泵房自动化及机器人巡检系统的研究与应用

完成单位：冀中能源峰峰集团有限公司梧桐庄矿

中信重工开诚电气有限公司

一、项目承建单位基本状况

冀中能源峰峰集团梧桐庄矿位于河北省邯郸市磁县境内，井田面积39.6km2，地质储煤4.36亿吨，可采储量1.4亿吨，主采煤层为低灰、低硫、低磷、高挥发分、高发热量、高粘结度的优质肥煤。矿井于1989年4月始建至2003年10月1日正式投产，设计年生产能力120万吨，扩建后核定年产300万吨。该矿以科学发展观为指导，坚持“数字化、智能化”矿山研究与建设，先后建成地面压风系统自动化控制、矿井主通风系统自动化控制、矿井井下供电网络自动化控制、立井提升系统自动化控制等远程监控自动化控制系统，并建有地面集控中心。

二、项目实施概况

1 、项目背景

随着工业自动化技术和信息化技术的发展，两化融合已成为推动企业发展的重要战略之一。“机械化减人、自动化换人”成为了煤矿机电发展的重要方向之一。推行无人值守的自动化控制，不仅能够将职工从井下高温度、高湿度、高噪声的工作环境中解放出来，而且也是使煤炭企业减少从业人员数量、改善安全生产条件、节约人工成本的主要途径之一。

梧桐庄矿属于水文地质极复杂矿井，井田内煤层埋深较大，煤系地层基底的中奥陶系灰岩含水层，富水性强，且局部与开采煤层间的隔水岩层完整性差，严重威胁着矿井安全生产。井田内奥灰含水层与外界的循环交替很微弱，处于一种相对封闭和滞流的水文地质环境，矿井排水是井田内奥灰含水层的主要排泄方式。

梧桐庄矿中央泵房始建于2001年5月，共安装有7台型号为MDF450-90*8的离心式卧泵，水泵流量为450m3/h，扬程为720m，配套电机功率为1400kW。有内外两个水仓，采用射流＋真空两种灌泵装置进行取水。采用集中控制和人工巡检相配合的方式来保证排水泵房的正常运行。

近年来我矿结合生产厂家对井下主排水泵房实现无人值守的自动化控制系统进行了大量的调查研究。由于煤矿主排水泵房均承担着全矿井的排水任务，对设备安全、稳定运行的要求很高。传统的水泵监控系统存在不能直观获取水泵运行机械数据、设备安装繁琐、系统复杂容错率低、系统稳定性差等问题，并不能真正实现可靠的无人值守。且所有数据的获得均需要安设传感器和摄像装置，施工量、维护量都很大。

2 、项目目的和意义

（1）通过立项寻求一种结构相对简单，安装、使用方便，能够代替巡检人员对泵房内设备进行巡检的装置。

（2）巡检装置除了能够通过传感器完全取代巡检人员的视觉、触觉、听觉、嗅觉的功能外，巡检装置必须能够实现自动行走、自动充电、门限报警等功能以便于地面监视人员操作，真正实现“自动化换人”的目的。

（3）所有的监视、控制、调整、数据采集均能在地面远程控制，以便在事故发生后能够快速定位故障原因并尽快排除故障恢复排水系统的运行。

（4）研究一种可与现有排水泵房远程监控系统相结合、互补的自动巡检装置，切实实现减人提效的目的，实现安全效益和经济效益双丰收。同时，对现场安装条件要求的，具有实用性、推广性，以便于应用于其他需要巡检的固定机房硐室，有利于提升梧桐庄矿乃至整个峰峰矿区矿井在自动化控制方面的科技水平。

3 、项目基本情况

矿井正常涌水量738 m3/h，最大涌水量1362 m3/h，根据2001年5月首采工作面开采至今涌水量观测，矿井正常涌水量为330 m3/h，最大涌水量1050 m3/h。井下采用直接排水方式，副井底设有内、外2个水仓，内水仓容积3424m3，外水仓容积3705m3，合计水仓容积7129 m3。

现矿一470 m水平安装有两套排水系统，即中央泵房排水系统和潜水泵排水系统。中央泵房安装有7台KD450-90×8水泵，1-2台工作，4台备用，1台检修。水泵额定流量450 m3/h，扬程720 m。配套电动机型号Y500-10-4，功率1400 kW，电压6kV，转速1487r/min，采用串电抗器方式启动。排水管路选用三趟D426无缝钢管，安装于副井筒内。矿井水直排地面，排高666m.

泵房现有唐山开诚一套主排水电控系统，产品设计按照自动化运行标准来设计，在矿井恢复生产期间，临时安装调试使用，现场7台电动闸阀的开关到位及过转矩信号均无法引出，造成阀门无法执行远控，现场现有的真空泵为SZ-2型 排气量3.4m³/h，使用真空泵时，无法满足使用要求。

目前所有压力传感器及压力没有安装蛇形弯管，如果阀门关闭不严密的时候停泵，会造成真空表及负压传感器的损坏，现场真空表已经损坏多块，已安装的负压传感器可能已经损坏。

三、项目实施需要解决的关键问题。

1、硬件问题

① 采用PLC可编程控制器为核心；

② 外围设备性能可靠；

③ 应急措施齐全；

④ 模块化灵活性高；

⑤ 组网功能强大；

⑥ 液晶显示屏人机界面 (HMI) 直观

⑦ 诊断功能

⑧ 口令保护

⑨ PLC具有多种不同的通讯接口

多种通讯处理器用来连接MPI接口、PROFIBUS 和工业以太网总线系统，通讯处理器用来连接点到点的通讯系统 ；多点接口(MPI和PROFIBUS)集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。

⑩ 远程和现场都编程

2、软件问题

①无人值守减员增效

将本机工作方式转为“地面控制”或“自动控制”时，各水泵由地面主

机或PLC根据自身程序以安全为第一的标准进行控制，最终达到无人值守。

② 避峰填谷降低成本

地面计算机根据每天矿井的用电负荷情况，确定用电高峰、低谷时间，并将参数传给本机，使水泵运行在最经济的时间。

③ 曲线式水位自动控制

水位监测一直是矿井排水参数中最重要的参数之一，往常把水仓水位分为五档低水位、正常水位、高水位、上限水位、危险水位，通过水位传感器的监测反馈判断水位所处于哪个档，然后执行相应的控制动作。经过长时间的摸索和实际经验现将固定档位式水位控制更改为曲线式控制，式PLC控制“IQ”更高。

④ 涌水量增大早预警

根据水仓加装的水位传感器实时监测水仓水位，以时间、容积、水位相结合的方式测算出单位时间的涌水量，达到突发事故早发现、早预警、早排水的目的。

⑤ 设有用水量监测

通过模拟量水位传感器监测单位时间内的上涨速度，测算出矿井的涌水量并结合水位高度确定泵控制动作，可提前了解事故情况为紧急事故提前预知提前进入紧急排水状态。

⑥ 一键起停操作简单

在井下操作台和地面调度室可以实现一键起停功能，系统将按设备顺序自动启动自动监测各个设备数值最后达到自动排水。大大降低了操作难度减小了误操作的发生概率。

⑦ 故障直观易于维护

在现场触摸屏上可汉字显示各故障信息并报警，在地面控制站上可显示现场单元当前的报警信息以及保存的报警记录当运行的水泵出现轴承超温、高压开关故障、流量不够、正压过低、电流不正常时自动停止运行，并能确切的显示故障位置和类型且有声光报警。

四、项目创新点：

水泵监控系统有自动、远程、手动、一键启动四种工作方式，控制模式以“井下优先”的原则可以进行手动切换，在特殊条件下也可以进行自动切换，根据水位控制原则，自动实现水泵的轮换工作，可实现水泵房的无人值守。

通过检测水仓进水量的变化率，对透水事故进行预警，在确认进入紧急状态模式后，以最快速度将所有水泵开启，以最大排水量进行排水。

增设一套可往复在水泵房行走的机器人巡检装置一套。采用轨道自行走方式，轨道吊挂泵房，用于对水泵设备的移动的巡检巡查，及时发现运行过程中，电机、水泵、闸阀的各种清理，巡检机器人本体上不少于2台高清网络摄像仪，同时具备红外温度的采集，负责采集泵体及电机的外壳温度以及泵房的环境温度，巡检机器人本体安装拾音头可清晰的听到井下泵房设备的运转声音，巡检机器人本体安装了烟雾报警传感器，实时监测井下泵房的烟雾报警情况，巡检机器人在井下实现充电，避免了井下更换电池，巡检装置通过无线网络进行信号传输，无线终端通过网线连接到井下交换机上，在地面集控室可以通过IE浏览器操作、查看到巡检机器人的各种巡检状态，可连接至大屏显示。

五、项目实际应用情况及效果分析

梧桐庄矿泵房自动化及机器人巡检系统的设计采用集中控制、分布采集。在井下泵房放置带有PLC的集中控制柜，每台水泵配置就地控制柜。水泵所有相关信号采集至对应的就地箱。巡检机器人由终端控制设备及前端移动体两大部分组成。通过对终端控制设备的操作实现对前端机器人的控制，使之能快速到达相应观测点进行观测。

系统适用于多种工作设备进行观察的场合，特点如下:

1、点位预置功能:可对相应观测点进行预设置。

2、移动累积误差自动调节功能:当前端移动机器人运行相应长度后会产生累积误差，此时系统可根据设定自动复位至原点。

3、位置记忆功能:此功能用于突然断电情况下记忆断电前装置位置。

4、障碍物探测功能:对移动机器人行进方向障碍物进行探测，如发现障碍物存在实现即时制动(多用于保护人身安全方面)。

5、伴随照明功能:前端移动机器人配有两台摄像镜头，每台摄像镜头伴随一台照明装置。通过终端控制设备可对照明装置的光强进行相应调节以适应观测需要。

6、巡检机器人满足10 h连续运行，快速2h充电完成的执行。

井下泵房的自动化控制系统和机器人巡检系统的研究与实施，在技术上已经很成熟，但由于应用环境的复杂性在具体的应用过程中会经常遇到一些突发性的问题。现梧桐庄矿的自动化系统在装备上已经达到了国内的先进水平，巡检机器人更是在国内领先。

该项目2016年初立项，2016年8月在峰峰集团梧桐庄矿实施完成，运行至今，状况良好。

1 、经济效益：

该系统通过整合硬件资源，达到减人增效的目的：以原泵房水泵工每班3人、一天三班工作制计算，可缩减人员每班2人，共节省8人，每人年工资约10万元，共计节约80万元；该系统可通过编程实现避峰填谷，节约电费，每天按避峰填谷8个小时计算，每天可节约电费8h*1400kw*0.5元/kw.h=5600元 ，每年节约5600*365=2044000元，每年总计节约284.4万元。

2 、社会效益：

通过泵房自动化和机器人巡检系统的应用，大大的降低了人工成本，并使信息能通过更少的环节更快的上传到指挥系统中心，减少了事故的发生率；智能控制水泵开停时间，实现用电避峰填谷的功能特性，减少了大量电费的使用。

六、适用推广范围

本项目是面向煤矿安全生产的智能装备，能集中的控制水泵情况并及时掌握矿井的涌水等情况，实现水泵排水自动化巡检无人化。提升管理水平，节省采购成本和运作成本，从经济上、安全管理上都适用于各煤矿。

如何进行汇川PLCH1U-XP系列PLC远程监控？

在工业自动化的浪潮中，可编程逻辑控制器（PLC）作为控制系统的核心，其稳定性和可靠性对于生产流程的顺畅运行至关重要。汇川PLCH1U-XP系列以其高性能和广泛的应用场景，在工业控制领域占有一席之地。然而，对于分布在不同地点的PLC设备进行远程监控一直是一个挑战。幸运的是，HiWoo Box工业边缘网关的出现为这一问题提供了解决方案。

一、如何进行汇川PLCH1U-XP系列PLC远程监控？

HiWoo Box作为工业边缘网关，可以轻松实现汇川PLCH1U-XP系列PLC的远程监控。以下是具体步骤：

1.硬件连接与配置：首先，将HiWoo Box与汇川PLCH1U-XP系列进行物理连接，通常是通过以太网口或串口实现。确保连接稳定后，对HiWoo Box进行网络配置，使其能够接入互联网，从而实现远程访问。

2.数据采集与协议转换：HiWoo Box支持多种工业通信协议，包括Modbus等。在配置界面中，设置HiWoo Box以Modbus协议与汇川PLCH1U-XP系列进行通信。这样，HiWoo Box就可以实时采集PLC的数据，并将其转换为标准格式，便于远程监控软件进行处理。

3.远程访问设置：为了确保数据的安全性，需要对HiWoo Box进行远程访问设置。这包括设置访问权限、安全认证等。只有授权的用户才能通过互联网访问HiWoo Box，并进一步访问汇川PLCH1U-XP系列PLC。

4.监控软件开发与部署：根据实际需求，开发或选择适合的远程监控软件。该软件应能够实时显示PLC的数据、状态以及报警信息。将监控软件部署在服务器或云平台上，使其能够通过互联网与HiWoo Box进行通信。

5.实时监控与数据分析：一旦上述设置完成，就可以通过BoxPlugin实时查看汇川PLCH1U-XP系列PLC的状态和数据了。这些数据可以以图表、曲线等形式展示，帮助工程师直观地了解PLC的工作情况。同时，还可以对采集到的数据进行深入分析，为生产优化提供有力支持。

样机申请 https://www.hiwooiot.com/h-col-158.html?statId=62

二、汇川PLCH1U-XP系列PLC远程监控的价值

实现汇川PLCH1U-XP系列PLC的远程监控具有以下显著价值：

1.提高生产效率：通过远程监控，工程师可以实时了解PLC的工作状态和数据，及时发现并处理潜在的问题，从而确保生产线的稳定运行。这有助于减少生产中断和浪费，提高生产效率。

2.降低运营成本：远程监控可以减少现场巡检的频率和人力投入，降低运营成本。同时，通过数据分析，还可以优化生产流程和设备维护计划，进一步降低成本。

3.快速响应市场需求：随着市场竞争的加剧和消费者需求的多样化，企业需要快速调整生产线以适应市场变化。通过远程监控，工程师可以迅速获取生产数据并进行分析，为决策层提供有力支持。这有助于企业快速响应市场需求并抓住商机。

4.提升设备维护水平：通过实时数据采集和远程监控功能，工程师可以及时发现设备的潜在故障和异常现象。他们可以利用远程访问功能对设备进行预防性维护和保养，延长设备的使用寿命并提高设备的可靠性。这有助于降低企业的维修成本和减少生产中断的风险。

5.促进智能化发展：随着工业4.0和智能制造的深入发展，远程监控已成为工业自动化的重要组成部分。通过HiWoo Box实现汇川PLCH1U-XP系列PLC的远程监控，有助于推动企业向智能化、数字化转型。这将为企业带来更多的发展机遇和竞争优势。

三、结语

HiWoo Box工业边缘网关为我们提供了一种高效、便捷、安全的汇川PLCH1U-XP系列PLC远程监控方法。通过远程监控，企业可以提高生产效率、降低运营成本、快速响应市场需求、提升设备维护水平并促进智能化发展。在未来的工业自动化进程中，HiWoo Box将继续发挥重要作用，助力企业实现更高效、更智能的生产管理。

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