寺河煤礦風井場地生產系統智能化改造實踐

田 敏

(晉能控股裝備制造集團有限公司寺河煤礦，山西省晉城市，048200)

0 引言

隨著“四個革命、一個合作”能源安全新戰略的不斷實施和煤炭行業高質量發展的不斷推進，發展智慧煤礦已成為煤炭工業發展的必由之路，是煤炭工業高質量發展的核心技術支撐。加快推進煤礦智能化建設，是深入貫徹習近平總書記能源安全新戰略和視察山西重要講話重要指示精神的重要舉措，是實現煤礦減員增效、提高煤礦本質安全的有效手段[1-2]。

煤礦智能化是將人工智能、工業物聯網、云計算、大數據、機器人、智能裝備等與現代煤炭開發利用深度融合，形成全面感知、實時互聯、分析決策、自主學習、動態預測、協同控制的智能系統，實現煤礦開拓、采掘(剝)、運輸、通風、選煤、安全保障、經營管理等過程的智能化運行，對提升煤礦安全生產水平、保障煤炭穩定供應具有重要意義[3]。

根據生產需要，煤礦建設有多種生產系統，為了服務井下生產需要，一般布置有通風機、提升機、空壓機房、空壓機余熱交換站、燃氣鍋爐房、深井水處理站、水源井、污水處理廠等生產系統。各系統既是礦井生產的重要組成部分，也是礦井安全的根本保障。由于各風井場地地理位置分散、交通不便、距離煤礦主辦公區距離較遠，依靠傳統人工就地控制和巡檢方式存在人員配備多、勞動強度大、安全風險高等問題。因此，各風井場地生產系統的智能化改造既是煤礦智能化建設的重點內容，也是礦井全面提升智能化水平并實現減員增效和本質安全的關鍵舉措。

考慮到寺河煤礦三水溝風井場地的生產系統齊全、生產設備具有普遍性和典型性，建成的風井場地智能化系統具有較強的可復制性，因此，決定以三水溝風井場地為試點，啟動風井場地生產系統智能化改造工作。

1 三水溝風井場地概況

三水溝風井場地位于寺河煤礦西北5 km處，包含有深井水處理站、水源井、空壓機房、空壓機余熱交換站、燃氣鍋爐房、生活污水處理廠、主通風機、提升機共8個生產系統，由于各系統地點分布分散，各系統均配有值班室，每班至少安排1人負責系統值守與巡檢。

三水溝風井場地目前部分系統由值守人員本地控制，設備的穩定運行和安全生產會受到工作人員的工作經驗、熟練程度、責任心、工作狀態等因素的制約和影響。由于各泵房、水源井及蓄水池地點分散，出現問題時需要靠電話聯系，存在因現場溝通不及時、不準確而引發事故的風險。此外，采用值班日志、巡檢記錄等紙質方式來記錄系統運行情況，不利于對運行數據進行分析和利用，極大制約了數據利用、性能優化和故障預測等工作。

因此，采用人工智能、工業物聯網、自動控制等智能技術，全面改造三水溝風井場地各生產系統，可以實現各系統的遠程集中控制和智能運行。

2 智能化改造內容及效果

三水溝風井場地智能化改造主要是建設風井場地集控中心，對風井場地所有運行的生產系統實現在線監測、故障報警、集中控制和視頻監控等功能。解決風井場地各系統設備運行管理效率低、所需人員多等問題。鑒于我國煤礦智能化發展還處于初級階段，參考一些學者從智慧礦山定義、框架、關鍵技術、信息化標準等方面的研究成果[4-8]，對三水溝風井場地所有運行的生產系統實現智能化改造，實現礦井減員提效、設備狀態監測、實時在線維護等功能。

2.1 智能化集控平臺架構設計

根據國家和山西省煤礦智能化建設標準和建設指南，結合三水溝風井場地自身特點，構建三水溝風井場地智能化集控中心和集控平臺，接入智能化改造后的自動控制子系統，實時采集并圖形化展示各系統的液位、電流、電壓、流量、壓力、溫度、啟停狀態、視頻等運行信號，實現對各系統運行情況的遠程集中監視。通過與各系統PLC控制系統的無縫對接，實現對各系統運行的遠程監視、集中控制、智能運行、異常報警、視頻聯動等功能。三水溝風井場地智能化集控系統的主要功能有遠程監視、集中控制、智能運行、異常報警、視頻聯動、趨勢分析、運行報表等。三水溝風井場地智能化集控平臺架構如圖1所示。

圖1 三水溝風井場地智能化集控平臺架構

(1)遠程監視功能。通過智能化集控平臺，將各子系統的液位、壓力、流量、電流、電壓、開關量等數據與創建的圖形相關聯，使操作人員可以直觀通過監控畫面實時監測各子系統現場設備的運行情況，如各個電機的啟停狀態和電壓、電流的實時值，各條管道的瞬時流量和壓力實時值。三水溝風井場地智能化集控平臺界面如圖2所示。

圖2 三水溝風井場地智能化平臺界面

(2)集中控制功能。通過智能化集控平臺，對各子系統的主要設備設立遠程集控畫面，操作人員通過鼠標操作監控畫面上的控制按鈕，實現設備的遠程控制。例如，通過監控畫面啟動深井水監控系統的提升泵、反滲透裝置、濃水泵、消防泵、日用泵、反滲透裝置以及電動閥門等設備。

(3)智能運行。通過智能化集控平臺以及各系統改造后的PLC，實現部分系統的智能化自動運行控制。例如：深井水處理系統中清水池的水位到達下限，系統會自動啟動水源井監控系統中某個水源井水泵為深井水處理系統供水，以保證廠區的正常用水。

(4)異常報警功能。通過智能化集控平臺，可以對采集到的數據進行實時數據分析，發現監測數據有異常時，監控畫面自動顯示異常報警，并根據報警指示操作人員進行相應操作。

(5)視頻聯動功能。通過智能化集控平臺，對現場響應要求高的報警點設置視頻聯動功能，當該報警信息產生時，會自動彈出相對應的視頻監控畫面，便于操作員及時觀察現場情況。

(6)報表功能。通過智能化集控平臺，可以開發各類運行數據報表，提供表格展示、圖表展示、報表打印輸出等功能。

(7)趨勢分析。通過智能化集控平臺，可以分析模擬量的運行變化，形成各種趨勢分析。

2.2 深井水處理系統改造

三水溝風井場地深井水處理站有高山水池、清水池、調節池、曝氣池、沉淀池、加藥裝置、加壓泵、消防泵、日用泵、積水排水泵、反滲透裝置、多介質過濾器、低壓配電柜。改造前，深井水處理站沒有自動化監控系統，工作人員只能到達設備現場才能查看運行情況并進行設備的啟停操作。

根據智能化集控平臺建設目標，為深井水處理站配置PLC控制柜，將各管道更換電動閥門，安裝流量計、壓力傳感器、液位傳感器、電流變送器等傳感器實現作業過程的自動化改造。構建深井水處理監控系統網絡，將改造后的深井水處理監控系統接入三水溝風井場地智能集控平臺。

根據深井水處理站的設備配置、生產工藝等要求，開發深井水處理PLC控制系統和智能化集控系統，實時采集水池液位、電機的電流和電壓、水管的流量和壓力等信號并上傳至智能化集控平臺。通過智能化集控平臺與深井水處理PLC控制系統的互聯協作，實現對深井水處理生產過程的遠程實時監視、遠程集中控制、智能運行控制、故障預警、視頻聯動。深井水處理站智能化主監控界面如圖3所示。

圖3 深井水處理站智能化主監控界面

2.3 水源井監測系統改造

三水溝風井場地有3口水源井，每口井均配有深水泵。改造前，所有操作均需人工到達設備現場進行操作，未能實現電壓、電流、流量、壓力等運行數據上傳和遠程監控。

根據智能化集控平臺建設目標，為水源井配置1套PLC控制柜，在每口井的出水管上安裝壓力傳感器，在電氣柜中安裝電流變送器、出水管上安裝電磁流量計。構建水源井監測系統網絡，將改造后的水源井監測系統接入三水溝風井場地智能集控平臺。

開發水源井PLC控制系統和智能化集控系統，將深井泵的電力參數、管道壓力、流量等運行參數上傳到智能化集控平臺，實現在集控中心對生產過程的實時監視、對水泵的遠程啟停、智能運行控制、故障預警、視頻監控等功能。水源井監測系統智能化主監控界面如圖4所示。

圖4 水源井監測系統智能化主監控界面

2.4 空壓機控制系統改造

三水溝風井場地空壓機房有4臺空壓機，改造前沒有實現遠控、一鍵啟停、單控、聯控等功能。根據智能化集控平臺建設目標，在壓風機房配置1臺PLC控制柜，在每臺壓風機的出風管道上安裝壓力變送器和溫度變送器，在出風總管道上安裝壓力變送器，在4個儲氣罐上安裝壓力變送器和溫度變送器。通過空壓機的485通訊接口，采用Modbus協議將空壓機控制面板接入PLC控制柜。構建空壓機監控系統網絡，將空壓機PLC控制系統、6 kV供電系統接入智能化集控平臺。

開發空壓機PLC控制系統以及智能化集控平臺的相應控制功能，實現對空壓機運行狀態、電壓、電流、管道壓力、流量、溫度等運行參數的數據上傳和遠程監視，實現對空壓機運行的遠程一鍵啟停、單控、聯控，其中聯控包括根據時間交替運行，并根據總管壓力自動啟停。空壓機智能化控制系統主監控界面如圖5所示。

圖5 空壓機智能化控制系統主監控界面

2.5 空壓機余熱回收系統改造

三水溝風井場地空壓機配套建設有余熱回收系統。改造前，余熱回收系統有1套PLC控制柜，通過控制柜的觸摸屏可實現運行監控，但未能實現遠程監視和控制。

根據智能化集控平臺建設目標，改造空壓機余熱回收的PLC控制系統并接入智能化集控平臺，實現對空壓機余熱利用系統的遠程實時監視、集中控制、故障預警和視頻監控。遠程自動控制的主要功能包括：補水泵實現定壓自動補水功能，循環泵和補水泵實現遠程啟停控制，實現溫度與啟停泵的聯動控制，實現洗浴回水閥門和水箱進水閥門的遠程控制。空壓機余熱回收智能化系統主監控界面如圖6所示。

圖6 空壓機余熱回收智能化系統主監控界面

2.6 燃氣鍋爐房控制系統改造

三水溝風井場地燃氣鍋爐房現有2臺燃氣熱水鍋爐、3臺燃氣熱風爐，負責三水溝風井場地區域和井口的冬季供暖，目前鍋爐配有1套PLC控制系統，安排崗位人員值班負責鍋爐和熱風爐的運行監控。

根據智能化集控平臺建設目標，在鍋爐房安裝甲烷傳感器、CO傳感器，熱風爐出口安裝壓力變送器、溫度變送器，在配電柜上安裝電流變送器。改造現有PLC控制系統并接入智能化集控平臺，使值班人員在集控中心可以遠程實時監視并集中控制燃氣鍋爐和熱風爐的運行情況。鍋爐智能化控制系統主監控界面如圖7所示。

圖7 鍋爐智能化控制系統主監控界面

2.7 污水處理控制系統改造

三水溝風井場地污水廠現有1套PLC控制系統，在污水廠排有值班人員，在值班室可以實現運行監測和設備控制。需要將現有污水處理系統接入新建的智能化集控平臺，實現在集控中心實時監測并遠程控制生產過程。

根據智能化集控平臺建設目標，改造現有PLC系統并與智能化集控平臺互聯，實現曝氣水泵及提升泵的遠程啟停控制，實現調節池、中間水池、 污泥池、清水池、回用水池的水位監測。污水處理智能化系統主監控界面如圖8所示。

圖8 污水處理智能化系統主監控界面

2.8 通風機控制系統改造

三水溝風井場地通風機房現有1套基于組態王軟件開發的通風機監控系統，在通風機房值班室可以實現運行監測和設備控制。需要將現有通風機監控系統接入新建的智能化集控平臺，實現在集控中心的集中監測。

根據智能化集控平臺建設目標，在通風機監控系統啟用OPC Server，發布所有測控點。基于OPC協議實現智能化集控平臺與通風機監控系統無縫集成，一方面在智能化集控平臺中直觀展示通風機實時運行參數，以滿足遠程監視要求，另一方面在智能化集控平臺提供通風機控制功能，實現對通風機的遠程控制功能。

2.9 提升機控制系統改造

三水溝風井場地提升機房現有1套基于WinCC軟件開發的提升機監控系統，在提升機房監控室可以實現運行監測和設備控制。需要將現有提升機監控系統接入新建的智能化集控平臺，實現在集控中心的遠程集中監測。

根據智能化集控平臺建設目標，在提升機監控系統啟用OPC Server，發布所有測控點。基于OPC協議實現智能化集控平臺與提升機監控系統無縫集成，一方面在智能化集控平臺中直觀展示提升機實時運行參數，以滿足遠程監視要求；同時，在智能化集控平臺提供提升機控制功能，實現對提升機的遠程控制功能。

3 關鍵技術

(1)采用先進的OPC UA(OLE for Process Control Unified Architecture)統一技術架構，構建了安全、可靠、跨平臺、跨網絡的企業服務總線(Enterprise Service Bus，ESB) ，作為各系統的溝通橋梁和集成調度中樞，在ESB的統一調度管理下，本系統與外部系統、本系統與外部設備、本系統內部各組件之間都可以通過OPC UA標準接口協議進行數據交換，極大方便了外部系統和智能設備的靈活接入，大幅度降低了系統集成的難度和成本，全面滿足礦井智能化建設對系統提出的無縫集成、數據交換和聯動控制等要求。

(2)采用分布式實時數據庫技術，支持在線完成數據庫服務器的節點擴展和數據遷移，為生產數據的長期保存和高效訪問提供了技術保障，為故障預測、運行優化等深化應用提供了數據保證。

(3)采用分屏顯示技術，集控人員根據工作需要可以將同一個操作員站上的不同監控畫面拖拽到不同顯示器上同步監視，可以將某一監測點的故障報警、趨勢分析、運行日志等信息拖拽到另一顯示器上同步顯示，全面滿足了集控平臺同時遠程監控多個生產系統的需要，以及對某些監測點的重點觀察和對比分析要求。

(4)采用報警與視頻聯動控制技術，當現場設備出現各種故障報警時，系統立即推送報警信息并彈出故障點附件的視頻監控畫面，為集控人員準確診斷故障原因并科學調度、高效處置提供技術支撐。

(5)以流量平衡和負壓波法為理論基礎，采用信號處理技術實時監測并分析管道兩端的壓力和流量信號。當管網出現泄露或斷水故障信息特征后，其壓力和流量信號隨之產生相應的變化，集控平臺實時分析并報警，以通知現場維護人員迅速做出反應，進行故障恢復，保證供排水系統的正常運行。

(6)采用單點控制、模式控制、程序控制、時間表控制、聯動控制等技術，打通了各系統之間的協同壁壘,實現跨系統之間信息互通和控制聯動，減少手工操作、避免人為誤操作、提高操作的速度和準確率。智能聯動控制包括水位與啟停泵的聯動控制、空壓機的定時啟停和恒壓運行控制、補水泵的定壓自動補水控制、瓦斯超限與排風扇連鎖控制等。

4 智能化改造效益分析

通過對三水溝風井場地各生產系統實施智能化改造，構建了風井場地智能化集控平臺，取得的主要效果如下所述。

(1)實現減員提效。智能化改造前，三水溝風井場地配有深井水處理站、鍋爐房、污水處理廠、通風機房、提升機房共5個值班控制室，每班出勤10人；智能化改造后，每班僅在集控中心、提升機控制室安排4人值班，另安排2人進行巡檢，整個風井場地每班運行人員由10人減少至6人，每班減少4人。

(2)對區域內生產過程實現了遠程、實時、準確掌控。三水溝風井場地智能化集控系統可實時采集各系統的液位、壓力、流量、電壓、電流、溫度、設備啟停等信號，再通過控制網絡實時傳輸至智能化集控中心。通過智能化集控平臺圖形化直觀展示各系統的運行動態，可對各系統運行狀態實現遠程、實時、準確掌握，降低巡檢人員的勞動強度，并且能夠更加及時、準確地掌握現場生產情況，增強對生產現場的管控能力。

(3)實現遠程集中控制。智能化改造后，在智能化集控中心能夠遠程控制各類設備設施，提高系統控制的實時性，避免人員不斷進入設備現場進行操作的工作強度和安全風險。

(4)實現智能運行和無人值守。根據生產工藝和控制要求，為部分系統開發了自動啟停控制和聯動控制程序，使得相關設備根據生產工藝和運行狀態自動啟停，部分環節實現智能化自動運行控制，達到了減員增效和無人值守的要求。

(5)促進煤礦智能化建設標準體系的建立與完善。目前煤礦智能化建設標準體系尚不完善，已發布標準較少[9-10]。國內各煤礦認識水平參差不齊，根據自身理解探索推進智能化建設，研究和建設成果總結與復用有待進一步提升[11]，而本次實踐所形成的研究成果，為建立并完善煤礦智能化建設標準體系提供了真實的數據支撐和良好的促進作用。

(6)實現對重點場所的視頻監控。構建了視頻監控系統，實現對重要生產場所的遠程、集中視頻監控，減輕了對巡檢工的依賴，在降低人工成本的同時大大增加了現場的指揮效率，實現生產場所少人化[12-13]。通過智能化集控平臺與視頻監控系統的有機集成，當出現故障報警時自動調用相關場所的視頻監控信號，實現故障報警與監控視頻聯動。

(7)為礦井培養智能化建設復合型人才。目前，國內大部分煤礦缺乏煤礦智能化專職技術人員，既懂煤礦業務又精通智能化技術的復合型人才嚴重不足[14]。通過本次智能化改造，鍛煉并培養了智能化建設復合型人才，為寺河煤礦全面建成智能煤礦提供了人才保證。

5 結語

三水溝風井場地生產系統智能化改造的順利實施和智能化集控平臺的成功運用，標志著煤礦地面輔助系統智能化發展取得顯著成效，為寺河煤礦其他風井場地的智能化改造提供了成熟的技術方案，為推動礦井實現全面智能化打下堅實基礎。

煤礦智能化是涉及多學科、多專業、多領域高度融合的不斷更新迭代的復雜系統工程，當前煤礦智能化建設處于初級階段[15]，煤礦行業智能化建設標準體系尚不完善，相關標準正在逐步完善，寺河煤礦本次風井場地生產系統智能化改造中應用的關鍵技術和積累的成功經驗，必將為其他煤礦的地面輔助系統智能化改造提供有益借鑒。