王曉宇

摘要：隨著自動(dòng)化控制技術(shù)日趨成熟，煤礦大型固定設(shè)備的控制已經(jīng)由PLc控制逐步取代了繼電器控制。本文就以煤礦變電所、水泵房等設(shè)備為主要的研究對(duì)象，對(duì)煤礦井下固定設(shè)備機(jī)房、機(jī)電設(shè)備硐室、永久大巷的機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化控制和無(wú)人值守進(jìn)行研究分析。

關(guān)鍵詞：固定設(shè)備 自動(dòng)化控制 無(wú)人值守

一、引言

近年來(lái)，政府、社會(huì)、企業(yè)都十分重視安全生產(chǎn)工作。煤礦作為高危行業(yè)，其安全生產(chǎn)水平一直受到廣泛關(guān)注。在全國(guó)煤炭行業(yè)“去產(chǎn)能”的大背景下，煤礦企業(yè)提出了“減人提效”的理念，煤礦在實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的同時(shí)，要考慮實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，從而達(dá)到減人提效的目的。目前，全國(guó)有部分礦井通過(guò)建立機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井供電、主排水、主皮帶機(jī)、壓風(fēng)機(jī)等設(shè)備的自動(dòng)化控制。

二、井下變電所無(wú)人值守建設(shè)

要實(shí)現(xiàn)井下變電所無(wú)人值守，首先要將供電設(shè)備全部實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控，這就需要在地面設(shè)立電網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)，在井下各變電所或配電點(diǎn)設(shè)立電力監(jiān)控分站，利用井下千兆環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控中心和井下各變電所設(shè)備的通訊。

1.搭建通訊平臺(tái)，作為現(xiàn)在和將來(lái)的公共通訊平臺(tái);另外，還要建設(shè)公共的終端調(diào)度平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)所有自動(dòng)化子系統(tǒng)的集中監(jiān)視、集中控制、集中調(diào)度和集中管理。電網(wǎng)監(jiān)控軟件平臺(tái)采用分布式組網(wǎng)，真正做到集中式管理;采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)功能都作為一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)模塊，既可以獨(dú)立運(yùn)作，也可以融合為一體，成為一個(gè)完善的綜合化業(yè)務(wù)系統(tǒng);系統(tǒng)全網(wǎng)絡(luò)化，所有通訊均以IP方式通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)傳遞：可以為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的雙熱備，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.所有的子系統(tǒng)在建設(shè)的時(shí)候都要考慮實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，以最大限度地實(shí)現(xiàn)通訊平臺(tái)和調(diào)度平臺(tái)的資源共享，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化子系統(tǒng)的平滑無(wú)縫接入。

3.平臺(tái)搭建的同時(shí)，考慮留有較為充分的接口，以便逐步實(shí)現(xiàn)全礦井綜合自動(dòng)化。

4.只有子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，才更利于子系統(tǒng)的維護(hù)和安全運(yùn)行。在調(diào)度中心層面實(shí)現(xiàn)不同子系統(tǒng)之間的信息共享和綜合利用，實(shí)現(xiàn)最大限度地提升子系統(tǒng)數(shù)據(jù)利用率，提高生產(chǎn)調(diào)度效率。

5.整個(gè)綜合自動(dòng)化要進(jìn)行整體規(guī)劃，子系統(tǒng)建設(shè)和接入可以分布實(shí)施。這樣，符合礦井自動(dòng)化建設(shè)的實(shí)際。將井下、地面供電系統(tǒng)納入一套監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)地面井下供電系統(tǒng)“管控一體化”。

6.建設(shè)效果。

（1）供電系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)：實(shí)時(shí)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)地面及井下變電所無(wú)人值班，提高安全運(yùn)行水平和供電管理水平：

（2）完善的供電系統(tǒng)保護(hù)：采用分布式智能速斷保護(hù)原理，徹底消除越級(jí)跳閘;防電壓波動(dòng)時(shí)大面積停電。

（3）供電系統(tǒng)運(yùn)行故障時(shí)：快速定位故障，提高故障處理效率;供電系統(tǒng)運(yùn)行故障后：快速恢復(fù)送電，縮短停電時(shí)間;

（4）變配電所具備視頻聯(lián)動(dòng)監(jiān)控功能是實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的基本條件：安裝球型帶云臺(tái)的礦用高清彩色攝像儀，實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、傳輸現(xiàn)場(chǎng)的圖像等，進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)焦等控制操作，能夠與電力監(jiān)控系統(tǒng)一起進(jìn)行聯(lián)動(dòng)切換。

三、水泵房自動(dòng)排水無(wú)人值守建設(shè)

目前，煤礦井下排水設(shè)備的日常開(kāi)、停操作及水泵的切換運(yùn)行仍需人工操作完成，由于操作人員的素質(zhì)不等，常出現(xiàn)因崗位工脫崗、睡崗造成設(shè)備損壞或水淹巷道的現(xiàn)象。同時(shí)也出現(xiàn)過(guò)因?yàn)閷?duì)操作規(guī)程掌握不全，操作順序錯(cuò)誤造成的設(shè)備損壞。通過(guò)水泵房的自動(dòng)排水建設(shè)將大大降低因?yàn)槿藶橐蛩卦斐傻陌踩[患。

1.通過(guò)對(duì)中央水泵房的改造實(shí)現(xiàn)水泵房排水系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控及無(wú)人值守功能。達(dá)到技術(shù)功能先進(jìn)、運(yùn)行可靠穩(wěn)定的目地。通過(guò)已有環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)直接接入地面礦調(diào)度中心系統(tǒng)，為礦標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中心及調(diào)度留設(shè)端口。通訊協(xié)議使用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，具有開(kāi)放性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。支持礦井4G、5G功能發(fā)展需要，便于后期4G、5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)施后完美對(duì)接。

2.水泵房?jī)?nèi)通過(guò)隔爆兼本質(zhì)安全型可編程控制箱、集中操作臺(tái)對(duì)水泵的礦用隔爆兼本安型一體式電動(dòng)閘閥、射流泵總成、傳感器、在線監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行監(jiān)控，顯示水泵及相應(yīng)的電動(dòng)閘閥的各種工作狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制操作，但要保留半自動(dòng)控制、手動(dòng)控制的功能，防止自動(dòng)控制系統(tǒng)故障后無(wú)法啟動(dòng)水泵。在井下水泵房和地面水泵房控制中心均能實(shí)現(xiàn)中央水泵房水泵、電動(dòng)閥門和電動(dòng)球閥的啟停，實(shí)現(xiàn)水泵房控制的無(wú)人值守功能。

3.通過(guò)在井下水泵房?jī)?nèi)安裝礦用本安溫度傳感器、礦用本安煙霧傳感器和礦用本安熱釋傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)中央水泵房的溫度監(jiān)測(cè)、煙霧監(jiān)測(cè)、門禁監(jiān)測(cè)。實(shí)現(xiàn)預(yù)警、環(huán)境、門禁、語(yǔ)音、視頻聯(lián)動(dòng)功能。

4.水泵房無(wú)人值守中各種數(shù)據(jù)的互通互聯(lián)，上下位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)所需監(jiān)控功能，可以通過(guò)變電所的電力監(jiān)控分站，利用光纖環(huán)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)上傳至地面。視頻信號(hào)需實(shí)現(xiàn)上傳、存儲(chǔ)功能，達(dá)到工業(yè)視頻信號(hào)與水泵監(jiān)控信號(hào)“共纜不共纖”。

5.建設(shè)過(guò)程中注意充分尊重原有水泵系統(tǒng)關(guān)聯(lián)設(shè)備（如離心式水泵、防爆電動(dòng)機(jī)等）的選型，盡量與已經(jīng)選型的設(shè)備進(jìn)行配套，以減少不必要的重復(fù)投入。充分利用礦井已經(jīng)建立的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的思路，采用就地就近的原則，新的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的擴(kuò)展和監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備、儀器的就近接入該網(wǎng)絡(luò)，本次系統(tǒng)建成后將是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個(gè)站點(diǎn)，今后可以直接接入到自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)中。能夠與電力系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，對(duì)礦用隔爆高壓軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流數(shù)據(jù)，并根據(jù)發(fā)出的報(bào)警信號(hào)進(jìn)行停機(jī)控制。水泵監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，直接通過(guò)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)傳輸和匯集，形成一個(gè)統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。

6.建設(shè)后的完成的系統(tǒng)功能。

（1）建設(shè)后的系統(tǒng)在調(diào)度中心操作屏上實(shí)時(shí)監(jiān)視泵房水位的變化、水泵及其附屬設(shè)備的運(yùn)行狀況，對(duì)每臺(tái)泵正常運(yùn)行時(shí)的電流、電壓、壓力、流量、參數(shù)變化的時(shí)間等進(jìn)行收集，形成泵組正常運(yùn)行數(shù)據(jù)組，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)泵組運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)組，并與常規(guī)運(yùn)行時(shí)參數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)數(shù)據(jù)波動(dòng)異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)出警告信號(hào)，能夠早期發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的設(shè)備故障，起到早預(yù)警早處理的功能。實(shí)時(shí)顯示水泵運(yùn)行過(guò)程的圖形化界面，生成曲線圖、以及報(bào)表供查詢和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

（2）在調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制井下的各泵房的水泵，并且具有井下自動(dòng)，遠(yuǎn)程操控，一鍵啟動(dòng)，手動(dòng)四種工作模式。系統(tǒng)自動(dòng)可以判斷水位以確保預(yù)設(shè)的水泵啟動(dòng)，并在到達(dá)低水位時(shí)自動(dòng)停泵，出現(xiàn)故障自動(dòng)報(bào)警嚴(yán)重時(shí)自動(dòng)停泵。同時(shí)也保證能夠退出PLC控制，人工使用操作箱對(duì)相應(yīng)的水泵進(jìn)行排水操作。

（3）保護(hù)功能環(huán)節(jié)

電氣保護(hù)：排水自動(dòng)化系統(tǒng)可以通過(guò)與采集電流、電壓等信號(hào)及相應(yīng)的故障信號(hào)，當(dāng)泵組電壓異常、運(yùn)行電流偏低或有故障信號(hào)來(lái)臨時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉排水閘閥，防止總管水倒流。

流量壓力保護(hù)：水泵啟動(dòng)后在正常運(yùn)行過(guò)程中，如流量、排水壓力、真空壓力、電流達(dá)不到設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)綜合考慮相關(guān)聯(lián)參數(shù)，給出相應(yīng)判斷是否掉水，發(fā)出故障報(bào)警并停機(jī)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換下一臺(tái)機(jī)組工作。

超限保護(hù)：當(dāng)電機(jī)定子、軸承溫度，水泵軸承振動(dòng)、溫度信號(hào)異常超限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出故障報(bào)警并停機(jī)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換下一臺(tái)機(jī)組工作，當(dāng)前泵組需故障確認(rèn)排除后，才能再次進(jìn)行自動(dòng)啟停序列。

（4）要考慮到以后的擴(kuò)展空間，本次設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)余量盡量大。

（5）通過(guò)在泵房?jī)?nèi)安裝的固定高清攝像頭，礦用隔爆型網(wǎng)絡(luò)攝像儀，單模光纖，能夠通過(guò)光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸，信號(hào)穩(wěn)定、成像清晰，通過(guò)千兆網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有上位組態(tài)軟件Wincc中顯示視頻畫(huà)面，反映井下泵房設(shè)備運(yùn)行狀況。

四、無(wú)人值守系統(tǒng)在煤礦應(yīng)用前景

煤礦大型固定機(jī)房的設(shè)備，比方說(shuō)空壓機(jī)、主通風(fēng)機(jī)、主要運(yùn)輸皮帶輸送機(jī)等實(shí)現(xiàn)以PLC控制系統(tǒng)為核心、電力監(jiān)控后臺(tái)、工業(yè)電視監(jiān)控部分組成自動(dòng)化控制系統(tǒng)，通過(guò)采用各類傳感器將設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集，采用智能集控系統(tǒng)，代替固定人員值守，在系統(tǒng)中設(shè)置故障診斷，實(shí)現(xiàn)大型固定設(shè)備的智能監(jiān)測(cè)監(jiān)控和人員巡檢。大中型煤礦綜采工作面基本實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離集中供液、設(shè)備列車集中供電、刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)的閉鎖聯(lián)動(dòng)控制、工作面視頻監(jiān)控等。在此基礎(chǔ)上通過(guò)搭建通訊平臺(tái)，將以上系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，應(yīng)用智能控制技術(shù)，再配合目前比較成熟的液壓支架電液控制系統(tǒng)，完全可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人化開(kāi)采，打造無(wú)人操作采煤工作面。

五、結(jié)語(yǔ)

推進(jìn)煤礦自動(dòng)化、智能化無(wú)人值守系統(tǒng)改造是煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)減人增效、降低礦工勞動(dòng)強(qiáng)度的現(xiàn)實(shí)需要?！盁o(wú)人則安”、“少人則安”。同時(shí)井下實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，能夠有效降低礦工的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少下井人數(shù)，節(jié)約人工成本，真正實(shí)現(xiàn)減人提效的目標(biāo)。