利用SCADA系统对银漫矿业矿井设备进行自动化改造

2021-02-27汪正果西乌珠穆沁旗银漫矿业有限责任公司内蒙古西乌珠穆沁旗026299

化工管理 2021年4期

汪正果(西乌珠穆沁旗银漫矿业有限责任公司，内蒙古西乌珠穆沁旗 026299)

0 对矿井设备进行改造的意义

矿山资源一直是我国经济发展的动力之一，随着技术进步，矿山企业的持续健康发展离不开现代化技术，尤其是矿山设备自动化的发展，不仅能够提高矿山设备效率，降低工作人员的劳动强度，也能降低安全风险。一直以来银漫矿业的空压机房、通风机房、井下主排水泵房、热风机房和进风井配电室等操作岗位都是有人值守部位。由于银漫矿业位于内蒙古自治区西乌珠穆沁旗西90 km处，地处西乌珠穆沁旗巴音高勒苏木境内，全年有近四个月被大雪覆盖交通极为不便，而矿井的空压机房、通风机房、热风机房、进风井配电室都在矿区外，大雪覆盖期间这些岗位的值守人员存在交通不便的问题。如果吃住在值守部位又存在安全风险；加上现场操作带来的误操作和受到事故伤害的风险，值守岗位较多且分散，人力成本较大，迫切需要进行自动化改造。

1 SCADA系统简介

数据采集与监视控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)系统的开发使用主要针对分布距离较远不便于架设线缆，生产区域较为分散的一种数据采集、设备监测和控制的应用系统。它的应用领域非常广泛，可以应用于矿山、冶金、电力、石油、化工等领域的数据采集与远程控制等诸多领域，其中在电力系统中的应用更为广泛。RTU远程终端单元和FTU馈线终端单元，是SCADA系统最重要的组成部分。RTU和FTU是架构在PC控制器之上的自动化监控系统。它们都具有以下基本特点：图形操作界面、系统运行状态动态模拟显示、即时和历史资料查询趋势运行曲线显示、警报处理系统、资料获取和自动存储、报表输出功能等。

1.1 人机界面

人机界面(human machine interface，HMI)是一个可以显示设备、系统运行状态的装置，岗位人员可以依此设备监测和控制设备。HMI可以链接到SCADA系统或者其他组态软件的数据库，读取相关数据生成运行趋势曲线，用来诊断设备及相关附件的状态。HMI系统通常用图像的方式显示设备系统的运行状态信息，而且会采用图像模拟设备系统实际运行的情况。岗位人员可以直观地看到被控制设备系统的状态示意图。SCADA系统所使用的HMI软件通常包括绘图软件功能，可以让维护管理人员随时修改系统在HMI中的显示方式。显示方式可以非常简单以至于只有灯号，也可以非常复杂以至于要用到多台投影机才能显示，比如摩天大厦中所有的电梯位置或运行状态。使用SCADA系统时，报警处理功能是很重要的一个部分。系统会监测指定的警告条件是否全部成立，以确定是否有预先设定的警告事件正在发生。

1.2 远程终端控制系统

远程终端控制系统(remote terminal unit，RTU)连接所有设备使用的传感器，采集设备数据后将数据传送至系统中心，该系统可连接到其他所需要的设备，还可将设备上的电信号转换为数字信号，也可以通过信号转换和传送信号的方式实现远程控制设备。

1.3 可编程逻辑控制器

可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)比特殊功能的远程终端控制系统价格低廉，功能更为全面，所以基本取代特殊功能的远程终端控制系统。SCADA系统属于调度管理层，可编程逻辑控制器属于现场设备层。SCADA系统侧重的是监视、控制方面，主要使用在上位机方面；可编程逻辑控制器只是用来实现逻辑控制功能，没有人机对话功能，实现操作还需要借助于操作按钮、HMI、指示灯、以及SCADA系统。

1.4 通信网络

通信网络则是用来提供上位机及远程终端控制系统、可编程逻辑控制器之间的数据传输的媒介。以往的SCADA系统大部分使用串行接口、广播或是调制解调器的方式来实现通信的功能，目前使用的SCADA系统很多都会通过同步光网络(SONET)或同步数字体系(SDH)上的以太网或网络协议来实现通讯。最重要的是SCADA可以实现远程无线通讯，满足银漫矿业不便于架线的地理和外界条件。

2 改造后实现的主要功能

自动化改造后可以实现无人值守，远程集中控制，除实现减人增效、提高系统安全外还可以提高设备运行效率、提高维修人员的工作效率。

2.1 地表办公楼设立中控室

中控室分布5台服务器，同时配置5台显示器，用来实时监视5套系统的运行状态，集监视，操作，报警，预防于一体，有针对性地对设备进行实时观察。

2.2 系统组态软件要求自主设计组态画面

画面设计风格与现场工程师沟通完成，通过上位机画面可以随时通过鼠标进行操作，进行远程控制5套系统的运行状态，不需要现场操作，方便、安全、快捷、有效。

2.3 中控室配置语音声光报警系统

5套系统出现任何故障，系统将第一时间发出声光报警，提示值班人员，进行查看，同时形成报警报表，检查人员可以随时调档，查看报警记录，方便专业人员进行数据分析。

2.4 系统具有自学习功能

根据5大系统的工艺、设备参数，以及日常积累的运行参数分析，对系统内出现的异常情况，进行评估通报，将以短信和微信推送的方式，通知相关人员，做好预防工作。例如：电机电流异常、振动异常、温度异常、压力异常等。

3 设备改造的实现

3.1 设计网络拓扑结构图

自动化改造是基于SCADA系统实现的，首先要设计网络拓扑图。所有现场触摸屏和PLC都通过网线连接到网络交换机上，网络交换机通过4G网与“云”实现通讯，“云”与各系统的服务器、客户端、打印机等设备相连实现数据互通，从而实现远程无线监控。

3.2 现场控制实现

按照网络拓扑图在各控制单元处用PLC与现场设备连接，实现数据采集并进行控制。系统包括五个工程处信息采集，分别为热风机控系统、空压机控制系统、通风机控制系统、变电所控制系统、井下排水控制系统。每个工程处都配置一个信息采集柜或者采集箱，这些采集系统内配置S7-1200系列PLC，用来采集现场必要数据，例如：设备开停信号、电机电流、温度、电压等信息，同时，通过S7-1200 PLC的程序编辑来进行现场工程处的一些必要控制，例如：电机启停、高压合分闸、风机启停、水泵启停等功能。每个工程处根据不同的需求，配置匹配的通讯网关、通讯管理机，来进行现场控制器内的信息采集。变电所高压柜采用的是正泰微机综合保护器，通讯协议为电力协议103，现场采集系统通过通讯管理机，来进行协议的转换和读取，功能与各个控制器的网关作用一样。

3.3 上位机与现场通讯

现场控制器(PLC、网关、通讯管理机)通过对目标传感器实现数据采集后，再通过TCP/IP协议传输给互联网内，传输介质为4G手机网络信号，控制室内WinCC(Windows control center)服务器通过TCP/IP协议根据每个现场控制器不同的IP地址进行筛选、读取、分析、归档将数据存储在WinCC实时数据库，同时根据系统需要将数据归档，形成报表的数据(报警记录、操作记录、电量统计等)存入数据库SQL Server 2014，便于随时读取。上位机采用西门子WinCC系统，简介WinCC视窗控制中心，是西门子TIA(全集成自动化)架构中基于PC的HMI/SCADA软件系统。

3.4 上位机建立人机界面

WinCC系统根据现场控制器设定的IP地址读取现场数据，在WinCC内建立实时变量，进行变量管理，同时在WinCC内建立画面，进行画面编辑，将WinCC通过特定IP地址采集上来的数据与画面的变量一一对应，进行交互，最终实现人机界面。

3.5 数据库存储调阅

WinCC系统根据现场控制器设定的IP地址读取现场数据，将需要分析、处理、归档、查阅、形成报表的相关数据存入数据库SQL Server 2014，同时在WinCC内进行脚本编辑，将数据进行分类、排序、逻辑运算，形成可查阅、可打印的报表数据，脚本编辑语言以C、VB计算机语言为主，WinCC脚本编辑功能强大，可调用已经形成的脚本功能块实现控制功能。数据库SQL Server 2014里的数据长期存储在服务器的硬盘内，随时可调用查阅。