摘要：本文介紹羅克韋爾自動化技術在山西懷仁聯順璽達能源公司柴溝煤礦的應用。采用羅克韋爾自動化的集成架構及其三層網絡技術、羅克韋爾自動化產品，把其他廠家產品天衣無縫地集成在同一個數據網絡中，實現整個礦井的“遙控、搖信、遙測”綜合自動化控制。
關鍵詞：羅克韋爾自動化 集成架構 煤礦 綜合自動化控制
1 引言
山西懷仁聯順璽達能源公司柴溝煤礦下屬北京魯能煤業公司，坐落在煤炭資源豐富的山西省朔州市。根據國家建設十三個煤炭基地的總體規劃,“關小建大資源整合”的產業政策,鼓勵煤炭企業關小建大，通過資源整合，實現產量集中，提高回采率，減少資源浪費，確保安全生產，維護地方利益等政策，整合三個小煤礦構建成一個現代化大型煤礦—柴溝煤礦。該礦井建設規模為年產600萬噸，2006年底開始基礎建設，2007年5月投產。該煤礦綜合自動化學習了神華集團神東公司的模式，結合自身實際地理環境，以羅克韋爾自動化技術為基礎，完成整個礦井和洗煤廠的控制及其監控系統的集成。
煤炭行業是具有強烈行業特征的特殊產業，其特點是：煤炭是非再生性一次能源，煤炭企業的壽命決定于礦井范圍內的埋藏量和開采強度；開采與洗選是多種技術相結合、多工種相配合的復雜系統工程，任何環節的失常都可能造成全面停產，甚至引發嚴重災害事故；采掘作業是在極限條件下進行的，存在危及人員安全的自然災害和影響身心健康的惡劣環境，安全始終是制約煤礦生產的瓶頸。
礦井生產包括開采、掘進、運輸、通風、安全、排水、供電、洗選等多個環節。在這些環節中，各種監測、監控系統繁多復雜。根據礦井的特殊性華光信息技術公司已經在神華礦井成功的實現礦井綜合自動化系統。煤炭行業實施綜合自動化的關鍵是將工業自動化控制技術與煤炭行業的特征及實際相結合，開發具有顯著行業特色的現代集成生產系統。隨著工控行業的迅速發展，市場不再是一種品牌的天下，煤礦企業要求使用的產品品牌多樣化，多種品牌的產品通過工業以太網以及協議的轉化都能夠在同一個系統配合使用，共同組成自動化控制系統。
2 工藝系統簡介
2.1礦井工藝系統
柴溝礦井開采的主運輸流程：綜采工作面或掘進→順槽膠帶機→大巷膠帶機→主井膠帶機→原煤上倉膠帶機→原煤倉。
全礦井配備一套綜采設備，美國JOY公司的采煤機、德國DBT公司液壓支架和輸送機。順槽膠帶機由北京華寧開關柜控制，大巷膠帶機、主井膠帶機和上倉膠帶機都選用變頻控制。風井為立井，采用對旋風機抽出式通風。井下主供電和排水在中央變電所及水泵房系統。整個礦井的調度集中控制由調度監控網絡完成。
2.2洗煤廠工藝系統
柴溝煤礦洗煤廠的建設規模為6.0Mt/a，主要工藝部分組成：原煤準備系統（包括原煤倉下給煤機和原煤入洗膠帶機等）、主洗系統（包括篩分—重介浮選聯合流程）、塊煤脫水、末煤脫水（濃縮及壓濾系統）、產品裝車系統。
整個洗煤廠的電控系統很簡單，分為兩部分：原煤倉下、主廠房、濃縮車間、矸石倉等用電設備及其相關帶式輸送機的配電控制為主廠房電控系統；產品煤帶式輸送機及產品倉用電設備的配電控制為產品倉電控系統。
2.3自動化控制系統
根據監控分站的位置分散、距離遠的特點，控制網絡按生產關系和物理位置構成的邏輯多鏈路網絡結構，將柴溝礦所有監控點通過多鏈路連接為一個統一的控制網絡，并接入礦、廠、站調度（集控）室，形成煤礦生產綜合自動化系統。
選用ControlNet作為控制層網絡，主干采用光纖傳導模式，由調度中心通過62.5/125μm光纜連接控制分站或控制系統，構成整個控制層網絡，其余如皮帶監控系統用軟件編程實現第三方通訊就近接入網絡。
調度（集控）室是全礦安全生產的監控指揮中心，所有的控制信息在這里匯總并由此發布。根據控制網結構，設置2臺監控主機，互為熱備，分別經控制網連接ControlNet與EtherNet網關中的ControlNet接口模塊，而EtherNet接口模塊接入礦局域網交換機，兩種接口模塊間經由ControlLogix網關背板直接通訊，完成ControlNet和EtherNet的互聯互通。
監控軟件平臺采用RSView32，通過SCADA Server實時采集各系統的數據，即可在調度室實現操作控制；數據上傳礦信息網后，可實現在辦公終端監視生產過程，供決策部門和管理部門掌握生產最新動態。
3生產系統配電及控制
3.1礦井生產系統
礦井生產系統配電控制的范圍從井下大巷膠帶機開始經過主斜井膠帶機至原煤倉刮板機為止。根據生產系統用電負荷要求，在主井皮帶驅動機房設一座《地面井口變電所》，在大巷皮帶機頭附近設一座《中央變電所及水泵房》。
(1)膠帶機運輸系統
原煤主井皮帶采用德國西門子公司生產的變頻調速系統，配置如下：
·膠帶機基本參數(見表1)
表1 膠帶機基本參數
·變頻器基本參數(見表2)
表2 變頻器基本參數
·PLC控制設備組成
主井皮帶監控系統選用AB ControlLogix系列可編程序控制器及ControlLogix I/O系統，通過SST-PFB-CLX模塊與變頻器建立Profibus通訊，完成變頻器數據采集和控制功能。
(2)主井皮帶變頻器控制系統原理圖
主井皮帶變頻器控制系統原理圖如圖1所示。
圖1 變頻器控制系統原理圖
主斜井皮帶機保護，選用ZBK-Ⅱ型皮帶保護系統，配有打滑、拉繩、跑偏、縱撕、堆煤等傳感器，并配有擴音電話，實現予警與通話功能，該系統以RS-485通訊口與主井口PLC鏈接，完成ZBK-Ⅱ與工控網的通訊。
上原煤倉皮帶保護也設有拉繩、跑偏、縱撕、堆煤、速度等保護，因該皮帶較短，為節省投資各種傳感器均接入PLC輸入模塊，實現皮帶機的保護功能。
原煤上倉皮帶變頻系統選用ABB變頻器系統，通過DeviceNet網絡，與設在井口配電室的PLC主控機進行通訊，
3.2大巷膠帶機變頻控制系統
大巷膠帶機變頻控制系統主要部件組成如下：
(1)745kW 水冷變頻器，包括12脈沖整流單元和各自獨立的逆變單元;
(2)兩臺500kW防爆驅動電機通過減速箱和高、低速聯軸節與主驅動滾筒相連;
(3)膠帶機變頻啟動柜內安裝有膠帶機調速用的變頻器和PLC控制系統;
(4)膠帶機變頻控制系統是通過一套水和空氣的交換系統實現冷卻降溫。
大巷變頻控制系統的PLC采用Rockwell公司生產的SLC，通過DH+線與附件的中央變電所的ControlLogix系統相連，實現網絡的互聯和數據共享。
順槽膠帶機系統也通過標準Modbus協議接入中央變電所的ControlLogix系統。
膠帶機控制系統經過Control Net工控網，完成在礦調度室對幾條皮帶的自動控制。
3.3井下排水泵房及中央變電所三遙系統
由于井下中央水泵房與中央變電所是聯合建筑，其配電設備也是一個整體，因此按一套三遙系統進行設計。
為了實現三遙功能，在礦調度室對排水泵進行遙控、遙測、遙信，由一套以ControlLogix PLC組成自控系統，外設負壓、壓力、液位等傳感器監測水量參數，通過4-20mA模擬量信號接入PLC。
(1)高壓配電系統
所內共有KYGC-Z型高壓柜29臺，其中，進線兩回、PT兩回、聯絡一回、負荷24回。
為實現變電所三遙控制，在每臺高壓柜加裝一套FLEX遠程I/O模塊，通過DeviceNet網與設在所內的PLC聯網，經ControlNet工控網與設在調度室主控機鏈接，實現在調度室對高壓柜的分合閘及檢測分合閘與儲能狀態；微機保護系統，通過該系統通訊機Modbus口與PLC聯網，實現在調度室監測各高壓柜電氣參數（如電壓、電流、有功功率、電度、cos φ等）及其狀態參數（如短路、過流、漏電、失壓等）。
(2)自動控制原理
·被控設備：3個高壓柜、3個低壓柜、1臺射流泵、6個電磁閥、3個排水泵、3個電動閥及水泵和電磁閥的就地按鈕。
·閉鎖關系：射流泵閉鎖排水泵（真空度達到后才能起排水泵），排水泵閉鎖電動閥（但是電動閥若有故障也得停泵），停止排水時要先關電動閥再關排水泵。
·工藝流程及控制邏輯。
(3)主流程
自動啟動水泵的流程：開啟電磁閥→開起射流泵→檢測真空度→真空度到位，關電磁閥，關射流泵同時開啟主排水泵→檢測正壓力→開電動閥
輔流程及停泵流程：關閉電動閥門→關閉水泵
·判斷水位→達到高水位起泵排水（起動過程同主流程）。
·遇到故障或要停止排水都要先關閥門再關泵（如果遇到閥門故障則直接停泵）。
·水泵操作先分為就地和程控（就地就是現場按鈕控制），程控又分Panelview和遠控（Panelview是指plc上面的Panelview按鈕控制），遠控為調度室上位操作。
·P.V操作和上位操作是一樣的。
3.4 通風機三遙系統
(1)被控設備
·兩臺對旋式通風機；
·兩臺風門絞車。
(2)礦井通風機三遙系統要完成以下自動控制功能
·主扇正常狀態下的開、停控制；
·主扇定期輪換控制；
·礦井發生事故需返風時的倒轉返風控制；
·風門絞車控制。
以上控制內容均具有遙控與就地控制兩種方式。
(3)主扇監控系統需檢測的參數
·主電機電器參數：電壓、電流、有功、電量、功率因數；
·主扇溫度參數：主電機定子及軸承溫度、通風機軸溫；
·通風機及風門運行狀態參數；
·通風機的負壓、風量及進口風速。
(4)主扇監控系統與工控網聯，實現在礦調度監控
(5)礦井通風機三遙系統配置
通風機房共有15臺高壓柜，按照智能柜的要求加裝PM3000和FLEXI/O模塊。
為了實現通風機三遙，在礦調度室對通風機進行遙控、遙測、遙信，由一套以ControlLogix PLC組成自控系統，外設整套負壓、風量及進口風速監測裝置，通過4-20mA模擬量信號接入PLC。
礦井生產系統，設三套PLC控制主機，完成井下順槽、大巷膠帶機、主井膠帶機、上倉膠帶機、配倉刮板，電動閘板等自動控制，PLC選用統一ControlLogix機型，根據功能與自動控制要求，配有各種功能模塊。
4 網絡架構采用羅克韋爾自動化網絡架構
信息層(Ethernet/IP工業以太網)、控制層(ControINet)和設備層(DeviceNet)。 ControlNet是一種高速的自動化網絡，可以提供5Mbps的數據傳輸能力，實時性強，它也因其高度的確定性和可重復性聞名，適用于對控制要求高的復雜環境。它采用并行時間域多路存取( CTDMA)加隱性令牌技術來控制節點對總線的訪問，采用通用工業協議CIP保證它的上層協議通信。ControINet技術采取了一種新的生產者/客戶通信模式，不僅支持傳統的點對點通訊，而且允許同時向多個設備傳遞信息，從而提高了帶寬利用率。ControlNet使用同軸電纜時距離可達5km，節點數99個，兩個節點間距離最長達1000m，采用光纖和中繼器后通訊距離可達幾十公里。
4.1洗煤廠生產系統
洗煤廠自動化控制系統的任務是完成各生產設備的控制及閉鎖、洗選工藝自動調節以及信息上傳和共享，是礦井生產自動化和信息化的重要部分。柴溝洗煤廠自動化控制系統按照安全、實用、可靠、先進、開放指導思想進行設計，吸收以往洗煤廠成功的經驗，選用先進的技術和設備來保證整個系統安全可靠正常地運行。
洗煤廠參加集中控制的設備為：從原煤倉下給煤機開始至主廠房以及矸石倉、產品倉為止的全部生產系統的工藝流程設備。
柴溝洗煤廠設置兩個監控分站，分別位于主廠房和產品倉低壓配電室，控制網絡主干采用光纖傳導模式，將各監控點通過多鏈路連接為一個統一的控制網絡，并接入洗煤廠集控室，形成一套生產自動化系統。皮帶監控系統用軟件編程實現第三方通訊就近接入網絡，實現網絡擴展。
4.2系統主要功能
(1)控制方式分為兩種：有閉鎖的集中程序控制方式和無閉鎖的就地控制。其中集中程序控制方式用于正常生產，就地控制用于維修和調試運行。
(2)按逆煤流分時序逐臺程序起車，按順煤流每臺卸料完畢程序停車。
(3)設置起車預告信號，警示現場工作人員以免發生事故。
(4)設置禁止起動信號，一旦有緊急情況發生，現場和控制室人員均可解除設備的起動。
(5)在設備起車和運行過程中，如果某臺設備因故障停車造成某臺設備及其受閉鎖的設備停車時，在事故解除后，經起車預告后，則由故障設備開始，按逆煤流方向依原程序繼續起車，如故障較大，可轉入停車或急停。
(6)在停車過程中，如遇到某臺設備故障，則該設備和受其閉鎖的設備立即停車，不受該閉鎖控制的設備則仍按程序停車。
(7)在任何控制方式中，機旁停車控制按鈕均可做到緊急停車。
(8)操作方式：通過人機對話的方式進行操作，控制室的操作人員通過上位機的鍵盤或鼠標來表達生產調度的意圖和命令，去指揮PLC來完成系統的選擇和操作。如起、停車命令等。
(9)屏幕顯示功能：利用上位機的顯示器模擬系統的工藝流程。顯示系統中每臺設備的工作狀態及運行參數。通過對主要生產過程參數進行實時的在線檢測，以趨勢圖的方式顯示出來，使調度指揮人員隨時掌握現場設備的工作狀態及系統各類相關參數的變化情況。
(10)故障報警及打印功能：應用上位機組態軟件開發本系統的上位機監控、管理及故障報警功能軟件。該報警軟件可顯示現場設備的各種保護、料位、液位、設備故障等狀態。并可即時的打印出報警報表。對各工藝參數可進行制表、打印，實現科學的生產管理。
(11)加壓過濾機自動控制應用DH+網接入系統，其上位軟件使用Rsview32，便于遠程維護及系統整合。
(12)絮凝系統通過DeviceNet網絡接入控制主機，實現絮凝劑制配添加功能。
4.3柴溝洗煤廠PLC網絡配置圖
圖2為柴溝洗煤廠PLC網絡配置圖。
圖2 柴溝洗煤廠PLC網絡配置圖
4.4柴溝礦井綜合自動化系統網絡結構圖
圖3為柴溝礦井綜合自動化系統網絡結構圖
圖3 柴溝礦井綜合自動化系統網絡結構圖
5 結束語
在建設礦井方案討論中，我們討論過兩種方案：一種是現在實際實施的工業控制網ControlNet+以太網方案；另一種是全以太網方案。兩種方案比較各有優缺點：第一種方案：多年沿用的工業控制網絡，可靠性和實時性得到保證，缺點在于專用性和較低的速率；第二種方案缺點在于（1）病毒容易侵入網絡，造成網絡癱瘓，可靠性不高；（2）添加中繼設備投資太高。隨著網絡技術的發展，可靠性的提高和價格的降低，第二種方案將成為今后的發展趨勢。
礦井的皮帶電機、風機、泵類等設備是礦井及洗煤廠的關鍵設備，設備的供電電壓從660V到10KV，耗電量達到企業電力消耗的1/3以上，一方面，這些設備在設計時，通常是留有一定余量；另一方面，由于工況的變化，泵類需要不同的流量，皮帶設備也會空轉運行，或者少量貨載運行，風機的風量也是變化的，通過變頻控制電機，可以節省大量的能源，改善設備性能，使他們更符合生產工藝。
成功的應用羅克韋爾自動化的集成架構及其三層網絡技術、羅克韋爾自動化產品，實現了柴溝煤礦綜合自動化系統，也是西安華光信息技術有限公司在神華集團神東公司礦井自動化系統應用后的又一個成功的應用，一個個安全、高產、高效的自動化礦井也將推動我國煤炭行業更上一個臺階，必將堅定我們對先進的羅克韋爾自動化產品的信任。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
