控制與低壓配電融合技術在地下采礦智能化應用初探

白光輝,李 碩,郭 帥,馬文利

（中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038）

1 國內地下采礦控制和供配電的技術現狀與問題淺析

地下采礦是由若干個相互關聯的獨立子系統有機組合而成的一個龐大和復雜的生產系統,雖然眾多子系統彼此之間相互獨立,但這些子系統之間仍存在著緊密的“木桶效應”。因此,要提高地下采礦生產水平和效率,就必須關注到每一個子系統在整個采礦生產系統中的作用,并給出恰當的技術解決方案。

另外,地下采礦生產系統中還包含著許多非常零散的小系統和設備,這些零散小系統和設備幾乎沒有常規系統概念可言。例如:一臺污水泵、一臺巷道局扇、巷道動力配電箱、巷道檢修電源等等。這些零散小系統和設備獨立存在和運行,似乎與地下采礦整體生產流程沒有任何關系,與地下采礦智能化建設關系更加遙遠。但在實際生產運行中這些零散的小系統和設備與地下采礦整體效益緊密相連,也與地下采礦整體智能化息息相關。

融合技術研發的初心就是將地下采礦涉及到的控制系統和供配電系統,以及全部零散小系統和設備看做一個整體,通過融合技術實現對兩者全面信息化和遠程遙控化,再逐步提升到智能化,進而促進地下采礦智能化。

1.1 國內地下采礦控制技術現狀與問題淺析

隨著控制技術的進步,國內地下采礦在控制技術應用方面也有了長足的進步。地下采礦多數固定設備都配備了自動化控制系統；地下中央水泵房實現了自動運行和無人值守,有些礦山還實現了利用波谷電價排水運行的省錢模式；地下破碎系統和皮帶運輸系統等也實現了自動控制和遠程遙控和監視運行；地下通風作為地下采礦的用電大戶通過各種技術手段,許多礦山也取得了不錯的節電效果。

因國內礦山的建設模式和系統的劃分等因素,目前國內地下采礦的各個控制系統幾乎都是彼此相互獨立的子系統,各個子控制系統之間沒有實現信息共享和配合運行,這也就是國內普遍存在的“信息化孤島和自動化孤島”。另一方面即使一個系統本身,限于控制系統與供配電系統也是彼此相互獨立,控制系統僅負責設備的啟停和邏輯保護聯鎖控制,設備負荷保護全部由供配電系統承擔。這也就造成了控制系統由于缺乏設備供配電系統的信息和數據,從而無法根據設備負荷的狀態而采取更加智能的控制和保護。在設備處于過載運行狀態時,控制系統由于缺乏信息而不能采取類似減載等智能控制策略。當然,控制系統也無法提供準確過載故障判斷信息,從而需要花費更長的時間和更多的人員進行故障診斷和處理。控制系統和供配電系統相互獨立使得地下采礦生產過程需要更多的人員維護眾多的系統。

小結:目前我國地下采礦雖普遍采用了自動化技術和控制系統,但單個自動化系統的智能化水平還處于較低水平,各個自動化系統之間缺乏信息和數據共享,也無法實現各個系統之間優化運行,自動化總體水平距離智能化水平還有很大差距。

1.2 國內地下采礦供配電技術現狀和問題淺析

國內地下采礦生產的供配電系統的普遍特點是分布范圍廣且用電點非常分散,一般由處于最深中段的中央變電所向各個中段采區變電所提供電源,中央變電所和各個中段采區變電所共同構成整個地下供配電系統。中央變電所和各個中段采區變電所之間除了動力電纜外不再有任何其它關聯,多數也沒有任何供配電聯動調度機制。

國內地下供配電系統是由于電氣設備的本身性能和質量的提高,再加上人工成本過高和供配電系統不需要頻繁操作等因素,多數變電所迫不得已都采用了無奈和粗放的無人值守,目前國內地下供配電技術水平現狀如下。

(1)國內地下采礦中壓供配電系統均采用電子綜合保護裝置(以下簡稱“綜保”),應該說綜保為實現中壓供配電系統實現信息化和智能化提供了硬件基礎。國內少有充分發揮綜保功能的應用案例。

(2)國內有些礦山中壓供配電系統配備了電力監視后臺(以下簡稱“后臺”),但大多數后臺應用僅停留在對中壓供配電系統監視和提供少量報警信息的層級上,很少實現遠程或自動根據負載情況對供電進行調度。

(3)大多數礦山地下低壓供配電系統幾乎處于無信息、無遙控、無記錄、無智能的“四無”無人值守運行狀態。一些供配電回路因接入過多負載或接入負載同時工作而時常發生過載跳閘,有些回路存在著過載火災隱患。

(4)國內大多數礦山依靠地下現場人工反饋供配電系統信息,依靠人工現場診斷故障,并完成故障后送電工作。因地下各個變電所分布范圍廣,30分鐘處理完故障恢復供電屬于非常快水平。一般從故障發生到處理故障完畢送電,一兩個小時是很正常的事；如果是需要更換設備的嚴重故障恢復供電的時間會更長,有些嚴重故障會直接導致地下采礦生產停止。供電的穩定性直接影響著企業的經濟效益。

(5)小結:目前國內地下供配電系統信息化和管控技術水平非常落后,不具備電能管控和負荷預測功能,存著發生嚴重事故的風險和安全隱患,較嚴重阻礙著智能礦山建設。

2 國內地下采礦對控制系統和供配電系統技術需求淺析

2.1 國內地下采礦對控制系統需求淺析

控制技術和控制系統是地下采礦的重要組成部分,也是實現地下采礦智能化的基礎。因此,要提高地下采礦整體效率,進一步實現采礦智能化,首先要提高地下采礦控制系統的整體技術水平。隨著國內智能礦山建設的不斷推進,本文提出以下地下采礦智能化對控制系統技術水平需求。

(1)需要采集和使用供配電系統信息,從而提高現有控制系統的智能化水平,通過供配電信息智能調節設備負載或邏輯控制,降低設備因過載而發生生產流程停止或大型設備損壞的風險。

(2)需要在實現和提供操作、動作、報警、故障等各個方面的智能診斷和記錄,縮短維護時間和降低維護人工成本。

(3)需要地下各個控制系統之間通過地下公共網絡互通互聯,徹底消除各個子系統之間的信息孤島和自動化孤島,并實現各個子系統采集的信息和數據在全礦范圍內真正實現共享,根據地下整體系統生產需求管控各個子系統。

(4)需要全面實現固定設備和部分半移動設備遠程監視、遠程故障分析、遠程遙控、工藝設備和供配電設備本體的健康診斷,實現更高層次的無人值守。

(5)需要最大限度實現控制系統與供配電系統硬件資源共享,簡化控制系統硬件構成和減少控制系統數量,提高控制系統可靠性和降低維護成本。

(6)需要智能化水平高且讓礦山用戶用得起的技術和相關設備。

2.2 國內地下采礦對供配電系統需求淺析

風、水、電是一座礦山最主要的動力來源,而電又是風和水動力來源,所以供配電系統的技術水平直接關系到全礦的動力來源的水平。本文從地下采礦智能化角度出發,提出對供配電系統技術水平需求。

(1)需要全面實現地下采礦中央變電所和各個中段采區變電所每條低壓配電回路信息化和智能化,有條件的實現巷道動力配電箱每條低壓配電回路信息化和智能化。

(2)需要全面實現上述每條回路電動或電磁分合閘操作,為地下供配電系統遠程遙控、智能化管控、快速排除和恢復供電提供基礎。

(3)需要供配電系統借助控制系統全面提升自身信息化和智能化水平。

(4)需要通過提高供配電的技術水平保證供全礦供電的連續性,特別是對那些價格昂貴的大型電動采礦設備供電的連續性,確保地下采礦生產的連續性和穩定性。

(5)地下供配電系統維護人員使用移動智能終端可以獲得和查看地下整個供配電系統的運行情況、報警信息、故障信息,可以實施規定范圍內的對供配電系統的遠程操作。

(6)需要提高全礦供電系統信息化和電能管控水平,降低用電成本實現降本增效。

3 國內外智能配電技術現狀簡介

目前國內外智能配電技術一般僅指低壓智能配電系統。由于國內外在中壓供配電系統普遍采用綜保設備,中壓供配電系統已經具備了智能配電水平。

3.1 國外智能配電技術現狀簡介

目前國外以施耐德、ABB、Rockwell、西門子等知名公司提出智能配電系統是結合控制技術、云計算和大數據分析與服務等,將配電系統中的智能設備互聯互通,實現主動性高效維護,保障設備運行更加安全、可靠,全方位改善配電系統,針對不同的用電場所提供針對性的解決方案,讓不同類型的用戶盡享配電數字化潛能。

這些大公司都各自研發了構建智能配電的專用智能設備,這些智能設備包含控制器、通訊設備、智能配電設備、管控軟件等,各家公司提供的低壓配電設備品種和規格一般有20個左右,低壓智能配電系統和設備整體價格昂貴,國內多數礦山用戶較難承受,目前國內地下采礦尚無使用國外低壓智能配電設備的案例。

3.2 國內智能配電技術現狀簡介

目前我國智能配電整體水平還處于較低水平,特別是在專項智能配電設備研發方面非常欠缺。常用智能配電設備有一些通訊網關和馬達保護器,智能配電還多以采集供配電系統數據和監視為主。目前國內多數采用通用PLC控制設備與低壓配電系統集成為智能配電系統。這樣的智能配電系統雖然在價格上具備一定的優勢,但在整體技術架構上仍屬于控制系統與配電系統的集成,不是真正意義上的智能配電系統,在整體智能化技術水平上也無法與國外技術相比。智能配電設備和技術在國內地下采礦領域應用幾乎處于空白。

4 融合技術介紹

4.1 融合技術的提出和目的

本文在充分研究了目前國內地下采礦對供配電系統和控制系統實際需求的基礎上,結合國內低壓供配電技術和設備的發展水平,從2012年開始研發融合技術。研發融合技術的目的就是根據國內地下采礦智能化對控制系統和供配電系統的實際需求,借助總線技術和工業物聯網技術將控制系統與供配電系統實現信息和硬件兩個方面深度融合構成融合系統；融合技術在滿足地下采礦智能化發展需求的同時,借助邊緣技術進一步擴充融合系統的功能；融合技術提供在國內礦山用得起融合系統,價格遠低于國外智能配電設備。

4.2 融合系統硬件設備

(1)配電動操作機構的自動開關:融合系統的主要硬件之一,可以實現自動開關電動分合。

(2)智融單元:提供4個DI開關量輸入接口接收外部信號,內部采用通訊方式再提供4個信號可用于邏輯控制；提供3個RO開關量輸出接口完成自動開關分合閘和接觸器控制；每塊智融單元完成一條低壓回路的數據采集和控制；具備對配電系統數據采集功能,數據采集功能達到多功能電力儀表的水平；具備對電動機過載保護功能；通過Modbus_RTU通訊接口接入智融網關。

(3)智融網關:具備多個Modbus_RTU和多個Modbus_TCP通訊接口；通過Modbus_RTU接口最多接入十塊智融單元；用戶控制設備(PLC或DCS)通過Modbus_RTU或Modbus_TCP與智融網關通訊。

(4)人機接口:采用工業級觸摸屏,提供融合系統參數設定以及各種數據和信息查詢。

(5)常規供配電設備:接觸器、電流互感器、電壓互感器、信號燈、轉換開關、端子等。

4.3 融合系統構成

融合技術的主要內容是以傳統的控制技術為主,借助工業總線技術和工業物聯網技術采集中低壓供配電系統信息,將傳統的控制系統和供配電系統深度融合為融合系統,控制系統在擁有供配電數據的基礎上,通過智能算法獲得更加智能的控制效果。

智融網關和智融單元是融合技術的兩類關鍵設備,每臺智融單元完成一條低壓供配電回路的數據采集和控制,一臺智融網關管控十臺智融單元；每套融合系統由N個智融網關以及配套智融單元和電氣設備構成,同時配備一臺人機接口,完成該融合系統的參數設定以及信息查詢等功能；用戶控制設備通過Modbus_RTU或Modbus_TCP通訊直接管控N個智融網關,從而構建一個具備電能采集管控功能和工藝控制功能為一體的融合系統。

4.4 融合技術主要功能

融合技術在以智融網關和智融單元硬件的基礎上,充分利用智能控制算法術以及邊緣技術等,再結合各類傳感器應用,主要具備以下功能。

(1)邊緣操作功能:融合系統對回路允許遠程遙控、回路允許就地操作、自動開關就地合閘、自動開關就地分閘、自動開關遠程合閘、自動開關遠程分閘、外部急停操作、復位操作、清除操作等9個操作進行了記錄。每個操作采用堆棧方式最大存儲20次,每個操作具備年、月、日、時、分、秒時間戳,通過智融網關可以查詢。

(2)邊緣動作功能:融合系統對自動開關合閘動作、自動開關分閘動作、接觸器合閘動作、接觸器分閘動作等4個提供記錄功能,每個動作最大存儲20次,每個動作具備年、月、日、時、分、秒時間標簽,可以逐個查詢。

(3)邊緣保護功能:融合系統對每條回路具備外部急停保護、設定過載保護、電機單元過載保護、輕過載保護、重過載保護、短路保護、接觸器粘連、查主回路、切除次要負載保護、三相不平衡報警、三相不平衡保護、智融單元通訊失敗、智融單元失聯過多、自動開關三相上下接線端子溫度高報警(共計6個)、接觸器三相上下接線端子溫度高報警(共計6個)、電纜溝寖水等26個保護或報警記錄功能,每個保護和報警最大存儲20次,每個保護和報警具備年、月、日、時、分、秒時間標簽,可以逐個查詢。

(4)邊緣設備管家功能:智融網關分別提供接觸器和自動開關動作次數、設定過載狀態下動作次數、輕過載狀態下動作次數、重過載狀態下動作次數、短路狀態下動作次數、運行時間等數據,為維護和更換電氣元件提供數據。

(5)每條回路電度記錄功能:智融網關可以提供每條回路12個月有功、無功、視在電度。

(6)電能監視和管控功能:通過融合系統可以采集每條回路的供電信息,同時可以對每條回路實現遠程遙控。增加一臺電能管理控制器,通過融合系統可以實現對全礦供配電系統具備了電能監視和管控功能。

4.5 融合技術應用

(1)融合技術中供配電系統具備的特點

從上面對融合技術介紹可以看出,控制系統與供配電系統深度融合為一個系統,供配電系統具備了以下四個特點。

信息電:融合系統采集了每條供配電回路的信息。

可控電:由于自動開關配備電動操作機構,所以每條回路均可以實現電磁操作。

遙控電:由于控制每條回路的智融單元采用通訊方式接入智融網關,智融網關具備Modbus_RTU或Modbus_TCP通訊接口,通過地下網絡系統可以實現遠程遙控。

智能電:通過控制與供配電深度融合,再結合智能算法,每條供配電回路達到了智能化水平。

(2)獨立融合系統應用

融合系統已經具備了對供配電系統的控制功能,建議采用現場總線式控制箱與融合系統銜接,采用常規硬件接口采集現場儀表信號,即可構建起完整的控制系統。本文建議選用具備通訊接口的檢測儀表。

(3)N個融合系統數據共享

如果有N個融合系統,那么利用融合系統的控制器通過網絡可以實現系統之間數據互通互聯,從而徹底消除了信息化孤島和自動化孤島。對于哪些使用獨立控制器的系統,獨立控制器通過與融合系統的控制器銜接,同樣可以實現各個控制系統之間數據共享。

(4)融合系統和融合技術的應用

用戶可以選擇具備Modbus_RTU或Modbus_TCP控制設備與本文介紹的智融網關和智融單元構建起融合系統。本文介紹的融合技術功能用戶可以直接使用,并結合項目需求在融合系統上開發各自的功能。融合技術和系統已經成功應用于400萬噸銅礦,取得了良好的使用效果。

4.6 融合系統的可靠性、價格、實施、運營、維護簡析

(1)融合系統可靠性簡析

由于融合技術中采用總線通訊技術,大幅度減少了硬接線的使用,控制設備與供配電設備硬件共享,從而簡化了控制系統和供配電系統的硬件結構,融合系統的可靠性高于傳統的控制系統與供配電系統。

(2)融合系統價格簡析

由于融合技術實現了控制設備與供配電設備硬件共享,減少了控制系統與供配電系統硬件數量的使用,總體價格低于傳統的控制系統和供配電系統。

(3)融合系統實施簡析

由于融合技術中大量使用總線通訊技術,并大幅度減少銅纜的使用,控制系統與供配電系統之間原有的90%現場工作改在設備制造廠完成,可以節省大量實施工作量。

(4)融合系統運營簡析

在融合技術中僅使用了智融網關和智融單元兩類設備,與實現同等性能采用傳統控制技術的系統相比,可以大幅度較少備件的品種,從而降低運營費用。

(5)融合系統維護簡析

通過上面對融合技術和融合系統介紹可知,融合系統實現了信息化和智能化,在有效降低故障發生率的同時,還可以提供準確的故障診斷信息,為維護提供方便。

5 結束語

隨著科學技術的進步采礦業也在發生著翻天覆地的變化,從傳統的自動化采礦到前幾年的數字化采礦,再到現在的智能化采礦和5G+智能采礦,國內對高層級的采礦熱情空前高漲。目前雖然對智能采礦或智能礦山還沒有清晰性的界定,但給企業帶來效益作為衡量一項技術先進與落后、適合與不適合的標準始終沒有改變。

最后,智能礦山是今后礦業發展的必由之路,人們在積極嘗試各種智能裝備和先進技術建設智能礦山的同時,更要重視作為智能礦山基礎的控制系統和供配電系統智能化的提高,為建設更高層次的智能礦山打下堅實的基礎。