李祖榮，楊翀鈺，朱全政，匡正平，施建明，侯志永，趙連喜

(1.中核韶關(guān)錦原鈾業(yè)有限公司，廣東 韶關(guān) 512026；2.北京博瑞賽科技有限責(zé)任公司，北京 101149；3.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

隨著中國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)由高速發(fā)展階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，傳統(tǒng)粗放、高能耗的企業(yè)不斷向精細(xì)化方向發(fā)展。針對(duì)礦業(yè)工程建設(shè)和發(fā)展的研究也越來越精細(xì)，礦山企業(yè)不斷向綠色化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。礦山井下排水是礦井安全生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，目前國(guó)內(nèi)礦井普遍采用人工排水法來完成井下排水[1]。排水系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化發(fā)展是當(dāng)今礦業(yè)企業(yè)發(fā)展的主流方向。

棉花坑礦井是中核韶關(guān)錦原鈾業(yè)有限公司的主要生產(chǎn)礦井。隨著采礦不斷向深部延伸，礦井通風(fēng)阻力、排水量不斷增大，生產(chǎn)成本也不斷增加。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上優(yōu)化配置資源，節(jié)能降耗，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效，是企業(yè)發(fā)展的必由之路[2]。礦井設(shè)備的自動(dòng)化是礦山企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的有效手段，基于水泵自動(dòng)化控制的智能排水技術(shù)的應(yīng)用無(wú)疑是礦井設(shè)備自動(dòng)化的有力推手。

1 礦井排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

棉花坑礦井分多中段生產(chǎn)，中段高度為50 m，目前礦井處于深部開采階段，最低中段為-150 m中段。礦井主排水系統(tǒng)采用二級(jí)接力式排水，0 m及其以下中段的涌水通過中段排水溝和泄水孔自流至-150 m中段主水倉(cāng)，然后通過-150 m中段主排水泵排至50 m中段主水倉(cāng)；50 m中段及以上中段涌水通過中段排水溝和泄水孔自流至50 m中段主水倉(cāng)。匯合后的所有礦井水通過50 m中段主水泵排至304 m中段水倉(cāng)，304 m中段礦井水通過管道自流至礦井水處理車間，處理達(dá)標(biāo)后外排。

棉花坑礦井地質(zhì)水文條件簡(jiǎn)單，涌水量比較穩(wěn)定，涌水量為4 800 m3/d。井下排水作業(yè)采用人工現(xiàn)場(chǎng)控制，每天安排2班次排水，每班排水5 h。啟動(dòng)柜只有熱繼電器保護(hù)，不利于排水泵的保護(hù)和錯(cuò)峰用電，排水系統(tǒng)如圖1所示。

1.1 -150 m中段水泵主要參數(shù)

-150 m中段主排水泵參數(shù)、數(shù)量、管道管徑、水泵排空方式等情況見表1。

表1 -150 m中段主排水泵基本情況

1.2 50 m中段水泵主要參數(shù)

50 m中段主排水泵參數(shù)、數(shù)量、管道管徑、水泵排空方式等基本情況見表2。

表2 50 m中段主排水泵基本情況

2 排水系統(tǒng)存在的問題

棉花坑礦井主排水系統(tǒng)采用人工控制排水泵作業(yè)，該種作業(yè)方式需根據(jù)礦井涌水量安排固定班次進(jìn)行排水作業(yè)，水泵工每班將水倉(cāng)的水位排至最低點(diǎn)后停泵。

排水操作：1)水泵工依次打開噴射泵進(jìn)水閘閥、水泵排氣閘閥，同時(shí)觀察真空表讀數(shù)，當(dāng)真空表讀數(shù)達(dá)到要求后(-0.5 MPa)，依次關(guān)閉水泵排氣閘閥和噴射泵進(jìn)水閘閥，啟動(dòng)水泵運(yùn)行；2)當(dāng)水泵出口壓力達(dá)到要求后(-150 m中段2.0 MPa，50 m中段2.6 MPa)，打開水泵出水口閘閥進(jìn)行排水作業(yè)；3)當(dāng)水倉(cāng)水位降至低水位時(shí)，關(guān)閉水泵出水口閘閥，停止水泵運(yùn)行。

上述人工控制排水作業(yè)存在幾個(gè)問題：1)操作過程比較復(fù)雜，可靠性較差，對(duì)水泵工的操作熟練程度和責(zé)任性要求較高，操作失誤會(huì)影響軟啟動(dòng)器和水泵的使用壽命；2)人工操作勞動(dòng)強(qiáng)度大，需要進(jìn)行多個(gè)閘閥的操作，特別是排水泵出口閘閥，需要配合使用管鉗才能開關(guān)閥門；3)現(xiàn)場(chǎng)控制保護(hù)簡(jiǎn)單，只有熱繼電器保護(hù)，發(fā)生故障時(shí)不能及時(shí)停止水泵運(yùn)行和發(fā)出報(bào)警信號(hào)；4)排水時(shí)間與錯(cuò)峰用電安排困難，在遇到突發(fā)涌水時(shí)，應(yīng)變能力差；5)人工成本較高，作業(yè)時(shí)水泵房需安排專人值守，以便在排水系統(tǒng)異常情況時(shí)能及時(shí)停止排水作業(yè)并向工區(qū)調(diào)度匯報(bào)。

3 改進(jìn)方案

針對(duì)上述問題，兼顧排水系統(tǒng)接入數(shù)字化、智能化礦山的系統(tǒng)規(guī)劃，對(duì)棉花坑礦井排水系統(tǒng)進(jìn)行了自動(dòng)化智能改造升級(jí)。

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)置

根據(jù)棉花坑礦井井下排水現(xiàn)狀，每個(gè)水泵硐房均配置1臺(tái)PLC控制柜做現(xiàn)場(chǎng)控制分站，控制柜內(nèi)均由西門子S7-1200系列PLC實(shí)現(xiàn)控制功能。選配的儀表類型有電壓、電流、溫度、振動(dòng)、流量、壓力、液位等。執(zhí)行器件為電動(dòng)球閥。硬件系統(tǒng)設(shè)置如圖2所示。

為了提高系統(tǒng)的實(shí)用性，在設(shè)計(jì)中留設(shè)網(wǎng)絡(luò)接口，可以將從水泵采集的數(shù)據(jù)傳遞到地面的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[3-4]。系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，通過光纖將數(shù)據(jù)上傳至礦調(diào)度集控中心，在調(diào)度集控中心設(shè)置遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)。各個(gè)硐室相互獨(dú)立，可以獨(dú)立運(yùn)行，防止因某個(gè)獨(dú)立故障引起整個(gè)控制系統(tǒng)的崩潰，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。井下水泵控制系統(tǒng)選用超聲波液位計(jì)作為液位檢測(cè)元件，并增設(shè)液位強(qiáng)制保護(hù)開關(guān)。液位開關(guān)下限被觸發(fā)時(shí)，強(qiáng)制關(guān)閉所有排水泵，防止水泵空轉(zhuǎn)；液位開關(guān)上限被觸發(fā)時(shí)，強(qiáng)制啟動(dòng)所有在用水泵快速排水，防止淹井事故發(fā)生。

軟啟動(dòng)柜由原電控柜改造而成。在柜面上增設(shè)遠(yuǎn)程/就地轉(zhuǎn)換開關(guān)，可切換系統(tǒng)控制模式(遠(yuǎn)程控制、就地控制)，就地控制模式與原啟動(dòng)方式相同。遠(yuǎn)程模式可通過上位機(jī)對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，切換系統(tǒng)運(yùn)行模式(半自動(dòng)、全自動(dòng))。遠(yuǎn)程自動(dòng)模式可根據(jù)水倉(cāng)液位、時(shí)間段及涌水量自動(dòng)選擇水泵數(shù)量及啟停；遠(yuǎn)程手動(dòng)模式可單獨(dú)對(duì)每臺(tái)水泵和球閥實(shí)現(xiàn)啟?？刂?。通過設(shè)置水泵工作模式(運(yùn)行、停止、檢修)，實(shí)現(xiàn)水泵和閥門遠(yuǎn)程集中控制[5]。中段水泵智能控制界面如圖3所示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

為了更好地提高設(shè)備效率和可操作性，減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低動(dòng)力消耗，從以下幾個(gè)方面考慮棉花坑礦井主排水系統(tǒng)的控制邏輯。

3.2.1 引水設(shè)計(jì)

采用原有的水射流系統(tǒng)進(jìn)行引水。先開啟射流水源電動(dòng)球閥，使高壓射流水源進(jìn)入射流泵，并開啟水泵排氣口電動(dòng)球閥進(jìn)行射流；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到真空度及水流信號(hào)滿足開泵條件后，在出水口電動(dòng)閘閥關(guān)閉的情況下，啟動(dòng)主水泵電機(jī)；當(dāng)主水泵正常運(yùn)行后，先關(guān)閉水泵排氣口電動(dòng)球閥，待完全關(guān)閉后再關(guān)閉其他電動(dòng)球閥。

3.2.2 操作閥控制設(shè)計(jì)

操作閥即水泵出水口的電動(dòng)閘閥，該閥門在排水泵啟動(dòng)前需要處于關(guān)閉狀態(tài)。為了降低啟動(dòng)電流，只有當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到該閥門關(guān)到位的信號(hào)后，方可啟動(dòng)排水泵。關(guān)泵時(shí)，首先關(guān)閉操作閥，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到該閥門關(guān)到位的信號(hào)后，方可關(guān)閉排水泵電機(jī)。

3.2.3 主排水泵啟動(dòng)設(shè)計(jì)

電機(jī)的啟動(dòng)利用原有軟啟動(dòng)柜內(nèi)的軟啟動(dòng)器，通過遠(yuǎn)程控制端子的方式實(shí)現(xiàn)。電機(jī)的啟動(dòng)、停止、故障等遠(yuǎn)程控制端子通過硬接線的方式接入對(duì)應(yīng)水泵的就地控制柜，無(wú)論是在自動(dòng)狀態(tài)還是手動(dòng)狀態(tài)，均通過就地控制柜的輸出對(duì)水泵電機(jī)的啟、停進(jìn)行控制。手動(dòng)、自動(dòng)的切換是通過就地控制柜內(nèi)的切換開關(guān)完成。在自動(dòng)狀態(tài)下接收PLC集中控制柜的信號(hào)進(jìn)行控制，在手動(dòng)狀態(tài)下，通過就地控制柜面板上的按鈕進(jìn)行控制。

3.2.4 電參數(shù)檢測(cè)設(shè)計(jì)

增設(shè)電流、電壓變送器，并將信號(hào)接入PLC控制柜。電機(jī)運(yùn)行過程中需要檢測(cè)的電參數(shù)包括：電流、電壓。系統(tǒng)采用上位機(jī)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)參數(shù)顯示(圖4)，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示水倉(cāng)水位、水泵流量、水泵出水口壓力、電機(jī)電流、電壓及水泵電機(jī)、電動(dòng)球閥的工作狀態(tài)。超限報(bào)警時(shí)，故障畫面自動(dòng)彈出，故障點(diǎn)自動(dòng)閃爍；并具有故障記錄，歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，可以做出曲線和報(bào)表，方便管理人員做出正確判斷，然后向可編程控制器發(fā)出控制命令。

3.2.5 工作方式設(shè)計(jì)

設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)就地控制、遠(yuǎn)程半自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程全自動(dòng)無(wú)人值守控制3種工作方式。現(xiàn)場(chǎng)就地控制與原啟動(dòng)方式一致，需要手動(dòng)開啟各種閥門，按下啟停按鈕實(shí)現(xiàn)排水泵啟停。遠(yuǎn)程半自動(dòng)控制只需在上位機(jī)Wincc界面上按啟或停按鈕，實(shí)現(xiàn)排水泵自動(dòng)排氣、自動(dòng)啟停水泵。全自動(dòng)無(wú)人值守控制只需按下全自動(dòng)按鈕，排水泵自動(dòng)根據(jù)水倉(cāng)液位情況和時(shí)間段進(jìn)行自動(dòng)排水作業(yè)和自動(dòng)選擇排水泵臺(tái)數(shù)，并實(shí)現(xiàn)上下級(jí)開泵臺(tái)數(shù)和水倉(cāng)水位聯(lián)動(dòng)。

3.3 智能控制功能設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制功能，達(dá)到智能排水的目的，主要從設(shè)備工作狀態(tài)評(píng)估、設(shè)備故障預(yù)判、水位變化情況預(yù)估、能源利用管理、自動(dòng)輪換工作等幾個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)。

3.3.1 設(shè)備工作狀態(tài)評(píng)估

利用電壓、電流、溫度、振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障原因，并做出合理改進(jìn)。

3.3.2 設(shè)備故障預(yù)判

實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、電壓、電流、電機(jī)溫度等參數(shù)，并上傳至調(diào)度集控中心，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)的預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，并對(duì)出現(xiàn)的故障報(bào)警[6]。通過可查詢的故障代碼，可精確指出故障部位及相關(guān)解決方法，方便維修人員快速處理。

3.3.3 水位變化情況預(yù)估

引入水倉(cāng)進(jìn)水量變化率概念，對(duì)水位進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)中段水倉(cāng)的聯(lián)動(dòng)控制。通過監(jiān)測(cè)水倉(cāng)水位和水泵的運(yùn)行狀況，可以計(jì)算出礦井的涌水量和排水能力，也可以監(jiān)測(cè)礦井的涌水是否正常。當(dāng)涌水量異常、出現(xiàn)涌水量大于排水量時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)其他在用水泵進(jìn)行緊急排水并發(fā)出報(bào)警。

3.3.4 能源利用管理

通過液位(高液位、工作高液位、工作低液位、低液位)與電價(jià)峰谷時(shí)間段(峰、平、谷期)的設(shè)置，由計(jì)算機(jī)根據(jù)水倉(cāng)液位、涌水量、排水量實(shí)現(xiàn)礦井排水最佳能耗控制。在高電價(jià)時(shí)段，在保證水位在警戒水位(高液位)以下的前提下，盡可能避免排水泵運(yùn)行；在平電價(jià)時(shí)段，在保證水位在警戒水位(工作高液位)以下的前提下，盡可能減少排水泵運(yùn)行時(shí)間；在低電價(jià)時(shí)段，根據(jù)水倉(cāng)水位、涌水情況和排水量情況，合理啟動(dòng)水泵臺(tái)數(shù)，最大限度將水倉(cāng)的水排出，留出更大的水倉(cāng)容積收集高電價(jià)和平電價(jià)時(shí)段的涌水。

3.3.5 自動(dòng)輪換工作

系統(tǒng)可控制各水倉(cāng)多臺(tái)泵自動(dòng)輪換工作。控制程序?qū)⑺脝⑼４螖?shù)、運(yùn)行時(shí)間、水泵狀況、流量等參數(shù)自動(dòng)記錄并統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)智能根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)自動(dòng)切換運(yùn)行水泵，使各水泵及閥門的使用率分布均勻，避免出現(xiàn)備用排水泵及其電氣設(shè)備、閥門、管道等因長(zhǎng)期不用而出現(xiàn)受潮、銹蝕、動(dòng)作不靈敏等故障。實(shí)現(xiàn)故障及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)報(bào)警、及時(shí)處理，達(dá)到所有排水泵、電氣設(shè)備都處于完好狀態(tài)，確保礦井排水安全。

3.3.6 水泵效率評(píng)估

通過對(duì)每臺(tái)水泵“百米噸水耗電量”的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行量化衡量。通過對(duì)比同等時(shí)間的電耗，可以監(jiān)測(cè)排水系統(tǒng)整體運(yùn)行效果，對(duì)水泵運(yùn)行效率等提前評(píng)價(jià)，對(duì)系統(tǒng)隱患及早預(yù)警和處理。

3.3.7 采取開放式網(wǎng)絡(luò)

開放的以太網(wǎng)通訊模式，便于后期實(shí)現(xiàn)多個(gè)水泵房(深部開拓后建設(shè)的水泵)、風(fēng)機(jī)房的聯(lián)動(dòng)自動(dòng)化控制接入。在接入數(shù)字化礦山系統(tǒng)時(shí)，無(wú)需重復(fù)投資。

4 效果評(píng)價(jià)

4.1 增強(qiáng)排水系統(tǒng)的自我防護(hù)功能

通過振動(dòng)、溫度、壓力、液位等傳感器對(duì)水泵的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，在發(fā)現(xiàn)水泵運(yùn)行異常時(shí)，馬上停止水泵運(yùn)行；同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)備用水泵進(jìn)行排水作業(yè)和發(fā)出報(bào)警、記錄故障信息。系統(tǒng)智能控制水泵進(jìn)行“輪流工作”，防止水泵長(zhǎng)期不運(yùn)行引發(fā)故障。

通過報(bào)警自診斷功能，實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、電壓、電流、電機(jī)溫度等運(yùn)行數(shù)據(jù)，并上傳至調(diào)度集控中心，比對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行預(yù)警；對(duì)已出現(xiàn)的故障，報(bào)警并精確指出故障部位及相關(guān)解決方法。

通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和對(duì)比每臺(tái)水泵的耗電量，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行量化衡量，監(jiān)測(cè)水泵運(yùn)行情況和排水系統(tǒng)整體運(yùn)行效果。

安裝超聲波液位計(jì)檢測(cè)水倉(cāng)水面位置，并把水面位置實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇LC上，當(dāng)水面位置達(dá)到設(shè)置值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)或停止水泵運(yùn)行；并通過水面位置變化率監(jiān)測(cè)礦井的涌水是否正常。當(dāng)涌水異常時(shí)，聯(lián)動(dòng)上下級(jí)開泵數(shù)量，確保礦井排水安全。

4.2 節(jié)約人工成本

應(yīng)用人工智能技術(shù)，可以優(yōu)化生產(chǎn)、流通及交換的過程，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，在很大程度上減少人力成本的投入，大大提高工作效率[7]。改造前水泵啟動(dòng)和停止由人工井下現(xiàn)場(chǎng)控制，需要水泵工共4人，每人年薪8萬(wàn)元；改造后水泵啟動(dòng)和停止由PLC通過采集超聲波液位計(jì)數(shù)值并結(jié)合電價(jià)時(shí)間段進(jìn)行智能控制，只需要1名水泵工進(jìn)行巡查即可，每年可節(jié)省人工成本約24萬(wàn)元。

4.3 降低動(dòng)力成本

改造后，減少了水泵在電價(jià)高峰期的運(yùn)行時(shí)間，增加了水泵在電價(jià)平段、低谷期的運(yùn)行時(shí)間(表3)。按照近3年主排水泵平均動(dòng)力消耗202萬(wàn)kW·h計(jì)算，改造后可節(jié)省動(dòng)力費(fèi)用49.37萬(wàn)元/年，能源消耗降低24.4%。

4.4 便于排水系統(tǒng)管理和后期擴(kuò)展

監(jiān)控系統(tǒng)通過圖形動(dòng)態(tài)顯示水泵、電動(dòng)閥、水倉(cāng)水位等運(yùn)行狀態(tài)而且采用不同顏色區(qū)分顯示不同狀態(tài)。監(jiān)控系統(tǒng)可存儲(chǔ)各臺(tái)設(shè)備的臺(tái)賬資料、性能情況、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及明細(xì)，并且具備管理報(bào)表自動(dòng)生成、存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、打印等功能。

表3 改造前后水泵運(yùn)行時(shí)間段

系統(tǒng)自動(dòng)化改造采用開放的以太網(wǎng)通訊模式，便于后期礦山系統(tǒng)自動(dòng)化的擴(kuò)展和集成需求，也能滿足數(shù)字化礦山系統(tǒng)建設(shè)需求。

5 結(jié)論

棉花坑礦井采用智能化排水系統(tǒng)，降低了人工和能源動(dòng)力費(fèi)用，從根本上提高了礦井排水系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，降低了能源消耗。棉花坑礦井排水系統(tǒng)自動(dòng)化的成功改造，為下一步數(shù)字化礦山建設(shè)打下良好基礎(chǔ)，提供了可借鑒經(jīng)驗(yàn)。