莫州寒，占霆鈞，王 努，逄 昀，劉 杰，陳炎桂

（江西銅業(yè)集團有限公司 城門山銅礦，江西 九江 332100）

1 引言

隨城門山銅礦采礦場擔負著露天采場排水和全礦生產(chǎn)、生活供水任務。目前，采礦場排水泵站3處，中間泵站1處，疏干泵站2處，供水泵站2處。各泵站均以傳統(tǒng)的人工手動控制方式，實現(xiàn)供、排水。該方式存在人工投入成本高，安全系數(shù)低，效率低等缺點。為改變傳統(tǒng)的供、排水方式，根據(jù)城門山銅礦智能化建設的總體要求，結(jié)合城門山銅礦各泵站的實際需求，設計了露天礦山無人值守泵站系統(tǒng)［3]，可以完全實現(xiàn)泵站的自動控制，提高水泵的利用率和效率，提高安全生產(chǎn)系數(shù)，減少生產(chǎn)成本。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

露天礦山無人值守泵站系統(tǒng)集水泵各數(shù)據(jù)監(jiān)測、運行狀態(tài)監(jiān)測、故障報警、故障自診斷與自恢復、自動化控制、遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ苡谝惑w。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計成泵站監(jiān)控系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、遠程監(jiān)控系統(tǒng)三部分。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1 泵站監(jiān)控系統(tǒng)

泵站監(jiān)控系統(tǒng)［5]是露天礦山無人值守泵站系統(tǒng)的最底層，主要是對泵站水倉水位，水泵、電機、排水閘閥、潛水泵引水、注水閥及排氣閥、配電設備及啟動柜等進行監(jiān)控，并通過可編程邏輯控制器（PLC）采集控制，實現(xiàn)水泵的自動控制［1]等功能。其主要監(jiān)測的參數(shù)有：

圖1 露天礦山無人值守泵站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）電量監(jiān)測：主電機運行電流、電壓、功率等；

（2）流量監(jiān)測：單泵流量或單管流量；

（3）液位監(jiān)測：泵站水池水位；

（4）壓力監(jiān)測：水泵出口壓力及管路壓力；（5）溫度監(jiān)測：水泵軸承溫度；（6）振動監(jiān)測：水泵軸承振動；（7）pH值監(jiān)測：排水的pH值；（8）濁度監(jiān)測：排水渾濁度；

（9）設備狀態(tài)：主水泵、主電機、排水閘閥、潛水泵注水及排氣閥、配電設備及啟動柜等設備的工作狀態(tài)；

（10）保護信息：設備的各種保護事件與保護定值等。

泵站的自動化控制，是使用PLC控制器，通過各數(shù)字量、模擬量的輸入輸出，并進行邏輯編程，實現(xiàn)對現(xiàn)場各執(zhí)行機構(gòu)的自動控制。其主要控制的執(zhí)行機構(gòu)有：

（1）小潛水泵控制：對小潛水泵啟、停控制，實現(xiàn)水泵的灌引水；

（2）閘閥控制：對管路上各閘閥開、關(guān)控制，實現(xiàn)對水流的控制；

（3）電機控制：對供、排水電機的啟、停控制，實現(xiàn)水泵自動運行。

2.2 通訊系統(tǒng)

無人值守泵站通訊主要分為兩部分：現(xiàn)場監(jiān)測、控制信號與PLC之間的通訊；PLC與調(diào)度中心上位機之間的通訊。

城門山銅礦泵站是通過軟啟動器與變頻器實現(xiàn)水泵的啟動，并且具備485通訊［6]接口。電流電壓的采集可通過485通訊模塊實現(xiàn)采集?，F(xiàn)場液位、溫度等監(jiān)測和電機、閘閥等控制與信號采集控制柜之間是通過PLC輸入輸出模擬實現(xiàn)采集控制。信號采集控制柜與PLC控制柜通過光纖傳輸實現(xiàn)通訊。

城門山銅礦各泵站均已實現(xiàn)光纖的鋪設。現(xiàn)場PLC控制柜與調(diào)度中心上位機之間通過光纖傳輸實現(xiàn)通訊。無人值守泵站還包括現(xiàn)場視頻監(jiān)控，該監(jiān)控的信號傳輸也是通過光纖傳輸實現(xiàn)。

為保障光纖通訊中斷時，調(diào)度中心仍能夠采集現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)。結(jié)合城門山銅礦4G無線網(wǎng)絡系統(tǒng)建設項目，實現(xiàn)PLC控制柜與調(diào)度中心上位機之間的無線通訊。該通訊方式作為一種備用方式，確保對各泵站的不間斷監(jiān)控。主要實現(xiàn)方式為：在各泵站現(xiàn)場安裝EG860 CPE（寬帶無線路由器），與礦區(qū)內(nèi)的基站連接完成系統(tǒng)組網(wǎng)，PLC系統(tǒng)可通過網(wǎng)口有線方式或WiFi無線方式接入到該LTE無線網(wǎng)絡，最終可實現(xiàn)PLC與上位機之間的無線通訊。

2.3 遠程監(jiān)控系統(tǒng)

遠程監(jiān)控系統(tǒng)設置在采礦場調(diào)度中心［4]，并配置兩臺工業(yè)計算機和服務器，通過光纖通訊和4G無線網(wǎng)絡通訊，并且基于組態(tài)軟件Intouch軟件平臺，對PLC控制器內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時采集，發(fā)出控制命令并監(jiān)控系統(tǒng)的整體運行。組態(tài)軟件能充分的利用其強大的圖形編輯功能，以動畫的方式直觀的顯示監(jiān)控設備的運行狀態(tài)，方便的構(gòu)成了監(jiān)控畫面和實現(xiàn)控制功能等。

3 泵站自動控制系統(tǒng)設計

根據(jù)城門山銅礦采礦場的現(xiàn)狀，確定對10#坑泵站、+20固定泵站、+30固定泵站、疏干泵站和W泵站作為無人值守泵站的改造對象。因各泵站的硬件設施、控制邏輯方式基本相同，本次以10#坑排水泵站為例進行自動控制系統(tǒng)的設計。

3.1 排水泵站現(xiàn)狀

10號坑排水泵站［2]由2臺單級離心泵、2條排水管路及相應輔助系統(tǒng)組成。水泵等相關(guān)設施安裝在浮筏上，并置于水倉中。水泵吸水管安裝DN300底閥，出水管安裝DN150、PN16閘閥，泵組法蘭為DN150，PN25尺寸。10號坑管路采用DN400鋼絲管骨架復合管鋪設，排水至+20泵站，全程約800m，現(xiàn)場低壓配電室至水泵距離約為300m，水泵采用變頻器控制。

3.2 排水泵站自動控制系統(tǒng)硬件改造

為實現(xiàn)泵站的自動控制，現(xiàn)有設備不滿足需求，需要對硬件進行改造。具體如下：

在浮筏邊安裝一臺潛水泵，用于水泵灌引水；水泵前端安裝補水球閥和排氣閘閥，排氣閘閥上安裝流量開關(guān)，用于灌引水排除水泵空氣及檢測空氣是否排空；水泵出水口更換成電動閘閥；在水泵出水口管路與排水管出水口管路附近分別安裝壓力傳感器、流量計，用于監(jiān)測排水管道的壓力與流量，通過數(shù)據(jù)差值判斷管道是否泄露；在水倉中安裝液位計、濁度儀和pH計，分別用于監(jiān)測水位、水質(zhì)和水倉的酸堿度，并進行判斷是否可以排水；在電機上安裝溫度傳感器和震動傳感器，用于判斷電機運行是否正常；在控制柜上安裝485通訊模塊，用于采集變頻器電壓、電流。

另外，為方便水泵等現(xiàn)場控制和監(jiān)測信號的采集，在水泵周邊安裝一臺信息采集柜，PLC控制柜放置在低壓配電室內(nèi)。信息采集柜與PLC控制柜之間采用光纖通訊。

3.3 PLC邏輯控制設計

（1）水泵正常啟停邏輯控制流程：水倉水位到達設置上限→開啟補水球閥和排氣球閥→開啟潛水泵→監(jiān)測流量開關(guān)有水流出→關(guān)閉補水球閥、停止?jié)撍煤团艢馇蜷y→開啟水泵、打開出水口電動閘閥→水倉水位到達指定下限→關(guān)閉出水口電動閘閥、停止水泵運行；

（2）管路泄露邏輯控制：檢測前后管道壓力差異?；驒z測前后管道流量差異?！袛喙艿佬孤丁Ｖ顾没蚪顾脝樱?/p>

（3）監(jiān)測參數(shù)異常邏輯控制：電機運行溫度、震動、電流、電壓、流量、壓力、水質(zhì)等監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?！⒓搓P(guān)閉閘閥并停止水泵電機運行或者禁止電機啟動，同時進行報警→自診斷，判斷故障→檢修模式。

4 實現(xiàn)的功能

（1）泵站自動控制功能：通過對各泵站執(zhí)行機構(gòu)的邏輯控制，實現(xiàn)各泵站的自動控制；

（2）管道泄露檢測功能：通過對管道壓力差和流量差進行實時監(jiān)控，低于系統(tǒng)設定值時自動報警，實現(xiàn)管道泄露監(jiān)測；

（3）節(jié)能功能：對兩臺水泵運行時間進行均衡調(diào)配，保證水泵均衡使用，延長泵組的使用壽命；保證移峰填谷節(jié)能措施，在保證安全供排水的情況下，系統(tǒng)自動選擇用電平谷期進行供排水；

（4）安全功能：擁有遠端控制和就地控制兩種模式，滿足現(xiàn)場操作的需要，當出現(xiàn)信號中斷后，系統(tǒng)會發(fā)出報警，自動轉(zhuǎn)入自動控制；全方位監(jiān)測供排水各環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)出現(xiàn)異常提前給出預警；嚴格按照水泵啟停的邏輯順序進行正常供排水。

5 結(jié)語

隨著城門山銅礦智能化礦山建設的不斷推進，無人值守泵站建設對礦山的發(fā)展有著重大的意義，改變了現(xiàn)有泵站的管理與運行模式，增強了設備的安全性、可靠性，降低了工人的勞動強度，創(chuàng)造了節(jié)能降耗的經(jīng)濟價值。露天礦山無人值守系統(tǒng)主要利用了組態(tài)軟件、PLC控制、4G無線網(wǎng)絡、視頻監(jiān)控、安全經(jīng)濟運行與管理等關(guān)鍵技術(shù)。該礦智能化礦山建設一期項目設備與工藝智能化組無人值守泵站的系統(tǒng)設計充分考慮了礦山的現(xiàn)狀及需求，克服了地形及距離的影響。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水泵各數(shù)據(jù)監(jiān)測、運行狀態(tài)監(jiān)測、故障報警、故障自診斷與自恢復、自動化控制、遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。在系統(tǒng)后期建設和運行的過程中，不斷進行系統(tǒng)功能的完善與優(yōu)化，摸索自動控制系統(tǒng)的運行與管理經(jīng)驗，最終實現(xiàn)泵站的無人值守。