徐天伟 王思潮

（河钢集团矿业有限公司石人沟铁矿，河北 遵化 064200）

摘要：针对石人沟铁矿井下涌水量明显增大，而-180水泵房排水站点采用人员岗位值守，自动化水平低的问题，文章做了对-180水泵房排水站点进行远程自动化控制改造的研究，取得排水系统现场实现无人值守，在地表调度中心集中监测与自动控制水泵启停的效果。

关键词：排水系统；PLC控制；无人值守；自动化

0 引言

石人沟铁矿水文地质条件属简单—中等类型，排水系统中-180水泵房是井下主排水泵房，负责将井下汇水排放至地表的任务，为集中排水方式。-180水泵房安装有8台800kW的高压水泵，配置排水岗位人员8名，四班三运转的模式进行排水工作，当前依靠人工手动控制水泵的启停，不能实现-180水泵房排水系统的远程自动控制。

1 研究背景

矿井排水系统肩负着排出井下涌水的重要任务，是保证矿井安全生产的关键环节。2024年12月以来，受周边矿山停产停止排水影响，石人沟铁矿井下涌水量明显增大，井下涌水量已到历史同期5倍以上，2024年8月份排水量更是达到了日均2.2万立方米。

按照《唐山市隐蔽致灾因素普查和汛期水害防治专项检查工作方案》通知要求，对于长期停产停建地下矿山有排水作业的，要全部实现地面远程控制。目前，石人沟铁矿井下水泵房排水方式均为传统人工手动控制，考虑目前实际排水情况，如遇暴雨等特殊极端天气，可能发生淹井事故，造成人员伤亡。基于此现状，需对水泵的自动化控制系统进行改造，实现矿井排水远程控制。同时减少井下作业人员下井频次，降低安全风险。

2 排水自动化的设计与改造方案

2.1 项目建设目标

建设-180水平水泵远程集中控制系统，对现有的8台高压水泵控制系统和2台真空泵进行硬件和软件系统改造，并在内水仓安装投入式液位计用于实时监测水位高度；出水管道上增加外夹式超声波流量计用于实时监测管道的流量，出水管道和真空泵吸水口安装压力仪表用于实时监测出水口及真空泵水压等等；部署视频监控系统，对8台离心泵和2台真空泵进行全方位管控。最终实现-180水泵两种操作模式的功能，控制方式如下：

第一种远程档位可在地表矿调度室、动力作业区调度室和中央水泵房值班室通过远程控制画面一键电控打开或关闭1至8#离心泵和2台真空泵。

第二种就地档位可在本地通过操作按钮电控打开或关闭1至8#离心泵和2台真空泵。

2.2 系统功能

2.2.1 离心泵本地控制

本地控制功能允许操作人员在水泵现场控制柜，通过按钮、旋钮等设备对水泵进行直接操作，包括启停水泵、开关阀门，以满足现场检修、调试及紧急情况下的人工干预需求。且本地操作优先级高于远程控制，确保在自动化系统故障、网络中断或特殊工况下，操作人员能迅速响应，手动保障井下排水系统的基础运行可靠性。

2.2.2 离心泵远程控制

远程控制功能通过矿井工业环网，将水泵控制PLC柜接入井下环网中，管理人员可以在地面调度中心和创新工作室即可远程实现水泵的启停、参数设定，并实时监控设备状态。该功能采用西门子通信协议实现数据交互，结合Wincc软件构建可视化操作界面，并具备权限分级管理机制。通过远程控制，可减少井下人工巡检频次，降低作业风险，同时实现多台水泵的集中调度，有效优化排水效率，降低能耗成本。

2.2.3 仪表实时数据检测

实时检测功能借助多种传感器，对水仓液位、出水口管道流量、抽真空及出水口压力、水泵运行状态进行全方位监测。其中，水仓液位检测通过投入式液位计实时采集水井水位数据，为水泵启停及调度提供核心依据；出水口管道流量检测利用外夹式超声波流量计，监测排水流量以评估水泵工作效率；抽真空及出水口压力检测依靠压力传感器判断水泵启动前准备状态及运行负载；水泵运行状态检测则通过电流互感器、温度传感器等设备监测电机电流、温度、振动等参数。各传感器采集的数据经处理后，为系统稳定运行提供准确的数据支撑。

2.2.4 设备故障报警

故障报警功能在系统检测到液位超限、流量异常、压力、振动、温度突变、设备故障等情况时，会立即触发报警，并通过声音等方式通知相关人员。在Wincc系统中预设故障逻辑规则，报警触发后自动记录故障类型、时间及参数，并支持报警分级管理。该功能可显著缩短故障响应时间，有效降低事故风险，保障井下人员及设备安全。    

2.2.5 历史数据查询功能

历史数据查询功能可自动存储液位、流量、压力、设备运行参数等历史数据，支持用户按时间、设备编号等条件进行快速检索与统计分析。系统采用数据库存储数据。通过对历史数据的分析，技术人员能够掌握设备运行规律、评估系统能效、优化控制策略，为智能化运维提供有力的数据支持。

2.3 实施内容

-180水泵房排水系统现场安装离心泵8个和真空泵2个，系统运行现状均为在现场机旁箱进行本地控制，现场一共2个岗位操作人员可通过按钮分别控制8台离心泵和2台真空泵合闸分闸。

-180水泵房改造方案是在离心泵的基础上进行自动化改造，安装电动执行机构、电动智能阀门、液位计、流量计、压力变送器、振动传感器、温度传感器，增加5套离心泵远程控制系统，5套系统分别部署在1至8号离心泵和真空泵附近，将原来的现场操作箱拆除，安装新的综合控制柜。同时将系统信号通过环网引至地表调度室、动力作业区调度室和中央水泵房值班室进行通讯，采集现场运行信号和检测数据，由组态控制画面实现离心泵远程集中控制。

同时为保证井下停电后系统正常运行，需增加1台带应急供电系统的网络机柜，为5套自动化系统进行应急供电，保障待机运行2小时以上。具体改造如下：

2.3.1 液位检测系统安装​

在-180水平巷道，计划安装4台投入式液位计。其中，1台用于精准检测高位水池的液位情况（留备用），另外3台分别对应3个水仓。选用的投入式液位计具备高精度、稳定性强的特点，能够适应复杂的井下环境，准确测量液位变化。​

2.3.2 排水量实时监测设备安装​

在4条出水口的主管道上，各安装1台外夹式超声波流量计。这些超声波流量计用于实时检测离心泵的排水量。所选用的超声波流量计具有高精度、非接触式测量的优点，不会对管道内流体造成额外阻力。

2.3.3 压力传感器安装​

在离心泵的出水口，共需要安装8台量程为0-6.4MPa的压力传感器。这些传感器用于监测离心泵出水口的压力，以确保离心泵在正常压力范围内工作。在真空主管道上安装1台，以及在8个抽真空主管道上各安装1台，共计9台量程为-1.0–0MPa的压力传感器，用于监测真空系统的压力状态，一共需安装17个压力传感器。

2.3.4 温度与振动传感器安装​

针对每台离心泵，安装2个水泵前后轴温度传感器，1个水泵振动传感器和1个电机振动传感器。温度传感器采用固定式，振动传感器采用磁吸式，便于安装和维护，能够实时监测离心泵前后轴的温度，防止因温度过高导致设备故障。振动传感器为磁吸式，用于监测离心泵和电机的振动情况，通过分析振动数据可以提前发现设备潜在的机械故障。一共改造8台离心泵，因此共计需安装16个固定式温度传感器和16个磁吸式振动传感器。另外，每个离心泵本体自带定子温度检测功能，每个离心泵采集 A、B、C 三相和电机前后轴共5个温度点，8台离心泵共计40个温度点。这些温度数据通过线缆接入控制系统，并在触摸屏上进行显示，方便操作人员实时掌握设备的温度状态。​

2.3.5 阀门自动化改造​

对8台离心泵的老手动阀门进行改造，在每个泵出口手动阀门外加装1个电动执行机构。电动执行机构能够实现阀门的远程控制和自动化操作，提高阀门控制的精度和效率。同时，对真空泵的10个手动阀门进行拆除，更换为新的电动阀门。新电动阀门的选型考虑了真空泵的工作压力、流量等参数，以保证阀门的性能与真空泵相匹配。安装完成后，对所有电动阀门进行调试，确保其能够正常开启和关闭，实现远程控制功能。​

2.3.6 电缆桥架安装与线缆敷设

安装新的电缆桥架，围绕水泵房8台水泵及真空泵敷设一圈，长度约为150米。电缆桥架的材质选择镀锌板材料，以适应井下潮湿的环境。在敷设过程中，根据水泵房的布局和设备位置，合理规划桥架的走向，确保桥架安装牢固、平整。将原本水泵房的线缆逐一敷设在线缆桥架内，对线缆进行整理和标识，便于后续的维护和管理。

2.3.7 网络机柜与交换机安装​

将-180水泵房的旧网络机柜拆除，安装新的网络机柜。同时，增加一套新的24口网络交换机，该交换机用于井下网口的扩展，以满足新增设备的数据传输需求。将交换机正确安装在机柜内，并进行配置，使其能够与石人沟井下环网相融合。

2.3.8 控制柜安装与设备调试​

对现场8台离心泵和2台真空泵的旧机旁箱进行拆除，安装5台新的PLC控制柜和1台电源分配柜。在安装过程中，严格按照设计图纸进行柜体的定位和固定，确保安装牢固。进行线缆敷设和接线工作，将各设备的控制线、电源线等准确接入相应的控制柜内。接线完成后，对线路进行仔细检查，确保接线正确、牢固，无短路、断路等情况。完成硬件安装后，对PLC进行编程和调试，根据水泵和真空泵的运行逻辑编写控制程序，实现设备的本地及远程控制功能，确保-180 水泵房的1至8号离心泵能够稳定、可靠地运行。

2.3.9 摄像头安装​

安装8个摄像头，用于实时观测离心泵及电动阀门的运行状态。摄像头的安装位置能够全面覆盖需要监控的区域，确保无监控死角。选用的防爆型摄像头符合井下安全标准，具备防水、防尘、防爆等功能，能够在恶劣环境下正常工作。存储系统能够存储1个月以上的视频数据，便于后续查询和分析设备运行情况，及时发现潜在问题。​

2.3.10 上位机增加​

增加3台上位机，用于井上井下远程控制1至8号离心泵的合闸分闸。上位机选用性能稳定、配置较高的工业计算机，安装专门的控制软件。通过网络与井下的PLC及相关设备连接，实现数据的双向传输。操作人员在上位机上可实时监控离心泵的运行状态，如启停状态、压力、流量、温度等参数，并可通过操作界面远程控制离心泵的开启和关闭。上位机显示画面如图1所示。

图1 上位机显示画面

2.3.11 应急供电系统增加​

增加1台带应急供电系统的网络机柜，该系统主要为PLC控制柜应急供电。应急供电系统选用3KVA不间断电源（UPS），确保能够保障设备待机运行2小时。

3 改造后的效果

经过对-180水泵房排水系统的一系列改造，实现了-180水泵房的现场无人值守，减少了岗位人员值守，也确保了排水质量，满足了安全生产需求。改造完成后，在地表调度中心内就可以对-180水泵房的水泵进行远程自动启停，同时，利用先进的监测与控制手段，降低了排水系统的维护工作量：一方面，通过使用高可靠性的传感器采集、记录设备的运行参数，替代以往人工定时巡检、听声判断，有效降低了日常点检的工作量，另一方面，由于机器在精力和机械化任务的执行效率远远高于人，对运行数据的记录，运行状态的监视可以做到近乎于实时，在设备发生异常的时候，能第一时间做出反应并制定切实的检修方案。

4 结语

石人沟铁矿-180水泵房排水系统自动化改造的成功建设，节省了很多的重复性投资，减少了很大的维修量，在指导参与井下现场排水后，通过作业现场无人化，井下作业现场的安全事故率明显降低，大型安全事故降为零。井下安全生产的管理能力大幅提高，为石人沟铁矿的安全生产工作起到了安全保障，在同类矿山具有很好的推广价值。

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