孟欣
（河北钢铁集团矿业有限公司庙沟铁矿）
摘要：庙沟铁矿为露天转地下开采矿山，井下排水系统任务繁重，为了实现井下排水系统远程启停与监控，对水泵数量和用电时间合理分配，及时给出设备故障预诊断及建议，达到高效节能运转及减员目的，对该矿井下排水系统进行了智能化改造研究。通过构建集系统网络架构、自控系统架构、设备层架构、上位监控软件与水泵控制流程于一体的智能改造体系，系统可以编制多样化及适应性启泵排水控制工艺软件，实现水泵正常排水、节能模式排水等多种排水方式。通过配置水仓水位、压力、流量、水泵及电机振动、温度、引水回路传感器，可以实时监测排水系统状态。上位监控软件具有故障报警及保护功能，到达保护阈值后，系统自动触发保护动作，并发出报警信号。井下排水系统水泵的控制均采用远程一键操控，使得整个系统具备了多样化操控方式与完备的保护控制功能。系统建成并投入使用后，利用峰谷电价的差异对水泵排水进行优化管理，实现自动化建设后可减员4人，预计仅直接相关人工费用的可节约人工成本32万元/年，减少了人员直接接触设备和人为操作带来的安全事故风险。研究结果可为类似条件矿山井下排水系统智能化改造提供指导与借鉴。
关键词：地下矿山；排水系统；智能化；PLC；无人化
0 引言
随着我国经济技术的飞速发展，地下金属矿山开采技术与信息化水平不断提高[1-3]。但是，在实际生产过程中，也逐渐暴露出一些问题，如地下矿山人员老龄化情况严重，综合素质跟不上数字化、智能化矿山发展速度，满足不了信息化、科技化的发展需要等[4-6]。矿井排水系统作为整个矿山体系中重要的组成部分，为矿山的高效开采提供的重要的支撑，而传统的排水系统存在人力消耗大、手动操作频繁、启泵前注水流程繁琐，人员作业环境恶劣等问题[7,8]，限制了矿山智能化发展脚步，凸显了矿井排水系统智能化建设的重要性与迫切性。在这方面研究中，景欣欣为了解决寺河二号井井下排水系统自动化程度低、可靠性差、人工劳动强度高等诸多问题，建成远程自动化排水系统，实现了泵房关键设备的远程启停、状态监测及智能诊断等诸多功能[9]；张伟等基于PLC控制、通信系统及计算机控制技术等构建矿井中央泵房排水自动化控制系统，通过监控中心可实现井下排水设备运行远程监控，提高了生产效率[10]；符波将矿山井下排水系统作为研究对象，从结构分析、模块设计、控制模式、系统功能等维度，构建完整的自动化控制方案，并为自动化控制方案提供相应的保障措施[11]；张文锋等通过对PLC可编程控制系统的原理和构成的研究，实现了排水系统的监控和自动控制电机与闸阀的目的[12]。对实现井下水位自动监测，保证矿山排水安全有重要指导意义。综合文献分析，对于矿井排水系统智能化改造方面的研究，主要集中在井下排水系统远程监测与监控和故障诊断方面，对于井下排水系统整体构架体系建设方面提及较少。为此，以庙沟铁矿露天转地下开采井下排水系统改造为工程背景，从系统网络架构、自控系统架构、设备层架构、上位监控软件与水泵控制流程等方面阐述了井下排水系统智能改造与实现方法，以期实现矿山安全高效开采及减员目标。
1 工程概况
庙沟铁矿为露天转地下开采矿山，生产规模为300万吨/年，矿体走向10°～50°，倾角74°～87°，平均厚度23.8m，挂帮矿及深部矿体均采用无底柱分段崩落法回采。矿区属暖温带半干旱大陆性山地气候，四季分明，年平均气温8.85℃，年平均降雨量748.9mm，冻结期较长，每年10月下旬至次年4月下旬为冰冻期，冻土层深度一般为0.9～1.1m。区内山峦起伏，侵蚀切割强烈，为隆起区中低山地貌。南部耸立着燕山期花岗岩形成的中低山，标高一般在800～1200m，北部和西部主要为变质深成岩形成的低山，海拔标高一般在500～600m，矿区东西两侧各有一条小溪，在矿区东北部汇合，流入牛心山河。河内常年有水，汛期洪水流量较大，但历时较短。
庙沟铁矿井下排水系统采用分段、集中排水方式，水仓、水泵房、中央变电所等布置在0m中段副井车场附近，排水管布置在副井内。排水系统主要包括0m中央水泵房、副井和粉矿回收井井窝水泵、-155m水平排水系统等。各水平分段涌水通过水沟自流经泄水井流至0m水泵房；副井井底水窝积水通过水泵排至0m水泵房；-155m积水通过水泵排至0m水泵房。所有涌水汇聚到0m水泵房通过多级泵排至地表沉淀池，矿井排水系统如图1所示。
图1 庙沟铁矿排水系统图
井下排水系统担负着排出井下积水的重要任务，为了满足井下排水系统自动化与智能化需求，需对现用井下排水系统进行自动化与智能化改造，实现对各个排水设备的远程启停控制与监控，实现水泵房的无人值守，最终达到合理分配开启水泵数量与水泵用电时间，对各水泵给出预诊断建议，保证水泵始终保持健康、高效、节能、稳定运转。
2 排水系统智能化改造方法
2.1 系统网络架构
将0m中央水泵房、副井和粉矿回收井井窝水泵、-155m水平排水系统的排水设备作为整体控制区，配置PLC自动控制站及其他辅助设备的配电、操作设备，实现整个泵房的水泵集中控制和数据监测，系统网络构架如图2所示。将整个系统网络架构分为办公层、数据层与控制层3个层级，在办公管理和数据管分析系统各设置1道防火墙，通过商业核心交换机与工业核心交换机协同作用，利用环网系统对井下各个水泵房实现集中监测与控制。
图2系统网络架构图
系统网络主要负责所有水泵及阀门仪表的启停控制、保护控制、数据采集、状态监视。提供泵房内所有设备的驱动回路及控制接口，多种操作方式的实现和转换。采取就地、远程、手动、自动多种操作控制方式，满足排水系统无人及检修、应急工况下的操作及控制。根据矿山排水系统特点，编制多样化及适应性启泵排水控制工艺软件，实现水泵正常排水、节能模式排水等多种排水方式，为上级自动化系统平台提供泵房内设备运行数据，接收集控室发送的调度指令，实现该泵房内所有设备的控制和状态监视。
2.2 自控系统架构
自控系统采用视频监控+PLC控制系统，如图3所示。采用中央监控级、PLC控制级、现场设备层的三级控制模式，对各设备如主排水泵、引水回路、闸阀、球阀、传感器、仪表等进行管理和控制。在监控层形成1个集中监控站，排水系统后台监控系统位于地面集控中心和现场，实现排水泵房的集中操控和状态监控、PLC分站组态、程序管理。控制层由PLC控制站组成，在中央水泵房有独立CPU，实现排水系统的控制，对所属泵房排水设备的信号采集、启停控制、逻辑控制、状态监控等功能。
图3 视频监控+PLC控制系统
整个自控系统采用EIC三电合用PLC的控制架构，在中央水泵房配置1台CPU，配置相应的接口模块和输入、输出卡件，该泵房内所有水泵的操控由本台CPU实现。PLC控制器采用西门子公司S7-1500系列产品，控制系统功能强大，扩展性和兼容性比较好，故障率低维护方便。在-155配电硐室设置S7-1200控制站对-155m水平排水系统实现检测及控制。
2.3 设备层架构
设备层由主排水泵、引水回路设备、闸阀、球阀、传感器、仪表、就地操作箱等组成，为实现自动控制和状态在线监控，需对部分仪表、执行器进行必要的电气化配置，提供电气操作及控制接口。排水泵就地控制箱设置于排水泵设备旁，并保持一定安全距离，实现单台主排水泵及管路阀门的就地单独控制，箱体盘面设置转换开关、按钮、指示灯等低压器件。
为了提高泵房排水系统的自动化及无人化水平，排水系统主水泵、管路、阀门、系统状态及工况检测信号接入PLC控制站，通过该控制环网交换机接入地表集控中心。根据管路布置，对泵出水口、管道切换中关键、经常使用阀门配置电动执行器，可执行手动/电动两种操作模式，具有开、关到位反馈。配置水仓水位、压力、流量、水泵及电机振动、温度、引水回路传感器，接入PLC系统，实时监测排水系统状态。泵房中对于相同参数的水泵、阀门、控制箱、传感器等配置相同，满足互换性。PLC控制程序如图4所示。
图4 PLC控制程序图
2.4 上位监控软件
上位监控软件具有故障报警及保护功能，涉及到系统安全运行的保护信号，到达保护阈值后，系统自动触发保护动作，并发出报警信号。能够累计计算各水泵的运行时刻和累计运行时间等参数。故障报警显示、记录，能显示和打印故障种类，发生时间、原因、故障解除时间等，并提供相应的诊断信息。监控软件提供部分人机交互信号，执行操作数据的下传，如通过画面中按钮和开关实现对控制系统内某些保护的投切操作，对控制系统进行相关参数设置等操作。
2.5 水泵控制流程
目前，庙沟铁矿井下排水系统主要包括0m中央水泵房、副井和粉矿回收井井窝水泵、-155m水平排水系统等，各水平分段涌水通过水沟自流经泄水井流至0m水泵房；副井井底水窝积水通过水泵排至0m水泵房；-155m积水通过水泵排至0m水泵房。所有涌水汇聚到0m水泵房通过多级泵排至地表沉淀池。每个泵房内的水泵控制流程基本一致，水泵配置情况如图5所示。常规情况下排水泵处于关闭状态，此时1号与2号电动阀、电磁阀均处于闭合状态，电机不运转。对于井下排水系统水泵的控制均采用远程一键操控，对于水泵开启操作，作业人员在系统画面中点击一键开启按钮，此时PLC控制系统收到信号后开启水泵，电磁阀打开后开始往泵体中进入，当流量开关收到相关反馈信号并延时6秒后，自动关闭2号电动阀，通过信息反馈保证阀门彻底关闭并延时6s后，电机开启10s后整个排水系统自动监测水泵压力情况以及电机运转情况，当达到规定要求后，此时开启1号电动阀，整个水泵开启流程完成。对于水泵关闭操作，作业人员在系统画面中点击一键关闭按钮，此时PLC控制系统收到信号后关闭水泵，这一过程中电动阀首先关闭，当系统收到关闭信号后，电机自动停转，整个水泵关闭流程完成。
图5 水泵配置图
2.6 系统功能特点
（1）多样化操控方式
系统提供远程/就地、检修/手动/半自动/自动多种组合模式。其中，远程利用上位监控、集控PLC对多个PLC分站进行远程控制。就地利用操作开关、实现水泵就地控制；手动利用PLC，单独进行各部分手动操作；半自动利用PLC，一键进行单台的泵阀顺序启动和停止操作；自动利用集控PLC对多台水泵进行远程控制和液位的连锁控制，实现无人值守。
（2）完备的保护控制
自动化系统具有良好的系统运行条件监测及和突发情况下系统保护及控制作用，主要从电机和水泵两个方面发挥其保护作用。电机保护可以实时监测电机电流、温度、振动，实现排水泵主电机的保护控制；配置电流、温度、振动传感器。水泵保护可以实时监测水泵各工艺段真空度、压力值、振动值、温度值，实现水泵异常报警和故障保护停机功能；配置压力、振动、温度传感器。对于关键设备的启停控制，设置操作人员登录管理功能，只有具备操作权限的人员才能在监控计算机上对设备进行远程操控，有效防止非法操作及误操作。
3 排水系统智能化实现
为实现泵房无人值守，为泵房配套视频监控系统。采用网络摄像头布置在泵房的关键区域，实现水泵本体，主排水管路，泵房内环境、控制柜等所有设备的状态全方位监视。单个泵房内的视频信号统一汇总到一个单独的配电箱，通过光纤传输到地面集控中心。配电箱内置摄像头供电、视频信号转换及信号传输模块。
由于长期运行的泵组容易造成设备疲劳、磨损快、寿命短，备用泵和检修泵组长期不运行又容易造成设备锈蚀无法使用，这就需要对设备进行循环运行，达到均匀磨损的目的。当系统开启无人值守的集控模式时，整个系统中可以自行的实时记载不同水泵的工作时间，并对运行状态进行合理排序，在下一次水泵投入使用时，可以自动优先开启设备故障率低及运转时间短的水泵，通过智能化设置，能够有效较小单个水泵的磨损程度，实现系统中水泵的均匀磨损，在一定程度上提高水泵的适用寿命。同时，在整个排水系统工作过程中，一旦出现某个水泵规章或者进行故障排查与检修过程中，该水泵自动退出轮换适用工序，其他未受到故障影响的水泵在整个轮换体系中可以正常运转，通过记录水泵的累计使用时长，当达到需维护时间时，系统会自动给出维护提示，大大提高了水泵的工作效率。
在保证安全生产的前提下为了节能降费，利用峰谷电价的差异对水泵排水进行优化管理。根据峰谷电价很容易制定矿井排水“避峰填谷”控制的目标。在高峰段不排水或少排水，多蓄水；在平时段少排水；在低谷段多排水。为保证矿井排水系统无人值守自动控制系统运行安全有效，将水仓划分为4段：超低水位HLL、低水位HL、高水位HH、超高水位HHH。工作水位设定低水位HL、高水位HH是水仓正常工作水位，在进行自动排水控制时，水位应保持在低水位HL、高水位HH之间。报警水位设定超低水位HLL、超高水位HHH是异常警报水位，在超低水位时，所有泵必须停止工作；在超高水位时，不管在任何时段，必须启动水泵，控制水位在超高水位之下。
该矿露天转地下开采排水系统智能化改造完成后，实现了井下排水系统远程启停与监控，水泵数量和用电时间能够合理分配，达到高效节能运转及减员目的。与系统优化前相比，整个排水系统操作人员由原来的9人减少为4人，职工工资及福利费标准按平均8万元/人年计算，仅直接相关人工费用的可节约人工成本32万元/年，有效减少人员直接接触设备和人为操作带来的安全事故风险，提高了矿山开采过程中的整体安全管理水平。
4 结论
（1）庙沟铁矿建立的智能化与自动化排水系统，由PLC控制器、人机界面、各种接口模块、工控机、电动闸阀、电磁流量计及雷达料位计等组成，可用于采集、处理排水系统各种数据，实时向集控中心传输排水系统运转状态和视频信号。
（2）集控人员直接在集控中心监控，可以实时控制水泵的开停状态，系统具有现场可编程、输入/输出点数可扩展、操作简便等特点，实现排水系统的无人值守。
（3）系统投入运行后，原设计定员9人，实现自动化建设后可减员4人，职工工资及福利费标准按平均8万元/人年计算，预计仅直接相关人工费用的可节约人工成本32万元/年，有效减少人员直接接触设备和人为操作带来的安全事故风险。
（4）通过自动化监测井下排水系统运行过程中人员、设备和环境状况，有利于掌握安全生产主动权，实现系统的本质安全化，为安全生产和应急指挥提供有力的手段。
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