活雞兔井地面輔助生產系統自動化整合改造方案設計

高小強

（國家能源集團神華神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西 神木 719315）

引言

當前全國煤礦井下采掘及生產輔助系統自動化程度已趨于成熟，但是對地面輔助生產系統的自動化控制還是一片空白，也容易被礦井管理人員忽視。主要原因是大部分礦井地面輔助生產廠房及設施布置不集中，設備較為陳舊，自動化改造費用較大；另一方面是煤礦對礦井廢棄廢渣等有害物質排放較為隨意，環保意識差，監管部門對環境污染監管力度不夠。但是近年來隨著國家環保部門對礦井排放管理力度的不斷加大，企業也逐步對礦井對地面生產輔助系統加以重視。

大柳塔煤礦活雞兔井井田東西長1.8～10.8 km，南北寬4.2～9.6 km，井田面積約63.8 km2。礦井擁有的煤炭資源儲量約7.34 億t，可采儲量約4.64 億t[1]。活雞兔井地面各生產輔助系統分布位置較為集中，且該區域周邊均有村民居住，礦井在生產過程中產生的噪音、廢氣、廢水的排放和對周圍環境造成的污染，已嚴重影響到周邊居民的正常生活。

因此，本文結合礦井現有的自動化基礎，設計出一套礦井地面生產輔助系統的整合改造可行性方案，并將六大生產輔助系統進行數據融合，最終將數據全部接入現有的區域煤礦集中控制系統（LCS），形成一個礦井地面輔助生產系統的管控一體化平臺，可實現大柳塔礦調度指揮中心對該區域的氣、水、聲等環境因素排放的實時監控。系統融合后也將轉變活雞兔井地面生產輔助系統的運營管理模式，達到“減員提效、改善工人作業環境”的目的。同時也將補齊礦井生產系統與地面輔助系統集成控制的短板，為下一步礦井管控全礦生產系統電耗、水耗和井下風量、風壓、溫度，以及地面水、氣、聲等排放指標奠定堅實基礎。

1 礦井生產輔助系統的組成及運行現狀

大柳塔煤礦活雞兔井地面生產輔助系統包括主通風機房、壓風機房、熱風爐房、污水處理廠、黃泥注漿站和35 kV 變電站。且該六大系統位置均分布在活雞兔井山上，位置較為集中，通過自動化整合改造，可以形成一個區域性一體化分控指揮中心。

當前各系統自動化程度及運行現狀如表1 所示，其中主通風機房、壓風機房具備較為完善的自動化系統，數據已接入大柳塔礦區域煤礦集中控制系統（LCS），但目前還未完全實現無人值守。35 kV 變電站也具備完善的自動化系統，但由于35 kV 變電站隸屬供電中心管轄，因此只需將供電數據讀取到分控中心進行實時監測，無需進行控制。礦井地面水處理系統水廠設備老化，很多儀表及自動化設備損壞，所有設備仍以手動方式操作。部分設備在建設初期具備過自動化PLC 系統，但是目前已經損壞，系統提供廠家也已經聯系不上。熱風爐房每年11 月份至次年4 月份給井下供熱，設備與黃泥注漿站設備一樣，均不具備自動化系統，只有就地操作。所以，此項目必須在5—10 月份礦井暖風機停運期間進行整合改造。

表1 各系統自動化程度及運行現狀

2 活雞兔井地面生產輔助系統自動化改造方案設計

2.1 系統建設的預期目標

該系統建設的目標是將活雞兔井上述六大相互獨立的地面生產輔助系統進行整合改造，建成一套技術先進、系統實用、穩定可靠的管控一體化監控系統。并將在該區域建設一個分控中心，實現各子系統的集中監控，進而將轉變各系統當前的運行管理模式，達到“減員提效”的目的，同時也將借助自動化手段改善操作與維護崗位人員的作業環境。

分控中心所融合的全部數據最終將上傳至大柳塔煤礦目前所使用的區域煤礦集中控制系統（LCS），并將在大柳塔礦區域生產控制指揮中心集中監控，從而補齊礦井生產系統與地面輔助系統集成控制的短板。

由于本區域靠近居民村落，為考慮周圍居民免受礦井生產環境污染的影響。因此，該項目的另外一個重要目標是實現大柳塔礦調度指揮中心對該區域的氣、水、聲等的排放環境因素實時監控，變被動應對環境檢查，轉為主動風險管理，真正做到各種排放心中有數。

2.2 工控網絡的搭建

在自動化領域中，工控網絡的組建是工業自動化控制的基礎，也是設備自動化系統可靠運行的重要保障。所謂工業以太網，是將以太網應用于工業控制的局域網技術，其拓撲結構可以是總線、星型、環型等，組成環形的工業以太網叫工業以太環網，簡稱工業環網[2]。

因此，本項目為積極響應國家“兩化融合”的偉大號召，借助當前最先進的互聯網與工業控制技術，搭建一個信息與自動化程度較高的管控一體化工控網絡，如圖1 所示。在活雞兔井地面六大生產輔助系統中，都將通過設置PLC 分站進行設備的基礎數據采集。并將在分控中心設一臺PLC 主站，打通六大系統的工控網絡。最后將在分控中心與調度指揮中心對各系統進行集中監測、監控、分析與利用等。

圖1 管控一體化系統網絡架構圖

2.3 系統功能及方案設計

分控中心管控一體化系統按照如圖2 所示的功能及體系進行構建，涵蓋了底層自動化系統的改造，中間數據層的采集、存儲和服務，以及應用層數據的展示和利用。

圖2 系統功能及構建層級

2.3.1 基礎層

數據的準確采集和控制命令的有效執行是整個系統的基礎，所以這部分也是整個項目的核心內容。本次改造涉及到了傳感器加裝，各種功能性儀器儀表的加裝，各種年久失修執行機構的改造或者加裝，配電系統的自動化改造等一系列自動化系統的恢復和改造工作。在六大輔助生產系統中，主通風機房、壓風機房和35 kV 變電站均已具備較為完善的自動化系統，只需在PLC 分站中增加部分通訊接口等模塊，即可直接接入系統。污水處理系統、黃泥注漿站、熱風爐房設備較為陳舊，自動化程度較差。因此需要重點對這三大系統進行升級改造。其具體改造方案如下：

1）污水處理廠改造。污水處理系統一期水廠設備過于陳舊，考慮此項目投資經費緊缺，此次改造對一期水廠暫不計劃自動化改造。二期水廠是本次改造的重點，需在二期水廠監控室加裝一套PLC 分站，原則上將恢復現有的各類儀表和傳感器數據，使其具備在分控中心集中控制功能。其次，充分利用原來電氣柜的自動化基礎，只改造控制系統，使其符合神東煤炭集團公司自動化系統的技術要求。最后，在外排至烏蘭木倫河的排水管道上加裝各類傳感器，對最終外排的清水指標數據（例如流量、COD 和PH 值等）實時監測，跟蹤、記錄，進而主動應對環境污染的風險。另外，在各個工藝環節加裝流量計、液位計、濁度儀、超聲波污泥界面儀等，實時監測各工藝環節的生產運行數據。并將部分手動閥門改造升級為電動閥門，提高水廠的自動化程度。同時在該區域的幾個水池、加藥區域布置高清攝像頭，實時監控設備的運行狀態。

2）黃泥注漿站改造。在黃泥灌漿站配電室加裝一套PLC 分站，采集注漿站主要設備（輸送機，制備機，攪拌機，排污泵等）的運行狀態；加裝流量計，統計每班每天的灌漿量；加裝濃度計實時測量制備的泥漿是否符合要求；加裝電量監測儀表，測量注漿站的電量消耗數據；加裝流量計測量注漿站的水量消耗數據。同時在該上料區域、注漿區域布置高清攝像頭，實時監控設備的運行狀態。

3）熱風爐房改造。熱風爐操作室加裝一套PLC分站，采集熱風爐的主要運行設備（引風機、鼓風機、上煤機、刮板機、除塵系統、脫硫系統等）的狀態和供風的溫度、壓力等數據，同時對接環保部門，讀取環境監測系統的數據上傳到LCS 系統。另外，加裝電量監測儀表，測量熱風爐站的電量消耗數據；加裝流量計測量熱風爐站的水量（除塵、冷卻、脫硫用水）消耗數據。同時在該區域布置高清攝像頭，監控設備的運行狀態。

4）主通風機房改造。在配電室加裝以太網接口設備，通過以太網將現有的監控數據傳至監控室PLC 主站。同時在通風機房蝶閥處加裝高清攝像頭，輔助人員監控，可以實現遠程切換風機。

5）壓風機房改造。在配電室加裝以太網接口設備，通過以太網將現有的監控數據傳至監控室PLC主站。同時在壓風機房加裝高清攝像頭，輔助人員監控，可以實現遠程的壓風機控制。

6）35 kV 變電站改造在變電站加裝工業以太網及電力協議轉換器，將35 kV 電力數據讀取到PLC主站，最終集成至LCS 系統，形成礦井從地面35 kV至井下低壓1 140 V、660 V 和127 V 全系統供電網絡的集中監控。

2.3.2 數據層

各種傳感器、儀器儀表和自動化系統收集的數據在進行最終利用時需要對其處理。數據層的主要作用是按照不同的種類和用途進行歸納整理轉化成每個應用層功能模塊需要的數據接口和格式。在這個層面中，需要配備合適交換機、服務器、和與之匹配的各種軟件，例如組態軟件、OPC 傳輸軟件，數據庫分析軟件和數據報表服務軟件等。同時數據層還要為分控中心和大柳塔煤礦區域生產控制指揮中心提供準確穩定的運行數據，便于應用層數據的有效利用，見上頁圖2。

2.3.3 應用層

應用層包括基礎應用、高級應用和移動應用三種。基礎應用即是基本的自動化SCADA 人機一體化監控界面，滿足監控人員可實時準確掌握整個場區各個系統的運行情況，以及各系統日常的生產操作，例如遠程控制，報警管理，歷史數據查詢等。高級應用主要是生成逐級的統計分析報表，對整個場區的電耗，水耗，排放數據等消耗內容進行統計和分析，實現精細化生產管理的要求。移動應用主要是針對該場區生產人員巡視工作繁多，場區距離管理人員所在地較遠等問題開發的手機或PAD 等移動終端的監控畫面，使各系統巡視人員和管理人員能夠隨時隨地了解生產運行狀況，同時對一些排放超標、風機停機等重要事件能夠及時通過手機微信、短信等報警的形式獲悉。

2.4 工業視頻及無線對講系統設計

根據現場情況，場區周邊有村民居住，場區基本處于開放狀態，周邊村落無關人員或牲畜的闖入將會對場區各個系統的安全運行造成隱患，同時污水處理場還有各種污水池等，對闖入人員的人身安全造成極大的安全隱患。所以，該項目還需考慮構建一套工業視頻監控系統，既起到場區安防和闖入報警的作用，又可通過視頻實時監控關鍵設備的運行狀態，形成一個既有數據信號顯示，又有視頻輔助的完備自動化生產系統。

此外，分控中心建成后，將形成由分控中心調度與系統巡視相結合的方式值班。因此，有必要在該區域配置無線對講系統，有助于分控中心調度人員與現場崗位巡視人員及時通訊。

2.5 分控中心軟硬件配置

分控中心是該項目六大系統集中監控和調度的集中點，因此對分控中心位置的選擇至關重要。為考慮礦井通風安全，計劃將分控中心設計在主通風機房旁邊，這樣即使出現無計劃停風等事故，分控中心值班人員可及時趕赴現場排查風機的故障，從而保證井下主通風機給井下可靠供風。

由于分控中心所集成的數據最終都將接入區域煤礦集中控制系統（LCS），因此只需在分控中心值班室配置一套LCS 系統工位機和三塊顯示屏，實現數據的實時監控；其次，為實時監控廠區及設備運行狀態，還需在操作工位前配置兩臺75 寸高低可調節的液晶屏顯示器。最后，還需配置一臺辦公用電腦，完成一些日常值班記錄或報表的制作等，其分控中心設計效果如下頁圖3 所示。

2.6 建成后系統的管控措施

該項目六大系統整合后，為保證新建系統可靠穩定運行，此項目計劃從管理和技術兩方面進行管控。

1）管理方面。加強人員的崗位職責和技術能力的培訓，使其盡快熟悉新系統的內容、操作和故障處理流程。建立各系統重要故障發生后的應急處理預案，在故障發生后，崗位人員能夠第一時間按照流程進行處理。建立崗位巡查制度，保證崗位巡查落到實處，同時也將提高巡查質量。

圖3 分控中心設計效果圖

2）技術方面。梳理每個系統的關鍵報警，通過建立完善和多維度的自動化系統報警功能，實現報警的各級崗位推送。例如出現主扇停機等事故，除了在監控系統上報警，還可通過短信等方式及時推送給管理人員。并可自動統計各系統出現頻次較高的報警，工作人員可針對性地檢修設備，從而減少系統報警次數，降低設備故障率。

3 大數據的利用展望

1）節能減排，合理排放。礦井生產系統與地面輔助系統集成后，將實現各系統間的關聯數據分析。從全局角度管控礦井生產系統電耗、水耗和井下風量、風壓、溫度，以及地面水、氣、聲等排放指標，并以此作為礦井生產管理的輔助決策依據，進而更科學地組織生產，達到“節能減排”的目標。

2）無人化運行，減員提效。本文對各系統整合的效益主要在于實現集中監測監控，對各分系統要實現真正的無人化還有一定差距。因此，對于集控系統未來的應用價值還在于對系統中所有設備都能達到可靠控制，從而真正實現無人化運行，達到“減員提效”的目的。

3）閉環調節，智能化控制。各系統數據融合后，地面生產輔助系統可與井下生產系統進行智能聯動控制。例如通過讀取井下關鍵位置的溫度數據，可合理調節地面熱風爐的輸出溫度；通過讀取井下壓風管路壓力，合理調節壓風的出口壓力；通過讀取井下風速、風量傳感器數據，可合理調節主通風機風門風速及風量；通過讀取井下排水管道壓力和流量傳感器數據，可提前調整污水處理進度；通過讀取井下生產數據，可隨時調整地面變電站供電參數，保障礦井供電線路的穩定運行等。