石人溝鐵礦-180 m水平中央水泵房無人值守系統設計與應用

許長新　夏夕雯　胡亞軍　梁廣泉

(1.河鋼集團礦業有限公司石人溝鐵礦；2.河鋼集團礦山設計有限公司；3.河鋼集團灤縣常峪鐵礦有限公司)

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石人溝鐵礦-180m水平中央水泵房無人值守系統設計與應用

許長新1夏夕雯2胡亞軍2梁廣泉3

(1.河鋼集團礦業有限公司石人溝鐵礦；2.河鋼集團礦山設計有限公司；3.河鋼集團灤縣常峪鐵礦有限公司)

中央水泵房是地下采礦排水系統的核心，采場各水平涌水以及尾礦充填過程中的析出水等都匯集于此排出。傳統生產過程中水泵啟停完全依靠人工操作，勞動強度大，且不能科學、合理的調度排水量與排水時間，造成設備利用率低等問題。為此，石人溝鐵礦設計并采用DCS控制系統，自動檢測水泵運轉過程中的各項參數及工作狀態，實時反映至上位機，通過千兆以太網將各項參數傳至監控中心，并可根據實際情況選擇手動控制、遠程控制、全自動控制，實現了集監控、顯示、通信為一體的無人值守。實踐證明，該系統運行穩定可靠，對保障礦山安全生產，降本增效有著重要的意義。

地下采礦中央水泵房無人值守DCS控制系統

礦山排水系統承擔著排出井下涌水的重要任務，而其核心就是中央水泵房，排水系統能否安全、可靠、有效地運行，關系到整個礦井的生產與安全[1]。傳統排水方式一般依靠人工操作，無法利用排水設備與倉容科學、合理的調配排水量與排水時間，而排水設備一般功率較大，耗電量多，普遍存在能耗大、效率低、生產成本高的問題[2]。石人溝鐵礦-180m水平中央水泵房共有D450-60×7型17臺離心泵，功率800kW，電壓為6kV，水泵流量450m3/h，揚程420m，兩泵共有一條排水管路，分內外水倉。為節約排水成本，開展了中央水泵房無人值守系統設計與應用，通過DCS控制系統實現了礦井排水的自動控制和地面遠程監控：可根據水倉水位自動起停水泵，合理調配水泵運轉，提高水泵利用率；設備運行的監測及故障報警，有效地保護水泵電機等設備，延長使用壽命，減少事故停機時間；改善了操作人員工作環境，提高勞動生產率，大大提高了排水能力，保障了礦井的安全生產；通過調整開停時間，合理避開了電力負荷高峰期，避峰填谷，降本增效[3]。

1　水泵房無人值守系統設計方案

1.1系統組成

本系統通過對中央水泵房排水泵組及其控制柜、真空泵等設備及運行參量的自動檢測，以圖像、文字、數據等方式，實時反映系統工作狀態，包括水倉水位、電機溫度、軸承溫度、正負壓力等參數，并通過千兆以太網將這些數據傳至地表調度監控中心，進行系統的實時監測、自動控制及設備報警，實現集監控、顯示和通信為一體的無人值守系統[4-5]，系統拓撲圖見圖1。

(1)構建由DCS控制的中央水泵房主排水系統，實現對設備及運行參量的自動檢測與控制。

(2)構建地面調度監控中心，實現對水泵運行各項參數的實時監測及水泵工作運行畫面的監控，以及對水泵啟停的遠程控制，達到中央水泵房無人值守、節能增效的目的[6-7]。

(3)井下DCS控制系統、供電系統雙份冗余備份系統。

1.2工作原理

在中央水泵房設一臺控制柜，控制器采用DCS控制，支持TCP/IP通訊協議，并可單獨或無縫接入擴展到礦山綜合自動化環網內。

數據的自動采集主要由DCS實現。通過傳感器連續檢測水倉水位，DCS的模擬量輸入模塊將水位變化信號進行轉換處理，通過計算不同水位段單位時間內水位的上升速率，判斷礦井的涌水量，從而控制排水泵的啟停。電機電流、水泵軸溫、電機溫度、排水管流量等傳感器與變送器，主要用于監測水

圖1　中央水泵房控制系統拓撲圖

泵、電機的運行狀況、超限報警，以避免水泵和電機損壞。DCS的數字量輸入模塊將各種開關量信號采集到DCS中，作為邏輯處理的條件和依據，控制水泵的啟停。

1.3運行方式

運行方式為手動控制、遠程控制及全自動控制。

①手動控制，根據水倉水位或浮球狀態，通過手動控制水泵的啟停；②遠程控制，通過調度監控中心的計算機控制水泵的啟停；③全自動控制時不需要人工操作，系統的井下下位機DCS實時采集水倉水位狀態，根據水倉水位情況，自動啟停水泵，并根據每臺水泵的運行時長合理安排水泵的運轉，保證每臺水泵的高效利用。下位機在正常運行過程中，脫離上位機的通訊仍能正常運行。

系統運行過程中，不論選擇何種運行方式，均可實時將中央水泵房的各種參數、設備狀態通過工業以太網傳到地面調度監控中心。工作方式可由井下操作箱選擇，并采用一鍵啟停功能，見圖2、圖3。

2　水泵房無人值守DCS硬件控制系統設計

選用美國OPTO公司DCS冗余控制系統兩個相同的SNAP-PAC-S1作為控制器，一用一備，每個控制器配備一套24V線性直流電源開關，同時該DCS控制系統有一套冗余表決器，實時監測運行過程中的控制器，并按照流程要求對備用控制器實時參數同步計算運行。該控制系統選用的數字量、模擬量模塊均可帶電插拔操作，經詳細計算模擬量輸入點16個，數字量輸入點47個，數字量輸出點26個，具體所選模塊型號見表1。

圖2　一鍵啟動流程操作程序

3　水泵房無人值守監控系統設計

該操作界面內容豐富、形象、直觀，操作簡單、易懂，內容包括工藝流程模擬圖、 設備開停狀態、相應模擬量數值等，包括離心泵、傳感器、執行機構等，同時，對離心泵提供了雙層啟動確認界面(見圖4)。

圖3　一鍵停止流程操作程序

對水倉液位值、溫度值、壓力值和振動值等進行趨勢顯示和分析(見圖5)；對于班組運行記錄、離心泵運行時間進行自動數據統計(見圖6)，以便于報表分析。系統調出整幅實時數據畫面的響應時間小于5s。

4　效果效益分析

本系統從方案設計、施工圖設計、DCS組裝、現場改造到系統聯動試車，以“不影響礦山排水系統正常運行、不破壞水泵房原手動操作系統、充分利用原有的設備設施節約成本”為原則。該系統調試成功之后，運行穩定可靠，實現了礦井排水手動控制、遠程控制、全自動化控制和地面遠程監控，水泵啟動實現了一鍵啟停，提高了水泵利用率，延長水泵使用壽命；采用避峰填谷措施，可大大減少用電量，每年節約電費約25萬元；進入非汛期，排水系統采用“無人值守+定點巡視”方式，可取消崗位人員8人，每年可節約人力成本約40萬元。

表1　DCS控制系統模塊選型

注：生產廠均為Opto22。

圖4　主控界面

5　結　論

(1)采用DCS控制系統控制水泵啟停，并自動采集排水泵組及其附屬控制柜、真空泵系統以及各運行參量的數據，實時的反映水倉水位、電機溫度、軸承溫度、正負壓力等參數及系統工作狀態。

(2)采集數據通過千兆以太網傳至地表監控中心，以便實時監測及報警顯示。

(3)運行方式為3種，可手動控制、遠程控制及全自動運行，水泵啟停采用一鍵啟停功能。

圖5　趨勢變化

圖6　數據統計界面

(4)系統經調試成功后，運行穩定可靠，提高了設備利用率，減少了人力資源成本，降本增效顯著。

[1]王新環，周飛，張宏偉.一種煤礦井下中央水泵房的自動控制系統[J].煤礦機電，2012(3)：88-92.

[1]程倫新.井下自動排水系統控制策略的研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2012.

[3]張鋒.多級水泵房自動化排水控制系統設計[J].工礦自動化，2014，40(12)：108-110.

[4]張浩，武希濤，劉增寶，等.自動化網絡化技術在無人值守水泵房的應用[J].信息技術與信息化，2015(5)：112-113.

[5]劉佳.煤礦井下中央水泵房遠程無人監控系統[J].機械管理開發，2015，146(4)：61-62.

[6]袁海軍.中央水泵房無人值守及遠程監控系統改造[J].技術與市場，2014，21(5)：132-133.

[7]朱本超.井下中央水泵房集中控制系統的設計與研究[D].沈陽：沈陽理工大學，2011.

2016-03-18)

許長新(1970—)，男，礦長助理，工程師，064200 河北省遵化市。