s t e ms RX3 i a n d a d v a n c e d p r o c e s s c o n t r o l s o ft wa r e f o r t h e u n d e r gro un d dra i n a g e e q u i p me n t ， a u t o ma t i c c o n tro l a n d i n t e l l i g e n t s c h e d u l i n g Th e s y s t e m fi m h e r i mp r o v e s t h e r e l i a b i l i t y a n d r o b u s t n e s s ， e ffe c t i v e l y s a v e s e n e r g y , r e d u c e s l a b o r i n t e n s i ty o f wo r k e r s ， and p r o mo t e s t h e a u t o ma t i c l e v e l o f p r o d u c t i o n o f mi n e Ke y wo r ds ： s e l f - he a l i n g rin g n e t wo r k ； ma i n dra i n a g e s ys t e m； r o b u s t d e s i g n 1 引言 在矿山地下开采过程 中 ， 矿难事故时有发生 ， 其中 透水事故就是其中之一 ， 矿山地下开采往往伴随着矿井 不确定 涌水 ， 一旦涌水不 能及时排 除 ， 就 会影响矿 山的 正常开采 ， 如果水量过大会有淹没矿井的危险 ， 甚至会 危及井下作业人员的生命安全。矿井井下泵房担负着排 除矿山积水的重任 ， 矿山井下主排水系统是综合 自动化 控制系统的子系统之一 ， 承担井下全部涌水的排出任务 ， 排水系统高效、可靠、节能、安全地运行对于矿井的安 收稿 日期 ： 2 0 1 5 - 0 2 - 2 8 全生产意义重大。传统的控制系统采用人工操作、继电 器控制方式 ， 存在操作复杂、故障率高 ； 而近年来开发 使用的排水 自动化控制系统 ， 多为单 P LC控制结构 ， 为集 中式控制方式 ， 即使在多 P LC的控制下 ， 控制子 系统和主系统之间的通讯方式多为总线式或星型结构 ， 存在可靠性差的缺点 ， 一旦正在工作的某一控制站掉电 或通讯线路发生故障 ， 数据可能出现阻塞现象 ， 使系统 运行参数和设备状态信息无法上传 ， 控制命令无法下达 ， 系统运行具有安全隐患。 本文根据沙溪铜矿地下涌水量、排水主泵的供 电方 式、系统的节能要求以及全矿信息化建设实际情况 ， 设 行 业 应 用 与 交 流 I n du s t r ia l Ap p l ic a t i o n s a nd Commu n i c a t i o n s 自动化技术与应用 2 0 1 6年第 3 5卷第 1期 计了一套基于工业以太自愈环网的矿井主排水自动化系 统 ， 实现井下排水系统的无人化操作 ， 使其操作控制系 统能够根据水仓水位的变化、用 电的峰谷状况、主水泵 运行的时间进行实时监测、及时预报、自动启动运行、 自动排水 ， 让水仓水位始终处于安全水位及以下 ， 防止 井下积水过多 ， 导致透水事件的发生。 2 井下主排水自控系统组成 2 1 硬件结构组成 沙溪铜矿井下主排水系统由4台 1 4 0 0 k W 主排水泵、 2台真空泵、电动闸阀、手动闸阀、电动球 阀及排水管 路等设备组成 ， 其中4台 1 4 0 0 k W 主排水泵采用 2用 1 备 1 检修的运行方式 ， 为了提高运行的可靠性 ， 4台主 排水泵主回路采用二段母线供电 【 l l ， 每段母线分别对 2 台主水泵及其控制单元供 电 ， 当一段母线中段供电时 ， 另一段母线自动投入供电。 主排水 自动化系统基于可编程序控制器 P L C控制 技术 】 ， 实现参数 自动采集、程序运算处理 、设备 自动 控制、参数动态显示及故障记录报警等功能 ， 另外通过 工业以太网将井下主排水 自动化系统与矿井综合自动化 控制网络互联 ， 将系统参数上传至地面调度室 ， 实现井 下主排水系统的远程监控和无人值守功能。 为了增加系统的可靠性和鲁棒性 b J ， 以每个主排水 泵为一个单元设置控制子站 ， 另设一个控制主站。各从 站可独立操作和 自动控制 ， 主站负责集中控制、调度及 水位的采集 ， 设置双水位传感器 ， 进行综合判断。系统 控制架构如图 1 所示。 主站 和 4 各 子站可编 程序控制器 均采用美 国通 用 电 气公司 ( G E ) 的 P AC S y s t e ms RX3 i ， 主站采用专用的热 备 C P U来实现双机热备。 2 2 光纤 自愈环网 光纤通信系统的类型主要有 S DH( S yn c hr o n o I I S D i g i t a l Hi e r a r c h y ) 和 P D H( P l e s i o c h r o n o u s Di g i t a l Hi e r a r c h y ) 光纤通信系统。网络的拓扑结构主要有星型 结构、环型结构、总线结构、分布式结构、树型结构、 网状结构、蜂窝状结构等。由环型结构通过环网交换机 等网络设备 及相应的设置便组成 S D H 自愈环网 。 S D H 自愈环网在网络发生故障时 ， 无需人为干预 ， 网络 自动地在极短的时间内 ， 使业务 自动从故障中恢复传输。 目前 ， 应用比较广泛的自愈环网主要有二纤单向通道保 护环和二纤双向复用段保护环。二纤单向通道保护环的 保护方式为通道保护 ， 基于 “ 并发优收”的原则 ， 而二 纤双向复用段保护环是将每根光纤的前一半时隙传送主 用业务 ， 后一半时隙传送额外业务 ， 即一根光纤的保护 时隙用来保护另一根光纤上的主用业务。在二纤双向复 用段保护环上无专门的主、备用光纤 ， 每一条光纤的前 一 半容量时隙是主用信道 ， 后一半容量时隙是备用信道 ， 两根光纤上业务流相反。有关 自愈环网的相关配置 ， 请 参阅参考文献 1 。 S DH 自愈环网的优越性与传统的专用纤芯 嘲相比 ， 自愈环网传输保护信号具有以下几点优越性 ： 利用传输通信业务的系统进行传输 ， 不占用光纤 资源 ， 也不需要额外投资 ； 自愈环网为双向传输 ， 并且具有 自愈功能 ， 任何 图 1 排水自控系统组成架构图 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 6 年 第 3 5 卷 第1 期 行 业 应 用 与 交 流 Ind u s t r i a l Ap p l ic at i o n s a n d Co mm u n i ca t io n s 一 个方向发生故障不影响保护信号的传输 ； 专用纤芯保护的迂回通道可能存在距离比较远的 问题 ， 无法实现直接光通信的问题 ， 而自愈环网能够满 足长距离传输的要求 ； 专用纤芯通道无法进行远程监测 ， 需要值班人员 经常巡视 ， 自愈环网能够实现远程监控 ， 可以及时地发 现通道的异常状况。 根据沙溪铜矿排水 自控组网的架构和二段母线供 电 等特征 ，即使某一母线掉电 ， 所在该母线上的控制设备 和交换机因掉电而不能工作 ， 选择二纤双向复用段保护 环的自愈环网 ， 控制系统之间也能正常传输数据及控制 指令 ， 从而大大提高系统控制的可靠性。 2 3 系统软件设计 系统软件完全是根据井下 自动排水的相关功能和目 标而设计 ， 需要对排水所涉及的各种设备进行全面的监 测和控制 ， 能实时地对水仓水位高度、真空度、水泵启 动过程、运行状态、停止过程、故障诊断、警报处理等 一 系列过程进行有效的监测 ， 同时需要对电动机和电动 闸阀机的控制。需要实现的功能如下 ： 系统监控参数及界面 ： 以模拟图的方式显示主排 水系统运行界面、水泵供电系统界面、水泵操作界面、 水泵运行曲线、自动化控制系统结构图等。在界面中以 文本或静态 动态图形的方式来显示主排水泵、真空泵 的运行状态 ， 电动球阀和电动闸阀的运行状态及开闭位 置 ；以趋势图或数字形式动态显示水仓水位、主排水泵 出口压力、排水管路流量、主电机绕组及轴承温度、主 排水泵轴承温度 、配电装置 电力参数等实时值。参数动 态显示的同时 ， 设定报警限值 ， 采用改变图形颜色、闪 烁等方式进行报警 ，自动记录故障时间、类型等数据 ， 为故障处理、运行决策提供支持。 根据水 仓水位上升率 ，自动控制主排水泵的起 停、投入水泵台数和选择排水管路 ， 实现主排水系统的 最优控制 ； 结合水仓水位信号的同时根据矿井井下电网实时 用电负荷量的大小及供 电部门规定的平段、谷段、峰段 供 电电价时间段 ，以 “ 避峰填谷 7 J ”的原则确定开、停 水泵时间 ， 合理使用水泵 ， 节约电费 ； 根据采集的设备故障信号 ， 及时报警并切除故障 设备 ， 投入备用设备 ， 保证主排水系统的安全可靠运行 ； 根据设备 “ 均匀磨损”的原则 ， 控制器对设备起 停次数、运行时间和管路使用次数等 自动累计 ， 合理调 度工作设备与备用设备 ； 3 系统主水泵控制过程 基于 P LC控制的矿山井下 自动排水系统对系统主 水泵组的控制是以水仓水位作为水泵的启停基本条件。 井下水仓水位根据水仓涌水量 由深到浅划分为四个水位 段 ： 超限水位 Hl 、报警水位 H2 、启泵水位 H3 、停泵 水位 H4 ( 水位下限 ) 。同时也要考虑到井下电网用电量 的峰谷阶段 ， 优化调控水泵的启停与运行台数。当探测 器检测 到的水仓 水位值 为 H4时 ， 表示 水仓 水位在低 限 水位以下 ， 此时水泵机组并不投入运行 ； 当某一时段的 水仓水位达到启泵水位时 ， 首先通过真空度探测器检测 泵内真空度 ， 真空度达到开启要求时即可启泵。当水位 上升至报警水位 H3 时 ， 再对井下用 电量的负荷高低值 进行检测和判断。若用 电负荷处于低谷阶段时 ， 说明此 时电网的负荷不大 ， 可以立即启泵 ； 若处于用电高峰时 ， 则暂缓启动 ； 但是若水位继续上升 ， 达到 Hl 水位时或 水位继续上升且速率高于设定值时 ， 那么不论电网负荷 高低如何 ， 必须立即启动水泵进行排水 ； 同时本排水系 统还会根据水仓涌水量的多少来控制水泵开启的台数。 如果已经开启若干台水泵进行排水 ， 但是水位还是继续 上升 ， 则表明此时所开启水泵的排水量 已不足以将超限 水位降至安全水位以下 ， 这时 自动控制系统会 自动调整 开启水泵的台数 ， 以相当的排水能力来排除矿井涌水 ， 必须使 水仓 水位 下 降到水位 下 限 H4 。当检 测 单元检 测 水位己经达到安全水位后 ， 水泵机组方能停泵。 4 结束语 本系统在设计制造及安装运行过程中 ， 严格按照国 标 G B T 2 5 9 2 8 2 0 1 0( ( 过程工业 自动化系统出厂验收 测试 ( F AT ) 、现场验收测试 ( S AT ) 、现场综合测试 ( S I T ) ( 下转第 1 3 8 页) 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 6 年 第3 5 卷 第 l 期 行 业 应 用 与 交 流 n d u s t r ia l Ap p l ic a t i o n s a n d Commu n i c at ion s 图4是接收后端插件 ， 数据采集模块安装在插件里。 基于 ML AT的雷达系统在合肥新桥机场架设完成 ， 按 正常工作模式全状态运行 ， 数据采集工作稳定 ， 与信号 处理通信无误码 ， 满足设计需求。 5 结束语 本文阐述了机场场面监视雷达中的数据采集系统的 设计 ， 系统运行结果表明该设计方案可行、 可靠。但是 ， 在调试过程中 ， 发现有如下几点需要重点关注 ： 虽然选 用的 A D芯片是低功耗芯片 ， 但是 由于其封装很小 ， 导致发热量较大 ， 需要进行散热处理 ； 数字地和模拟地 需要严格隔离 ， 特别是开关电源的滤波处理 ， 这对系统 的信噪比有很大影响。这些将在后续的设计中加以改进。 参考文献 ： 1 】丘美 ， ML AT系统在广州机场场面监视雷达系统中的 应用 J 】 科技传播 ， 2 0 1 3 ， 1 0 ： 1 9 0 -1 9 1 2 】张永梅 ， 李强 ， 马礼 ， 胡蕾 一种机场目标检测与定 位方法 J J 计算机测量与控制 ， 2 0 1 4 ， 2 2 ( 6 ) ： 1 7 3 5 -1 7 3 7 ， 1 7 5 3 3 】丛秋 ， C y c l o n e I V拓展低成本和低功耗 F P GA优势 J 】 电子设计技术 ， 2 0 0 9 ， ( 1 2 ) ： 1 6 4 】A D9 2 1 8 d a t a s h e e t D B OL 】 ， h t t p： www a n a l o g c o m s t a t i c i mp o r t e d -f i l e s d a t a _ s h e e t s AD9 21 8 p d f ， 2 0 0 6 5 】郭崇贤 ， 相控阵雷达接收技术 M 北京 ： 国防工业 出版社 ， 2 0 0 9 6 】 AD 8 0 0 9 d a t a s h e e t DB OL ， h t t p ： WWw a n a l o g c o m s t a t i c i mp o r t e d -fi l e s d a t a _ s h e e t s AD8 0 0 9 p e l f ， 2 0 0 4 7 】AD8 1 3 8 d a t a s h e e t D B O L ， h t t p： w唧 a n a l o g c o m s t a t i c i mp o r t e d -fi i e s d a t a _ s h e e t s AD8 l 3 8 p d f 2 0 0 6 作者简介 ：肖圣兵 ( 1 9 8 0 - ) ， 男 ， 工程师 ， 从事雷达数字收发方 面的设计 与研究 ( 上接第 1 3 4页) 规范 进行 ， 制造假设故障 ， 编制测试程序 ， 严密进行 测试。实验证明 ，自安装运行至今 ， 均达到预想 目的 ， 实现了设计目标。 基于自愈环网自动排水控制系统以P L C作为控制核 心 ， 能够有效的对井下涌水量的变化进行实时监控 ， 及 时地 自动排水和发现故障 ， 避免透水事件的发生 ， 极大 地保证了矿山企业的稳定生产和矿山工人的生命安全 ， 能够使矿山企业在实现资源优化配置与节约的同时 ， 也 大大地提高了矿山企业的自动化控制水平、生产效率以 及经济效益。 本设计的创新点在于使用了自愈环网技术和水位多 传感器的设置 ， 提高了系统综合控制的鲁棒性 ， 达到无 人值守的目的。 参考文献 ： 1 王瑞捧 井下供 电与维修 【 M】 北京 ： 煤炭工业出版 社 ， 2 0 1 3 2 】张宝生 可编程序控制器应用实训 【 M】 北京 ： 机械 工业出版社 ， 2 0 1 3 【 3 】刘康志 ， 姚郁 线性鲁棒控制 【 M】 北京 ： 科学出版 社 ， 2 0 1 3 【 4 】李建林 局域网交换机和路 由器的配置与管理 M 北京 ：电子工业 出版社 ， 2 0 1 3 【 5 】张召贤 组网技术与网络管理 ( 第三版 ) M】 北京 ： 清华大学出版社 ， 2 0 1 3 6 6 王筱超 基于光纤传输技术的矿用工业以太网的可靠 性研究 D 】 郑州 ： 河南理工大学 ， 2 0 1 0 7 】刘利军 节电技术及其工程应用 【 M】 北京 ： 中国电 力 出版社 ， 2 0 1 1 作者简介 ： 张涛 ( 1 9 8 2 一 ) ，男， 硕士 ， 工程师， 研究方向 ： 核电 厂仪表 与控制