金礦排水自動化技術的應用

李天杰，閆山群

（招遠市姜家窯金礦有限公司，山東 招遠 265400）

地下礦山作業涵蓋開采與生產等多個環節，作業過程相當復雜。相關管理人員一定要重視開采等作業安全性的提升，實現安全生產。因此，排水系統的建設是最為主要的。為能夠在地下礦山開采的過程中實時地監測礦井內排水系統情況，礦山企業及相關管理人員必須帶著前瞻性思維，結合時代發展需要與行業競爭局勢，將自動化技術合理運用于地下礦山排水系統，有效提高礦山施工的安全性。地下礦山自動排水裝置需要相關技術人員結合礦上井下作業實際需要，對原有設備進行針對性改造，融入自動化技術，確保在無人值守時讓該裝置可以自動運行，同時也可以完成自我診斷工作的系統。在排水自動化技術融入前提下，對設備設施各階段運行狀態及各環節運行具體情況進行有效控制，通過自動檢測方式保證所使用的設備與設施狀態良好，實現能源節約、降低勞動強度、減少勞動人員，合理降低整體成本。[1]

基于以上原因實現地下礦井排水自動化控制和地面遠程監控：

一是可依據水倉水位起停水泵，大大降低生產成本，實現水泵整體利用率全面提升。

二是減少整體投入，只需少量看護人員，減少事故發生，確保維護質量全面提高，同時調整維保團隊結構，有利于傳統維保模式優化，通過主動檢修方式保證設備在良好狀態下長時期安全運行。

三是有利于工作環境進一步保證各生產環節的安全性，從而提高勞動生產率。

四是因事故而導致的停機時間有效減少，設備使用壽命得以延長，運用有效手段實現水泵電機等主要設備的保護，增強整體排水能力。

五是通過調整開停時間，有效地削峰填谷，成功避開電力負荷高峰期，節約電費開支。

1 控制方式

排水自動化建設可以實現集中方式的實時檢測，達到減人提效的目標。與此同時，監控礦井排水系統各工序節點實際情況，結合監控具體需要靈活優化監控模式，完成高質量與高效的數據傳輸工作，完整存儲各種歷史數據。在地下礦山排水自動控制系統的建設中，借助工業以太網環網，秉承著就近原則將自動控制系統與地下礦井工作網有效結合，借助調度集成平臺完成地下水泵房中水泵各時間段運行情況實時監測，同時可實現遠程控制操作。排水自動化系統在實用的前提下，工作安全可靠，還要充分考慮技術的先進性，排水自動化系統的硬件設計要充分考慮到將來擴充的需要，系統的網絡接口要配置完善，控制器的選用要留有足夠的余量，為將來集成其他礦區泵房子系統或接入礦井信息化系統預留足夠接口。

多臺水泵放置一臺礦用可編程控制柜，用于完成模擬量采集；保證準確采集電機運行狀態、閘閥關到位等開關量；做好球閥開與關的操作，根據實際情況考慮是否開啟閘閥開關或電機等相關控制設備。及時將泵房中的所有數據安全上傳，保證傳輸至上位機，完成數據的臨時存儲、數據交換、及采集。在遠程工作模式應用前提下，上位機會發出開與關的相關指令，保證準確下達至需要執行指令的控制箱，實現水泵的自動開啟，同時根據停止指令完成相應操作。在此模式下，水泵整體使用率得到極大程度提升，每臺水泵啟動得到合理與及時調度。

在運行過程中產生的各種數據會通過PLC 輸入模塊，再依托相應傳感器實現信號采集與輸送。PLC 獲得相應數據，結合數據完成水倉水位檢測工作，根據水位變化實際情況完成變化信號轉換與有效處理。檢測排水管路流、量正壓、差壓等、控制水泵運行、停止。水泵流量的測量，在水泵吸水管路選用超聲波或電磁流量計，將超聲波液位傳感器等精密儀器設置于水倉位置，完成水倉液位變化情況的檢測。可以在地面調度監控中心設置上位機，將現場設備故障狀態、傳感器信號、運行狀態等傳輸到上位機，并且并入礦井信息化系統。組態軟件的合理使用可以完成地面畫面組態的成功顯示，不僅可以顯示出單個水泵具體運行相關畫面，還可以展示出整個泵房實際運行情況。

水泵啟停自動化控制分為：集中自動、集中手動（遠程手動）兩種控制方式。集中自動是指水泵啟停由PLC 控制系統根據水倉液位和峰谷平時間和涌水量自動完成加減泵，無需人為干預控制，只有在系統發生故障或報警時，需操作人員確認故障原因，待查明原因消除故障后，按觸摸屏或上位機“故障復位”按鈕，便可再次投入該泵至自動啟停輪換列隊。集中手動是指水泵啟停流程由PLC 控制系統自動完成，但是啟停指令需由操作員通過觸摸屏或上位機監控的控制面板“一鍵啟動X#泵”“一鍵停止X#泵”操作按鈕發出。集中自動和集中手動操作均需在遠程方式下完成，即控制箱各轉換開關置于“集中”位置[2]。

2 控制條件

系統根據峰谷平時間和水位進行水泵運行、停止控制。系統在自動運行情況下，對水倉水位峰期、平期和谷期進行控制，對水倉進行水位控制。根據水位情況控制泵啟停，如果水倉水位超過設定值x 米（可修改），系統將啟動一臺泵（主泵）。當水位下降到設定值x 米后，停止工作主泵。集中自動控制方式時如達不到啟泵條件，但調度要求供水，可按上位機“集中手動/自動”切換按鈕，系統運行模式切換至“集中手動”后，按“一鍵啟動按鈕”可啟動水泵。低水位保護：無論集中自動/手動控制方式，均受到最低水位保護，當水倉水位低于設定值x 米（可修改），低水位保護裝置就立即停止水泵，當水倉水位高于設定值x米時復位。目前每臺水泵都可以根據啟停時間單獨設置。

3 工作安全

當啟動每臺水泵時，在真空罐灌水到啟泵水位后，報警器鳴響10 秒后啟動。由于自動化系統根據水位變化自動啟、停水泵，工作具有不確定性，當對水泵進行維修、保養、清潔時，應將該泵對應的“集中/就地”開關置于停止位（中位），工作結束后復位。

4 啟停泵流程

1.自動啟動流程：系統發出啟泵信號后，首先打開真空罐排氣閥，然后啟動罐補水電動閥給真空罐灌水，當水位到達設定值x 米（設定值x）以上時系統打開泵體排氣閥。在真空罐液位高于設定值x 米（設定值x）時，延時“xx”秒關閉補水電動閥，然后“xx”S關閉真空罐排氣閥，補水電動閥關到位后，排氣電動閥關到位后，報警器鳴響10 秒后啟動主電機，當壓力達到設定值x 以上時，延時1 秒打開該泵出口電動閥，電動閥開到位后，該泵啟動過程完成。

2.水泵停止流程：系統發出停泵信號后，系統關閉主閥門。主閥門關閉后，停止水泵電機。

3.經常觀測水泵具體運行狀態，及時判斷問題類型，采用針對性措施將問題快速解決：電流不得超過額定值±5%，觀察流量、真空和壓力指示的變化情況,對水倉水位實際變化情況做到嚴格檢測，了解模擬量具體情況,判斷電機運行是否正常，觀察水泵是否存在潛在運行問題，檢查進出水管路、泵體和閘門等關鍵位置有無不同程度漏水現象。

若水泵運用過程中出現以下情況，必須馬上停泵：（1）水泵或電機運行狀態有異狀；（2）水泵不能正常上水；（3）泵體出現較為嚴重的漏水問題；（4）電機或電氣設備突然冒火或突然冒煙。

4.水泵“檢修”工作的開展，首先要停泵，工作人員應明確操作順序：保證電動閘閥同時關閉，避免在開通位置停機；在閥門已完成關閉后，停止電動機運轉；任何運行狀態下的水泵一旦突發故障，必須采取緊急停泵。此時，水泵工要馬上按下“急停”按鈕，切不可慌亂。在故障排除之后，需要找到“故障復位”按鈕并按下，系統將開始恢復正常。[3]

5 報警和故障

系統的運行報警和運行故障，停機故障，電流高故障：當水泵電機運行電流大于設定故障值超過20 秒時，報警器鳴響，報此故障。檢查水泵內是否有異物，電流高堵轉。電流低故障：當水泵電機運行在閥門全開到位電流小于設定故障值超5 秒時，報警器鳴響，報此故障。檢查水泵前后軸盤根是否漏氣嚴重。檢查水泵控制箱與水泵啟動柜連接線是否正常。水泵急停：由人工操作觸摸屏急停按鈕。流量低故障：水泵電機運行后，水泵進口流量小于設定值且超過120 秒。泵出口壓力低故障：水泵電機運行，主閥門打開到位，泵出口壓力小于設定值且超過10 秒。閥門開，關到位信號錯誤：電動閘閥未工作或開閥（關閥）時間內閥門沒有打開或關閉。水泵啟動柜未切換故障：系統給出啟動信號后，水泵啟動柜沒有啟動切換。檢查水泵啟動柜切換回路。子站通訊故障：控制箱子站PLC 與主站PLC 通訊錯誤。檢查網絡網線連接是否有問題。泵未運行故障：水泵控制柜給出啟動指令后，水泵啟動柜未反饋運行信號。補水失敗時間超時：真空罐8分鐘內未達到設定壓差，檢查壓差表是否有問題。出口電動閥門過載故障：控制箱出口電動閥熱繼電器動作。泵啟動壓力低故障：水泵啟動過程中未達到設定開閥值。對于出現運行報警時，水泵不停機。當水泵停止工作后，應對該泵進行檢修，并復位報警，如未做相應處理，該水泵不能再次啟動。當出現故障，水泵按照正常停泵程序停車。故障或者報警后應查明原因方可再次啟動該泵，啟泵前也應復位該泵故障。在啟動過程中，對閥門開到位和關到位信號、真空罐水位及真空度、出口壓力、高壓控制柜等進行檢測，對出現的不影響運行的問題進行報警，嚴重故障發生時，做終止啟動過程處理。如在啟動過程中，480 秒內真空罐液位達不到正常值進行報警；發出電機啟動命令后，20 秒內沒有運行信號反饋進行報警；水泵啟動后，泵出口壓力小于設定值x 進行報警；發出開閥門命令后，閥門未有到位信號反饋，且流量小于正常流量設定值進行報警，以上報警出現后，將終止該泵的啟動過程中。對啟動過程中發生的其他問題進行報警處理，提示檢修[4]。

6 觸摸屏操作

主控柜觸摸屏權限：用戶名：xxx；密碼：xxx。操作完成后，觸摸主菜單中的“注消”按鈕注消登錄。

7 上位機操作

為保證自動化控制系統的運行安全，對觸摸屏操作實行了分級管理，只有具有了相對應的權限才能進行操作。觸摸主菜單上的登錄按鈕可以調出系統登錄畫面。一級權限——用戶名：xxx，密碼：xxx。用戶權限——用戶名：xxx，密碼：xxx。操作完成后，觸摸主菜單中的“注消”按鈕注消登錄。

8 排水自動化控制系統觸摸屏

8.1 工作畫面

觸摸屏上電正常后在工作畫面上顯示了水房設備的工作狀態和檢測點的數據。并在屏幕上方的飛字上顯示系統的報警信息。觸摸“集中自動/手動”按鈕可實現“集中自動”和“集中手動”的切換，集中自動方式為本地自動控制，集中手動控制為上位機或觸摸屏一鍵啟停控制，觸摸“故障復位”按鈕可對系統的故障進行復位。

8.2 設定畫面

參數設定畫面，觸摸主菜單上的“控制參數”按鈕可以調出該畫面。PLC 內部時間校正，PLC 當前時間顯示的是PLC 當前的內部時間，如和標準時間有差異，可在下面輸入正確的時間數值，觸摸“確認修改”按鈕寫入PLC。峰谷平的設定，峰段有三個時間段設定、平段有三個時間段設定，對不需要設定的時間段的起點和終點進行清零處理，則該段時間不起作用。

8.3 泵參數的設定

觸摸頁面上數據顯示窗口可對泵的報警限值和故障限值進行設定，正常當水泵運行時，不能修改限值設定。水倉谷期停泵水位設定是指的泵的低位保護，如果水倉淤泥較多，可通過改變該值進行調整。觸摸“水倉液位計選擇”可以調出水倉液位計選擇窗口，緩沖水倉液位通過兩只液位計進行測定，當兩只液位計所測液位差值超過正常范圍，系統將報警，通過對液位計進行標定，和實際符合的液位計可通過此處進行選擇。記錄水泵運行時間，當更換新泵或其他原因可以通過觸“水泵運行時間復位”按鈕可以調出復位窗口，分別把各泵的運行時間清0，點擊“累計流量清零”可以清除水泵的累計流量[5]。

9 歷史報警

歷史報警畫面，觸摸主菜單上的畫面中的“歷史報警”按鈕可以調出該畫面。在該畫面上可以顯示出報警信息實時報警為系統當前存在的報警，如果報警自動復位后，則會自動轉到歷史記錄顯示。

10 結語

現代科學技術的飛速發展推動了自動化控制技術的應用，實現行業生產力全面提升。礦山企業應積極運用自動化技術，特別是金礦開采應借助自動排水技術將礦山排水系統所具有的安全性全面提升，為各環節施工安全帶來有力保障。因此，金礦開采企業應合理與科學地運用自動排水控制技術，實現安全與高效生產。