許長新　夏夕雯　胡亞軍　梁廣泉

(1.河鋼集團礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦；2.河鋼集團礦山設(shè)計有限公司；3.河鋼集團灤縣常峪鐵礦有限公司)

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石人溝鐵礦-180m水平中央水泵房無人值守系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

許長新1夏夕雯2胡亞軍2梁廣泉3

(1.河鋼集團礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦；2.河鋼集團礦山設(shè)計有限公司；3.河鋼集團灤縣常峪鐵礦有限公司)

中央水泵房是地下采礦排水系統(tǒng)的核心，采場各水平涌水以及尾礦充填過程中的析出水等都匯集于此排出。傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中水泵啟停完全依靠人工操作，勞動強度大，且不能科學(xué)、合理的調(diào)度排水量與排水時間，造成設(shè)備利用率低等問題。為此，石人溝鐵礦設(shè)計并采用DCS控制系統(tǒng)，自動檢測水泵運轉(zhuǎn)過程中的各項參數(shù)及工作狀態(tài)，實時反映至上位機，通過千兆以太網(wǎng)將各項參數(shù)傳至監(jiān)控中心，并可根據(jù)實際情況選擇手動控制、遠程控制、全自動控制，實現(xiàn)了集監(jiān)控、顯示、通信為一體的無人值守。實踐證明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，對保障礦山安全生產(chǎn)，降本增效有著重要的意義。

地下采礦中央水泵房無人值守DCS控制系統(tǒng)

礦山排水系統(tǒng)承擔(dān)著排出井下涌水的重要任務(wù)，而其核心就是中央水泵房，排水系統(tǒng)能否安全、可靠、有效地運行，關(guān)系到整個礦井的生產(chǎn)與安全[1]。傳統(tǒng)排水方式一般依靠人工操作，無法利用排水設(shè)備與倉容科學(xué)、合理的調(diào)配排水量與排水時間，而排水設(shè)備一般功率較大，耗電量多，普遍存在能耗大、效率低、生產(chǎn)成本高的問題[2]。石人溝鐵礦-180m水平中央水泵房共有D450-60×7型17臺離心泵，功率800kW，電壓為6kV，水泵流量450m3/h，揚程420m，兩泵共有一條排水管路，分內(nèi)外水倉。為節(jié)約排水成本，開展了中央水泵房無人值守系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用，通過DCS控制系統(tǒng)實現(xiàn)了礦井排水的自動控制和地面遠程監(jiān)控：可根據(jù)水倉水位自動起停水泵，合理調(diào)配水泵運轉(zhuǎn)，提高水泵利用率；設(shè)備運行的監(jiān)測及故障報警，有效地保護水泵電機等設(shè)備，延長使用壽命，減少事故停機時間；改善了操作人員工作環(huán)境，提高勞動生產(chǎn)率，大大提高了排水能力，保障了礦井的安全生產(chǎn)；通過調(diào)整開停時間，合理避開了電力負荷高峰期，避峰填谷，降本增效[3]。

1　水泵房無人值守系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)通過對中央水泵房排水泵組及其控制柜、真空泵等設(shè)備及運行參量的自動檢測，以圖像、文字、數(shù)據(jù)等方式，實時反映系統(tǒng)工作狀態(tài)，包括水倉水位、電機溫度、軸承溫度、正負壓力等參數(shù)，并通過千兆以太網(wǎng)將這些數(shù)據(jù)傳至地表調(diào)度監(jiān)控中心，進行系統(tǒng)的實時監(jiān)測、自動控制及設(shè)備報警，實現(xiàn)集監(jiān)控、顯示和通信為一體的無人值守系統(tǒng)[4-5]，系統(tǒng)拓撲圖見圖1。

(1)構(gòu)建由DCS控制的中央水泵房主排水系統(tǒng)，實現(xiàn)對設(shè)備及運行參量的自動檢測與控制。

(2)構(gòu)建地面調(diào)度監(jiān)控中心，實現(xiàn)對水泵運行各項參數(shù)的實時監(jiān)測及水泵工作運行畫面的監(jiān)控，以及對水泵啟停的遠程控制，達到中央水泵房無人值守、節(jié)能增效的目的[6-7]。

(3)井下DCS控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)雙份冗余備份系統(tǒng)。

1.2工作原理

在中央水泵房設(shè)一臺控制柜，控制器采用DCS控制，支持TCP/IP通訊協(xié)議，并可單獨或無縫接入擴展到礦山綜合自動化環(huán)網(wǎng)內(nèi)。

數(shù)據(jù)的自動采集主要由DCS實現(xiàn)。通過傳感器連續(xù)檢測水倉水位，DCS的模擬量輸入模塊將水位變化信號進行轉(zhuǎn)換處理，通過計算不同水位段單位時間內(nèi)水位的上升速率，判斷礦井的涌水量，從而控制排水泵的啟停。電機電流、水泵軸溫、電機溫度、排水管流量等傳感器與變送器，主要用于監(jiān)測水

圖1　中央水泵房控制系統(tǒng)拓撲圖

泵、電機的運行狀況、超限報警，以避免水泵和電機損壞。DCS的數(shù)字量輸入模塊將各種開關(guān)量信號采集到DCS中，作為邏輯處理的條件和依據(jù)，控制水泵的啟停。

1.3運行方式

運行方式為手動控制、遠程控制及全自動控制。

①手動控制，根據(jù)水倉水位或浮球狀態(tài)，通過手動控制水泵的啟停；②遠程控制，通過調(diào)度監(jiān)控中心的計算機控制水泵的啟停；③全自動控制時不需要人工操作，系統(tǒng)的井下下位機DCS實時采集水倉水位狀態(tài)，根據(jù)水倉水位情況，自動啟停水泵，并根據(jù)每臺水泵的運行時長合理安排水泵的運轉(zhuǎn)，保證每臺水泵的高效利用。下位機在正常運行過程中，脫離上位機的通訊仍能正常運行。

系統(tǒng)運行過程中，不論選擇何種運行方式，均可實時將中央水泵房的各種參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳到地面調(diào)度監(jiān)控中心。工作方式可由井下操作箱選擇，并采用一鍵啟停功能，見圖2、圖3。

2　水泵房無人值守DCS硬件控制系統(tǒng)設(shè)計

選用美國OPTO公司DCS冗余控制系統(tǒng)兩個相同的SNAP-PAC-S1作為控制器，一用一備，每個控制器配備一套24V線性直流電源開關(guān)，同時該DCS控制系統(tǒng)有一套冗余表決器，實時監(jiān)測運行過程中的控制器，并按照流程要求對備用控制器實時參數(shù)同步計算運行。該控制系統(tǒng)選用的數(shù)字量、模擬量模塊均可帶電插拔操作，經(jīng)詳細計算模擬量輸入點16個，數(shù)字量輸入點47個，數(shù)字量輸出點26個，具體所選模塊型號見表1。

圖2　一鍵啟動流程操作程序

3　水泵房無人值守監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

該操作界面內(nèi)容豐富、形象、直觀，操作簡單、易懂，內(nèi)容包括工藝流程模擬圖、 設(shè)備開停狀態(tài)、相應(yīng)模擬量數(shù)值等，包括離心泵、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等，同時，對離心泵提供了雙層啟動確認界面(見圖4)。

圖3　一鍵停止流程操作程序

對水倉液位值、溫度值、壓力值和振動值等進行趨勢顯示和分析(見圖5)；對于班組運行記錄、離心泵運行時間進行自動數(shù)據(jù)統(tǒng)計(見圖6)，以便于報表分析。系統(tǒng)調(diào)出整幅實時數(shù)據(jù)畫面的響應(yīng)時間小于5s。

4　效果效益分析

本系統(tǒng)從方案設(shè)計、施工圖設(shè)計、DCS組裝、現(xiàn)場改造到系統(tǒng)聯(lián)動試車，以“不影響礦山排水系統(tǒng)正常運行、不破壞水泵房原手動操作系統(tǒng)、充分利用原有的設(shè)備設(shè)施節(jié)約成本”為原則。該系統(tǒng)調(diào)試成功之后，運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了礦井排水手動控制、遠程控制、全自動化控制和地面遠程監(jiān)控，水泵啟動實現(xiàn)了一鍵啟停，提高了水泵利用率，延長水泵使用壽命；采用避峰填谷措施，可大大減少用電量，每年節(jié)約電費約25萬元；進入非汛期，排水系統(tǒng)采用“無人值守+定點巡視”方式，可取消崗位人員8人，每年可節(jié)約人力成本約40萬元。

表1　DCS控制系統(tǒng)模塊選型

注：生產(chǎn)廠均為Opto22。

圖4　主控界面

5　結(jié)　論

(1)采用DCS控制系統(tǒng)控制水泵啟停，并自動采集排水泵組及其附屬控制柜、真空泵系統(tǒng)以及各運行參量的數(shù)據(jù)，實時的反映水倉水位、電機溫度、軸承溫度、正負壓力等參數(shù)及系統(tǒng)工作狀態(tài)。

(2)采集數(shù)據(jù)通過千兆以太網(wǎng)傳至地表監(jiān)控中心，以便實時監(jiān)測及報警顯示。

(3)運行方式為3種，可手動控制、遠程控制及全自動運行，水泵啟停采用一鍵啟停功能。

圖5　趨勢變化

圖6　數(shù)據(jù)統(tǒng)計界面

(4)系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試成功后，運行穩(wěn)定可靠，提高了設(shè)備利用率，減少了人力資源成本，降本增效顯著。

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[4]張浩，武希濤，劉增寶，等.自動化網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)在無人值守水泵房的應(yīng)用[J].信息技術(shù)與信息化，2015(5)：112-113.

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2016-03-18)

許長新(1970—)，男，礦長助理，工程師，064200 河北省遵化市。