龔 青，李龍清

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分迅速，能源消耗也同比增長(zhǎng)，2017年，全國(guó)能源消費(fèi)總量約為45億噸標(biāo)煤，其中，煤炭占比大致在60.4%[1]，煤炭在能源消耗占比中呈逐年下降趨勢(shì)，加上當(dāng)前煤炭產(chǎn)量供大于求的現(xiàn)實(shí)，給煤礦生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來(lái)前所未有的壓力，對(duì)煤礦生產(chǎn)效率及自動(dòng)化水平提出了更高的要求。神東礦區(qū)自2012年開始建設(shè)區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)(LCS)平臺(tái)，并在大柳塔煤礦建設(shè)了億噸級(jí)的區(qū)域中央生產(chǎn)控制指揮中心，2015年正式上線運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了五礦六井(大柳塔煤礦、上灣煤礦、補(bǔ)連塔煤礦、哈拉溝煤礦、石圪臺(tái)煤礦)采、掘、機(jī)、運(yùn)、通等各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成展示、集中控制、關(guān)聯(lián)分析、故障診斷與決策、智能報(bào)警、人力物料管理等6大功能。為井下生產(chǎn)提供專業(yè)的遠(yuǎn)程集中控制、日常生產(chǎn)協(xié)調(diào)管理和輔助決策平臺(tái)，達(dá)到海量數(shù)據(jù)資源的共享利用、關(guān)聯(lián)分析，優(yōu)化了煤礦生產(chǎn)流程，實(shí)現(xiàn)各分立系統(tǒng)的高度集成。這種區(qū)域化集中生產(chǎn)控制指揮模式，為提升煤礦生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)規(guī)?；?、集約化和信息化水平奠定了基礎(chǔ)[2]。

1 信息化發(fā)展與區(qū)域煤礦集控系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 大柳塔煤礦信息化發(fā)展概況

大柳塔煤礦是神府東勝煤田最早開工建設(shè)的礦井，1987年開建，1996年投產(chǎn)，由大柳塔和活雞兔兩井組成，年生產(chǎn)能力3 300萬(wàn)t，是目前世界上最大的井工煤礦。兩井擁有井田面積189.8 km2，煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量23.6億t，可采儲(chǔ)量15.3億t。大井主采1-2、2-2、5-2煤層，活井主采1-2上、1-2、2-2、5-1煤層，兩井煤質(zhì)具有低灰、低硫、低磷和中高發(fā)熱量的特點(diǎn)，發(fā)熱量均在5 600 kcal/kg左右，被譽(yù)為“綠色環(huán)保煤炭”。

自建礦以來(lái)，大柳塔煤礦集成國(guó)內(nèi)外先進(jìn)管理理念和技術(shù)，并結(jié)合客觀條件進(jìn)行創(chuàng)新，經(jīng)不斷積累，在信息化、自動(dòng)化技術(shù)方面取得了一系列創(chuàng)新和突破。2000年大柳塔煤礦實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)和變電所的自動(dòng)化，2005年實(shí)現(xiàn)綜采工作面數(shù)據(jù)集中上傳和中央水泵房、排水泵房的自動(dòng)化，2011年實(shí)現(xiàn)中轉(zhuǎn)水倉(cāng)和主通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化，2012年開始建設(shè)區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)，2013年實(shí)現(xiàn)綜、連采工作面遠(yuǎn)程監(jiān)控，連采膠帶機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控和局部通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控，2016年實(shí)現(xiàn)五礦六井采、掘、機(jī)、運(yùn)、通等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成展示、集中控制，形成專業(yè)生產(chǎn)集中控制指揮體系。

1.2 區(qū)域煤礦集控系統(tǒng)體系架構(gòu)

煤礦區(qū)域中央集中控制系統(tǒng)體系架構(gòu)分為5層，為設(shè)備層、控制層、生產(chǎn)執(zhí)行層、經(jīng)營(yíng)管理層和決策支持層。建成了井上下生產(chǎn)控制專網(wǎng)，作為生產(chǎn)數(shù)據(jù)的唯一傳輸通道，擁有生產(chǎn)數(shù)據(jù)的專用鏈路。覆蓋了五礦六井綜采、掘進(jìn)、機(jī)電、運(yùn)輸、洗選、裝車、安全監(jiān)控、人員定位、視頻控制、通信等子系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)15個(gè)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)14個(gè)。滿足5個(gè)礦井下各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)安全、高效、穩(wěn)定地傳入?yún)^(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)，并進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)和集中展示。實(shí)現(xiàn)五礦信息聯(lián)通與共享，能夠使不同功能的應(yīng)用系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，協(xié)調(diào)有序運(yùn)行，使各自獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息共享。為生產(chǎn)指揮和數(shù)據(jù)分析提供了有利的鏈路保障，如圖1所示。

圖1 區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)體系架構(gòu)圖

2 區(qū)域煤礦集控系統(tǒng)的信息化特色

2.1 專業(yè)調(diào)度模式

區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)應(yīng)用以來(lái)，由于數(shù)據(jù)的聯(lián)通與共享，設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制，改變了煤礦生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理模式，建立起一套專業(yè)的調(diào)度體系。按采掘、主運(yùn)、安全、機(jī)電4個(gè)職能設(shè)置專業(yè)調(diào)度；實(shí)現(xiàn)礦井多系統(tǒng)和區(qū)域內(nèi)多礦間生產(chǎn)計(jì)劃協(xié)同和資源共享，各工位選拔相關(guān)專業(yè)經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員擔(dān)任專業(yè)調(diào)度員，負(fù)責(zé)生產(chǎn)指揮、決策、排程、集中控制、智能關(guān)聯(lián)分析等主要工作，集中優(yōu)勢(shì)的技術(shù)專家團(tuán)隊(duì)進(jìn)行技術(shù)支持，在優(yōu)化生產(chǎn)、故障處理、應(yīng)急救援、綜合分析等方面提供專業(yè)的指導(dǎo)，從而保障專業(yè)調(diào)度的決策、指揮。提高日常生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的管理效率和質(zhì)量[3]。各專業(yè)調(diào)度體系工位及功能分布如圖2所示。

圖2 專業(yè)調(diào)度體系工位及功能分布圖

2.2 區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)功能

云監(jiān)測(cè)：隨著煤礦生產(chǎn)信息化、自動(dòng)化水平的提高，海量的數(shù)據(jù)需要被監(jiān)測(cè)，大量的設(shè)備需實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控，區(qū)域自動(dòng)化控制系統(tǒng)在五礦六井區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)監(jiān)控了29個(gè)子系統(tǒng)，保障煤礦安全高效生產(chǎn)。區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)平臺(tái)涵蓋監(jiān)控子系統(tǒng)15個(gè)[4]：綜采工作面監(jiān)控、掘進(jìn)工作面監(jiān)控、主運(yùn)輸系統(tǒng)監(jiān)控、輔助運(yùn)輸系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)監(jiān)控、排水系統(tǒng)監(jiān)控、供水系統(tǒng)監(jiān)控、消防灑水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控、壓風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控、灌漿系統(tǒng)監(jiān)控、注氮系統(tǒng)監(jiān)控、洗煤廠系統(tǒng)監(jiān)控、裝車系統(tǒng)監(jiān)控、外購(gòu)煤系統(tǒng)監(jiān)控。監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)有14個(gè)：安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、調(diào)度通信系統(tǒng)、人員與車輛定位、礦壓監(jiān)測(cè)、智能照明系統(tǒng)、生產(chǎn)排矸系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、無(wú)人值守?zé)舴?、污水處理系統(tǒng)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、束管監(jiān)測(cè)、粉塵在線監(jiān)測(cè)、水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)、瓦檢員巡更系統(tǒng)。目前監(jiān)測(cè)點(diǎn)位已達(dá)15萬(wàn)點(diǎn)，遠(yuǎn)期達(dá)到18萬(wàn)點(diǎn)。

遠(yuǎn)程控制：主運(yùn)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)及部分綜連采工作面實(shí)現(xiàn)了設(shè)備遠(yuǎn)程控制，五礦主運(yùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，倉(cāng)上插板、上倉(cāng)膠帶機(jī)、主斜井膠帶機(jī)、大巷膠帶機(jī)、綜連采順槽膠帶機(jī)、井下煤倉(cāng)給煤機(jī)全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制；供電系統(tǒng)變電所和配電點(diǎn)的移變及下級(jí)開關(guān)均實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制；供排水系統(tǒng)中央泵房和中轉(zhuǎn)水倉(cāng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，對(duì)主供排水管路壓力、流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)衡壓供水，對(duì)局部漏水可實(shí)現(xiàn)智能判斷及報(bào)警，同時(shí)監(jiān)測(cè)2 000多個(gè)臨時(shí)排水點(diǎn)；通風(fēng)系統(tǒng)首創(chuàng)自動(dòng)風(fēng)門遠(yuǎn)程控制，緊急情況下干預(yù)風(fēng)門開閉，保障生產(chǎn)安全，滿足應(yīng)急救援需求。設(shè)備遠(yuǎn)程控制統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)應(yīng)用前后設(shè)備遠(yuǎn)程控制統(tǒng)計(jì)

大數(shù)據(jù)分析：在綜采工作面綜采采煤機(jī)某一刀切割過(guò)程中所有支架的信息聯(lián)合分析，也可以進(jìn)行基于單一支架在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的分析，還可以進(jìn)行標(biāo)有深度數(shù)據(jù)的針對(duì)綜采設(shè)備的多層分析和跨礦井、跨系統(tǒng)、多維度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)比分析，如圖3所示。

圖3 五礦六井多維度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)比圖

智能關(guān)聯(lián)與分析：為保障煤礦正常安全高效運(yùn)行，區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)具備設(shè)備自動(dòng)化、智能化控制、海量數(shù)據(jù)智能分析及智能報(bào)警，保障安全生產(chǎn)的能力。主運(yùn)系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)一鍵啟停前，膠帶機(jī)需要由調(diào)度人員觀察膠帶機(jī)上的煤量，手動(dòng)多次操作，實(shí)現(xiàn)逐部啟停，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；實(shí)現(xiàn)一鍵啟停后，調(diào)度員啟動(dòng)時(shí)只要確定全系統(tǒng)正常即可一次操作完成全系統(tǒng)的啟動(dòng)，停機(jī)時(shí)只要判斷工作面停機(jī)即可一次操作實(shí)現(xiàn)各級(jí)膠帶機(jī)自動(dòng)計(jì)算，逐級(jí)停機(jī)。倉(cāng)上插板與煤倉(cāng)料位聯(lián)動(dòng)，通過(guò)煤倉(cāng)料位計(jì)數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)插板自動(dòng)開關(guān)，準(zhǔn)確配倉(cāng)。

安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)智能聯(lián)動(dòng)分析：實(shí)現(xiàn)主動(dòng)尋找報(bào)警源，辨別主、從報(bào)警，如：若某區(qū)域的CO濃度升高，通過(guò)CO傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與車輛定位系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)智能分析，報(bào)警，并判斷CO濃度升高是否由車輛尾氣還是其他原因?qū)е隆?/p>

輔助決策與診斷：生產(chǎn)輔助決策—通過(guò)對(duì)各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)設(shè)備開機(jī)率自動(dòng)計(jì)算、噸煤能耗周報(bào)、割煤刀數(shù)自動(dòng)分析等報(bào)表的微信自動(dòng)推送如圖4，為生產(chǎn)決策提供有力支持。輔助診斷—規(guī)范13種顏色的體系，代表不同狀態(tài)。在供電系統(tǒng)中可以看到各個(gè)配電柜的具體參數(shù)，如電流、電壓、功率以及設(shè)備的遠(yuǎn)近控狀態(tài)。并可以直接對(duì)井下配電柜進(jìn)行分、合閘操作。還可以模擬設(shè)備故障停電后的影響范圍，提高調(diào)度故障應(yīng)變能力，減少排查井下故障時(shí)間，大大節(jié)約人工成本[5]。

圖4 大柳塔煤礦綜采工作面噸煤能耗周報(bào)表對(duì)比分析圖

“五礦一圖”動(dòng)態(tài)更新：以往各專業(yè)圖紙由相關(guān)專業(yè)人員自行繪制，導(dǎo)致內(nèi)容單一，格式多樣，而不同生產(chǎn)技術(shù)部門間圖紙“人為”拷貝交互，經(jīng)常出現(xiàn)信息滯后，不利于各專業(yè)信息互融，現(xiàn)在基于區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)平臺(tái)的“五礦一圖”將五礦六井的地質(zhì)、測(cè)量、通風(fēng)、機(jī)電等多專業(yè)圖紙分層合并在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的圖紙平臺(tái)，支持監(jiān)控點(diǎn)直接標(biāo)注功能，可以從“計(jì)算機(jī)終端”、“移動(dòng)終端”、“Web在線”等方式實(shí)現(xiàn)井下動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的隨時(shí)隨地錄入，大大縮短礦井圖紙和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的更新周期。各專業(yè)人員可以在這張圖里協(xié)同辦公，實(shí)時(shí)更新。實(shí)現(xiàn)了不同專業(yè)人員在同一地圖上同時(shí)繪制，很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

2.3 應(yīng)用效果

自動(dòng)化減人：區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)應(yīng)用以來(lái)，通過(guò)井下自動(dòng)化改造和地面基礎(chǔ)實(shí)施建設(shè)，現(xiàn)共減少相關(guān)崗位人員106人，遠(yuǎn)期計(jì)劃減少300人。相關(guān)崗位減人統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)應(yīng)用相關(guān)崗位減人統(tǒng)計(jì)表

智能化控制平臺(tái)的搭建：建成了全國(guó)首個(gè)區(qū)域性億噸級(jí)煤炭智能化控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了五礦六井各生產(chǎn)及輔助系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集中監(jiān)測(cè)監(jiān)控、關(guān)聯(lián)分析和智能報(bào)警，優(yōu)化了煤礦生產(chǎn)排程，為生產(chǎn)決策提供了依據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸鏈路的統(tǒng)一：建成井上下生產(chǎn)控制專網(wǎng)，作為生產(chǎn)數(shù)據(jù)的唯一專業(yè)的通道。實(shí)現(xiàn)了五礦六井井下各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)安全、高效、穩(wěn)定地傳入?yún)^(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)，提高了數(shù)據(jù)的安全性。

機(jī)電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的確定：確定了神東《礦山機(jī)電設(shè)備通信接口和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)》，解決了井下設(shè)備通信協(xié)議種類多，層級(jí)多，維護(hù)量大的難題，為數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠的傳輸提供了有利保障。

模塊化數(shù)據(jù)中心的建立：采用先進(jìn)的模塊化理念，建設(shè)了低碳綠色的模塊化數(shù)據(jù)中心。實(shí)現(xiàn)了機(jī)房設(shè)備高利用率，低能耗，易管理。給生產(chǎn)數(shù)據(jù)提供了安全、穩(wěn)定的存儲(chǔ)空間。為神東大數(shù)據(jù)分析提供了基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)保障。

數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用的初步探索：依靠智能控制平臺(tái)及數(shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)的有效載體，對(duì)生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、清洗、存儲(chǔ)、分析，完成規(guī)定性的月度、年度工效分析，并根據(jù)需求進(jìn)行定制性開發(fā)報(bào)表，逐步探索挖掘神東的生產(chǎn)大數(shù)據(jù)資源。

3 結(jié)語(yǔ)

區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)上線運(yùn)行以來(lái)，整合了區(qū)域內(nèi)五礦六井的采、掘、機(jī)、運(yùn)、通及安全監(jiān)控、人員定位、工業(yè)電視、IP廣播等各生產(chǎn)控制系統(tǒng)，目前已監(jiān)控點(diǎn)位達(dá)到20萬(wàn)點(diǎn)，遠(yuǎn)期達(dá)到25萬(wàn)點(diǎn)，最遠(yuǎn)控制距離為50 km，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備由就地控制到遠(yuǎn)程控制、由單點(diǎn)分散控制到集中關(guān)聯(lián)控制的轉(zhuǎn)變，提高了礦井信息通訊、數(shù)據(jù)共享、智能聯(lián)動(dòng)和業(yè)務(wù)管理的協(xié)同效益；促進(jìn)各種資源有效合理配置；井下機(jī)電設(shè)備有效開機(jī)率提高2%，相關(guān)崗位已減員106人，按人均12萬(wàn)元計(jì)算，年減少人工成本約1 270余萬(wàn)元；這種區(qū)域化集中生產(chǎn)控制指揮模式，為提升煤礦生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)規(guī)?；?、集約化和信息化水平提供了指導(dǎo)和借鑒。