泵房自動(dòng)化及機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

1、泵房自動(dòng)化及機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的研究與應(yīng)用完成單位：冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司梧桐莊礦中信重工開誠電氣有限公司一、項(xiàng)目承建單位基本狀況冀中能源峰峰集團(tuán)梧桐莊礦位于河北省邯鄲市磁縣境內(nèi)，井田面積39.6km2，地質(zhì)儲(chǔ)煤4.36億噸，可采儲(chǔ)量1.4億噸，主采煤層為低灰、低硫、低磷、高揮發(fā)分、高發(fā)熱量、高粘結(jié)度的優(yōu)質(zhì)肥煤。礦井于1989年4月始建至2003年10月1日正式投產(chǎn)，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力120萬噸，擴(kuò)建后核定年產(chǎn)300萬噸。該礦以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)，堅(jiān)持“數(shù)字化、智能化”礦山研究與建設(shè)，先后建成地面壓風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)化控制、礦井主通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)化控制、礦井井下供電網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化控制、立井提升系統(tǒng)自動(dòng)化控制等遠(yuǎn)程監(jiān)控

2、自動(dòng)化控制系統(tǒng)，并建有地面集控中心。二、項(xiàng)目實(shí)施概況1、項(xiàng)目背景隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)和信息化技術(shù)的發(fā)展，兩化融合已成為推動(dòng)企業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一?！皺C(jī)械化減人、自動(dòng)化換人”成為了煤礦機(jī)電發(fā)展的重要方向之一。推行無人值守的自動(dòng)化控制，不僅能夠?qū)⒙毠木赂邷囟?、高濕度、高噪聲的工作環(huán)境中解放出來，而且也是使煤炭企業(yè)減少從業(yè)人員數(shù)量、改善安全生產(chǎn)條件、節(jié)約人工成本的主要途徑之一。梧桐莊礦屬于水文地質(zhì)極復(fù)雜礦井，井田內(nèi)煤層埋深較大，煤系地層基底的中奧陶系灰?guī)r含水層，富水性強(qiáng)，且局部與開采煤層間的隔水巖層完整性差，嚴(yán)重威脅著礦井安全生產(chǎn)。井田內(nèi)奧灰含水層與外界的循環(huán)交替很微弱，處于一種相對(duì)封閉和滯流的水

3、文地質(zhì)環(huán)境，礦井排水是井田內(nèi)奧灰含水層的主要排泄方式。梧桐莊礦中央泵房始建于2001年5月，共安裝有7臺(tái)型號(hào)為MDF450-90*8的離心式臥泵，水泵流量為450m3/h，揚(yáng)程為720m，配套電機(jī)功率為1400kW。有內(nèi)外兩個(gè)水倉，采用射流真空兩種灌泵裝置進(jìn)行取水。采用集中控制和人工巡檢相配合的方式來保證排水泵房的正常運(yùn)行。近年來我礦結(jié)合生產(chǎn)廠家對(duì)井下主排水泵房實(shí)現(xiàn)無人值守的自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量的調(diào)查研究。由于煤礦主排水泵房均承擔(dān)著全礦井的排水任務(wù)，對(duì)設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求很高。傳統(tǒng)的水泵監(jiān)控系統(tǒng)存在不能直觀獲取水泵運(yùn)行機(jī)械數(shù)據(jù)、設(shè)備安裝繁瑣、系統(tǒng)復(fù)雜容錯(cuò)率低、系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問題，并不能

4、真正實(shí)現(xiàn)可靠的無人值守。且所有數(shù)據(jù)的獲得均需要安設(shè)傳感器和攝像裝置，施工量、維護(hù)量都很大。2、項(xiàng)目目的和意義（1）通過立項(xiàng)尋求一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，安裝、使用方便，能夠代替巡檢人員對(duì)泵房?jī)?nèi)設(shè)備進(jìn)行巡檢的裝置。（2）巡檢裝置除了能夠通過傳感器完全取代巡檢人員的視覺、觸覺、聽覺、嗅覺的功能外，巡檢裝置必須能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)行走、自動(dòng)充電、門限報(bào)警等功能以便于地面監(jiān)視人員操作，真正實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)化換人”的目的。（3）所有的監(jiān)視、控制、調(diào)整、數(shù)據(jù)采集均能在地面遠(yuǎn)程控制，以便在事故發(fā)生后能夠快速定位故障原因并盡快排除故障恢復(fù)排水系統(tǒng)的運(yùn)行。（4）研究一種可與現(xiàn)有排水泵房遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合、互補(bǔ)的自動(dòng)巡檢裝置，切實(shí)實(shí)現(xiàn)

5、減人提效的目的，實(shí)現(xiàn)安全效益和經(jīng)濟(jì)效益雙豐收。同時(shí)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝條件要求的，具有實(shí)用性、推廣性，以便于應(yīng)用于其他需要巡檢的固定機(jī)房硐室，有利于提升梧桐莊礦乃至整個(gè)峰峰礦區(qū)礦井在自動(dòng)化控制方面的科技水平。3、項(xiàng)目基本情況礦井正常涌水量738m3/h,最大涌水量1362m3/h,根據(jù)2001年5月首采工作面開采至今涌水量觀測(cè)，礦井正常涌水量為330m3/h，最大涌水量1050m3/h。井下采用直接排水方式,副井底設(shè)有內(nèi)、外2個(gè)水倉，內(nèi)水倉容積3424m3,外水倉容積3705m3，合計(jì)水倉容積7129m3?，F(xiàn)礦一470m水平安裝有兩套排水系統(tǒng)，即中央泵房排水系統(tǒng)和潛水泵排水系統(tǒng)。中央泵房安裝有7臺(tái)KD

6、450-90X8水泵，1-2臺(tái)工作，4臺(tái)備用，1臺(tái)檢修。水泵額定流量450m3/h，揚(yáng)程720m。配套電動(dòng)機(jī)型號(hào)Y500-10-4,功率1400kW，電壓6kV,轉(zhuǎn)速1487r/min,采用串電抗器方式啟動(dòng)。排水管路選用三趟D426無縫鋼管，安裝于副井筒內(nèi)。礦井水直排地面，排高666m.泵房現(xiàn)有唐山開誠一套主排水電控系統(tǒng)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)按照自動(dòng)化運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)，在礦井恢復(fù)生產(chǎn)期間，臨時(shí)安裝調(diào)試使用，現(xiàn)場(chǎng)7臺(tái)電動(dòng)閘閥的開關(guān)到位及過轉(zhuǎn)矩信號(hào)均無法引出，造成閥門無法執(zhí)行遠(yuǎn)控，現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有的真空泵為SZ-2型排氣量3.4m3/h，使用真空泵時(shí)，無法滿足使用要求。目前所有壓力傳感器及壓力沒有安裝蛇形彎管，如果閥門

7、關(guān)閉不嚴(yán)密的時(shí)候停泵，會(huì)造成真空表及負(fù)壓傳感器的損壞，現(xiàn)場(chǎng)真空表已經(jīng)損壞多塊，已安裝的負(fù)壓傳感器可能已經(jīng)損壞。三、項(xiàng)目實(shí)施需要解決的關(guān)鍵問題。1、硬件問題 采用PLC可編程控制器為核心; 外圍設(shè)備性能可靠； 應(yīng)急措施齊全； 模塊化靈活性高； 組網(wǎng)功能強(qiáng)大； 液晶顯示屏人機(jī)界面(HMI)直觀 診斷功能 口令保護(hù) PLC具有多種不同的通訊接口多種通訊處理器用來連接MPI接口、PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)，通訊處理器用來連接點(diǎn)到點(diǎn)的通訊系統(tǒng)；多點(diǎn)接口(MPI和PROFIBUS)集成在CPU中,用于同時(shí)連接編程器、PC機(jī)、人機(jī)界面系統(tǒng)及其他SIMATICS7/M7/C7等自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 遠(yuǎn)程

8、和現(xiàn)場(chǎng)都編程2、軟件問題 無人值守減員增效將本機(jī)工作方式轉(zhuǎn)為“地面控制”或“自動(dòng)控制”時(shí)，各水泵由地面主機(jī)或PLC根據(jù)自身程序以安全為第一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，最終達(dá)到無人值守。 避峰填谷降低成本地面計(jì)算機(jī)根據(jù)每天礦井的用電負(fù)荷情況，確定用電高峰、低谷時(shí)間，并將參數(shù)傳給本機(jī)，使水泵運(yùn)行在最經(jīng)濟(jì)的時(shí)間。 曲線式水位自動(dòng)控制水位監(jiān)測(cè)一直是礦井排水參數(shù)中最重要的參數(shù)之一，往常把水倉水位分為五檔低水位、正常水位、高水位、上限水位、危險(xiǎn)水位，通過水位傳感器的監(jiān)測(cè)反饋判斷水位所處于哪個(gè)檔，然后執(zhí)行相應(yīng)的控制動(dòng)作。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的摸索和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)將固定檔位式水位控制更改為曲線式控制，式PLC控制“IQ”更高。 涌水量

9、增大早預(yù)警根據(jù)水倉加裝的水位傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水倉水位，以時(shí)間、容積、水位相結(jié)合的方式測(cè)算出單位時(shí)間的涌水量，達(dá)到突發(fā)事故早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早排水的目的。 設(shè)有用水量監(jiān)測(cè)通過模擬量水位傳感器監(jiān)測(cè)單位時(shí)間內(nèi)的上漲速度，測(cè)算出礦井的涌水量并結(jié)合水位高度確定泵控制動(dòng)作，可提前了解事故情況為緊急事故提前預(yù)知提前進(jìn)入緊急排水狀態(tài)。 一鍵起停操作簡(jiǎn)單在井下操作臺(tái)和地面調(diào)度室可以實(shí)現(xiàn)一鍵起停功能，系統(tǒng)將按設(shè)備順序自動(dòng)啟動(dòng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)各個(gè)設(shè)備數(shù)值最后達(dá)到自動(dòng)排水。大大降低了操作難度減小了誤操作的發(fā)生概率。 故障直觀易于維護(hù)在現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏上可漢字顯示各故障信息并報(bào)警，在地面控制站上可顯示現(xiàn)場(chǎng)單元當(dāng)前的報(bào)警信息以及保存的報(bào)警

10、記錄當(dāng)運(yùn)行的水泵出現(xiàn)軸承超溫、高壓開關(guān)故障、流量不夠、正壓過低、電流不正常時(shí)自動(dòng)停止運(yùn)行，并能確切的顯示故障位置和類型且有聲光報(bào)警。四、項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)：水泵監(jiān)控系統(tǒng)有自動(dòng)、遠(yuǎn)程、手動(dòng)、一鍵啟動(dòng)四種工作方式，控制模式以“井下優(yōu)先”的原則可以進(jìn)行手動(dòng)切換，在特殊條件下也可以進(jìn)行自動(dòng)切換，根據(jù)水位控制原則，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)水泵的輪換工作，可實(shí)現(xiàn)水泵房的無人值守。通過檢測(cè)水倉進(jìn)水量的變化率，對(duì)透水事故進(jìn)行預(yù)警，在確認(rèn)進(jìn)入緊急狀態(tài)模式后，以最快速度將所有水泵開啟，以最大排水量進(jìn)行排水。增設(shè)一套可往復(fù)在水泵房行走的機(jī)器人巡檢裝置一套。采用軌道自行走方式，軌道吊掛泵房，用于對(duì)水泵設(shè)備的移動(dòng)的巡檢巡查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過程中

11、，電機(jī)、水泵、閘閥的各種清理，巡檢機(jī)器人本體上不少于2臺(tái)高清網(wǎng)絡(luò)攝像儀，同時(shí)具備紅外溫度的采集，負(fù)責(zé)采集泵體及電機(jī)的外殼溫度以及泵房的環(huán)境溫度，巡檢機(jī)器人本體安裝拾音頭可清晰的聽到井下泵房設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)聲音，巡檢機(jī)器人本體安裝了煙霧報(bào)警傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下泵房的煙霧報(bào)警情況，巡檢機(jī)器人在井下實(shí)現(xiàn)充電，避免了井下更換電池，巡檢裝置通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)傳輸，無線終端通過網(wǎng)線連接到井下交換機(jī)上，在地面集控室可以通過IE瀏覽器操作、查看到巡檢機(jī)器人的各種巡檢狀態(tài)，可連接至大屏顯示。五、項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用情況及效果分析梧桐莊礦泵房自動(dòng)化及機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用集中控制、分布采集。在井下泵房放置帶有PLC的集中控

12、制柜，每臺(tái)水泵配置就地控制柜。水泵所有相關(guān)信號(hào)采集至對(duì)應(yīng)的就地箱。巡檢機(jī)器人由終端控制設(shè)備及前端移動(dòng)體兩大部分組成。通過對(duì)終端控制設(shè)備的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)前端機(jī)器人的控制，使之能快速到達(dá)相應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。系統(tǒng)適用于多種工作設(shè)備進(jìn)行觀察的場(chǎng)合，特點(diǎn)如下：1、點(diǎn)位預(yù)置功能:可對(duì)相應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)設(shè)置。2、移動(dòng)累積誤差自動(dòng)調(diào)節(jié)功能:當(dāng)前端移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行相應(yīng)長(zhǎng)度后會(huì)產(chǎn)生累積誤差，此時(shí)系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定自動(dòng)復(fù)位至原點(diǎn)。3、位置記憶功能:此功能用于突然斷電情況下記憶斷電前裝置位置。4、障礙物探測(cè)功能:對(duì)移動(dòng)機(jī)器人行進(jìn)方向障礙物進(jìn)行探測(cè)，如發(fā)現(xiàn)障礙物存在實(shí)現(xiàn)即時(shí)制動(dòng)（多用于保護(hù)人身安全方面）。5、伴隨照明功能:前端移動(dòng)

13、機(jī)器人配有兩臺(tái)攝像鏡頭，每臺(tái)攝像鏡頭伴隨一臺(tái)照明裝置。通過終端控制設(shè)備可對(duì)照明裝置的光強(qiáng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)以適應(yīng)觀測(cè)需要。6、巡檢機(jī)器人滿足10h連續(xù)運(yùn)行，快速2h充電完成的執(zhí)行。井下泵房的自動(dòng)化控制系統(tǒng)和機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的研究與實(shí)施，在技術(shù)上已經(jīng)很成熟，但由于應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性在具體的應(yīng)用過程中會(huì)經(jīng)常遇到一些突發(fā)性的問題?，F(xiàn)梧桐莊礦的自動(dòng)化系統(tǒng)在裝備上已經(jīng)達(dá)到了國內(nèi)的先進(jìn)水平，巡檢機(jī)器人更是在國內(nèi)領(lǐng)先。該項(xiàng)目2016年初立項(xiàng)，2016年8月在峰峰集團(tuán)梧桐莊礦實(shí)施完成，運(yùn)行至今，狀況良好。1、經(jīng)濟(jì)效益：該系統(tǒng)通過整合硬件資源，達(dá)到減人增效的目的：以原泵房水泵工每班3人、一天三班工作制計(jì)算，可縮減人員每班2人，共節(jié)省8人，每人年工資約10萬元，共計(jì)節(jié)約80萬元；該系統(tǒng)可通過編程實(shí)現(xiàn)避峰填谷，節(jié)約電費(fèi)每天按避峰填谷8個(gè)小時(shí)計(jì)算，每天可節(jié)約電費(fèi)8h*1400kw*0.5元/kw.h=5600元，每年節(jié)約5600*365=2044000元，每年總計(jì)節(jié)約284.4萬元