基于智能化的礦山水循環處理系統研究

王亞東

摘要：本文根據礦山工程現場實地工作情況，采用先進創新技術，并充將PLC控制技術、網絡通訊技術、視頻監控技術應用技術等運用其中。通過搭建以太網控制網絡，將各分散系統接入到智能化礦山水循環處理數據中心工控系統交換機，該系統利用PLC控制實現了地表水系統范圍內設備的遠程集中控制，礦山工程的大型設備需要水循環系統，同時通過視頻監控系統，做到礦山工作區范圍內視頻信號的全覆蓋，在數據中心統一平臺下，利用后臺監控畫面的融合功能，歷史曲線查詢等功能，由專業的調度操作人員進行遠程集中管控。礦山水循環系統主要功能包括工藝設備的遠程啟停控制，生產數據的曲線顯示，生產參數的遠程設定，歷史曲線查詢等功能。

關鍵詞：礦山;PLC技術;水循環系統

礦山工程開采需要利用諸多大型固定設備，其中需要水循環系統，并為其提供可靠的運行保證。同時，對礦山水循環有著特殊要求。如何有效獲取并利用礦山地質水以及對水源做好必要的水處理措施，對礦山節約生產用水及為設備提供良好的安全運行條件具有非常重要的現實意義。

一、水循環系統結構與功能

由于PLC機編程簡單、可靠性高、使用方便，系統的設計、調試工作量小，維修簡單，對于環境復雜的地下礦山具備很好的適應性，擁有計算機聯網能力，操作室內值班人員可實時監控排水系統，進行遠程排水作業，便于全礦的自動化生產。

1.系統結構

PLC系統框架主要有上位工業計算機集控平臺、工業光纖以太網通訊系統、現場信號采集及控制系統、數據采集傳感器系統、PLC電控柜組成。

（1）系統信號采集有水倉水位，開泵時間，電機電壓、電流，出水口壓力，吸水口真空度，排水流量，各閥門開閉狀態。

（2）系統控制信號有電機開關控制，各閘閥開關控制。

（3）地面監測站為最主要的人機交換平臺，利用軟件系統可視界面設計為3D效果，具有操作簡單且富有人性化的特點，對收集的數據進行匯總、報表，執行監測、報警以及維護、命令等任務，對各水泵控制電控柜分站進行遙控操作。

2.保護功能

按照設計，井下排水水泵與排水管路至少要留出1臺備用設備，如何按照設定程序自動運行是自動化生產的趨勢。水泵在運行時，若檢測系統檢查到過大或過小的排水流量或電流電壓，PLC機會自動判定水泵故障，停止問題水泵運行，啟動另一臺備用水泵，并發出報警。

為了確保水倉水位安全，水倉中使用超聲式液位計與投入式液位計兩種檢測儀器，兩種水位監測計反饋信息相差較大時進行報警提醒，巡視人員需根據具體情況檢查現場狀況。

監測系統同時會采集和記錄水泵使用情況信息形成歷史數據，為工作人員提供排水系統狀況，同時為PLC系統提供數據，使各水泵、管路得到均勻磨損的使用狀況。使每臺水泵或管路使用時間相近，防止某個設備磨損嚴重或受潮損壞。

3.控制功能系統

自動控制系統啟動方式分為自動、手動、檢修3種模式。

（1）自動模式。在此模式下，PLC系統根據監測到的水位信息，根據避峰就谷原則，盡量避免用電高峰期啟動水泵，同時在高峰期來臨前，盡量降低水位。開啟水泵時，排水管路中電磁閥打開，對離心泵充水，在吸水口處真空度達到要求后，接通水泵電機，開始排水。在水位降至安全水位以下后，關停水泵，并關上逆止閥，停止水泵電機工作。此狀態可在無人值守情況下進行。

（2）手動模式。通過井上的上位計算機軟件控制，監管人員根據檢測到的水位、電流、電壓、壓力、流量等傳輸回來的信息，人工選擇水泵的開啟，以及開啟數量，PLC系統自動完成水泵啟動過程。

（3）檢修模式。對某一水泵進行維修時，現場選擇進入檢修模式，現場控制的優先級大于遠程控制，遠程機上只能對該水泵的數據進行監視，無法進行操控。由現場人員控制水泵電機以及各閘閥門，保證檢修人員的安全。

二、礦山污水的主要來源

1.礦山污水的主要來源

（1）在礦床開采過程中大量地下水滲流到采礦工作面，形成礦坑涌水，排至地表后，形成了主要的礦山污水。

（2）露天堆放大量含有硫化礦物的廢石，由于與水或水汽接觸，從而形成含有金屬離子和硫酸根離子的酸性污水。

（3）在選礦過程中產生的廢水，廢水量大，污染嚴重，廢水的污染物質主要是泥土、礦物粉末等為主體的混懸物質以及浮選藥劑。

2.礦山污水主要污染物

（1）懸浮物。包括有機及無機懸浮物，如微細的礦石粉末、泥沙、浮渣、煤粒、填料以及尾礦庫內沒有充分沉淀的物質、車間及設備場所跑冒的浮油等。

（2）有機有毒物。選礦藥劑、煤炭顆粒、油脂、生物代謝產物、木材以及其他物質的氧化分解產物等。

（3）無機有毒物。在采選過程中產生的各種金屬離子如汞、鎘、鉛、鉻、砷、銅、鋅、鈷、硒等，以及氰化物、氟化物和其他溶解性鹽。

（4）酸堿性廢水。含硫礦物在開采、選別過程中，礦石氧化、水解生成的各種酸性廢水、堿性廢水。

（5）油類。石油的開采，礦山開采設備、車間用油，油庫等地管理不善造成跑冒漏滴的油污類。

（6）放射性。核燃料金屬礦在采選過程中產生的粉末、廢水中含有鈾、釷、鐳等放射性污染物。

三、系統實施

1.礦山用水源熱泵自動化完善

礦山用水源熱泵系統主要包括五個機組，一套礦山用水控制系統，一臺上位機系統，主要功能是供給整個礦山用水系統，其中一號和二號機組負責礦山用水系統，每個機組包括一套和利時LM系列CPU系統;三到五號機組負責礦山工程用水系統，每個機組包括兩套和利時LM系列CPU系統，每個機組包含一個觸摸屏，操作模式為現場操作，工作數據在觸摸屏上進行顯示，機組外的其他泵由礦山用水控制系統進行控制，并且已經實現遠程控制操作功能，現根據智慧礦山的建設要求，需要將現場每個機組的數據采集到數據中心，實現水源熱泵所有設備的遠程集中控制，利用機組本身自帶的通訊接口，采用標準的通訊協議進行數據采集，并從硬件和軟件方面入手，最終實現的機組數據采集和水源熱泵系統的集中控制，最終達到系統無人值守的目的。

2.完成礦山地表水系統的融合，實現遠程集中控制和監視

各分系統數據通過礦山地質表面外網管線的鋪設，在保存現場操作電腦的前提下，將控制信號和視頻監控信號分別傳輸到數據中心，實現了在同一的平臺下對現場設備的集中控制。

3.增強礦山水系統的柔性

在絕大多數系統中都存在許多不確定的因素，礦山系統也不例外。把一個系統適應不確定條件的能力稱之為柔性。為了在發生意外的情況下盡可能小地影響周圍環境，使礦山能夠持續、健康發展，必須考慮礦山水系統的柔性問題。增強系統柔性，不但要從本身做好各環節的銜接準備，更要與礦山之外的相關系統保持和諧的疏通關系。當內部有空缺就從外界輸入，相反，當有多余則可輸出，通過輸入輸出使礦山水系統具備相當的緩沖能力，從而建立起相對穩定的水系統，進而促進礦山的可持續發展。

4.減少進入礦區的水量

采取必要的措施，盡可能地減少通過各種途徑進入礦山的水源，是預防礦山廢水污染的重要途徑。采取的措施通常是在礦山邊界開挖排水溝或引流渠，截斷各種地表水進入礦區、露天采場、礦石及廢石堆積場，防止通過滲漏進入井下：對廢棄的凹地、與井下相通的塌陷裂隙、廢棄鉆孔、溶洞等，需要進行排水、填堵等復地工作：對廢石堆積地應進行必要的密封，正在使用的堆積場也需要作適當防范處理。另外，應采取封閉礦坑、排水疏干、預先灌漿堵水、平整礦區、植被固土等措施，最大限度地減少進入礦區的水量。

5.革新生產工藝

地下開采時，選擇能使頂板及上部巖層少產生或不產生裂隙的方法，防止地表水經裂隙進入礦井：露天開采時，下邊坡應留礦壁，防止地面水流入采場，并注意合理布置采場排水溝。應采用不用水或少用水的生產工藝，不用或少用會產生污染的原料、材料、生產工藝或設備。選礦方面應選擇污染程度小的工藝，選用高效、高選擇性的藥劑，減少藥劑投放量。

四、結論

采用的礦山水循環處理方法，相對于使用開式給水系統能夠充分改善設備循環水水質，礦山水循環系統無人值守系統的實施和運行，標志著智慧礦山建設走了堅實的一部，該系統的順利完成，充分利用網絡技術與現場設備的結合，最大限度的挖掘人才的潛力，通過合理的人力資源配置，即完成現場循環工作設備的遠程操作，運行狀態監控，基本故障處理和日常的點巡檢工作，通過現場操作模式的改變，提高人員的業務水平，擴大業務范圍，減輕工人勞動強度，改善工人工作環境，使一線操作人員由人工崗位操作變為巡視處理為主，適當減少一線人員配置，達到減員增效的目的。