張曉淼 ，楊成財 ，吳東 ，修德江

（1.鞍鋼集團礦業(yè)設(shè)計研究院有限公司，遼寧 鞍山 114004；2.鞍鋼集團礦業(yè)弓長嶺有限公司燈塔分公司，遼寧 遼陽 111312；3.鞍鋼集團礦業(yè)有限公司眼前山分公司，遼寧 鞍山 114044）

向地球深部進軍是近期和未來我國科技創(chuàng)新的重要方向。目前，地球淺部礦產(chǎn)資源已逐漸枯竭，資源開發(fā)不斷走向地球深部，深部資源開采已成為常態(tài)，現(xiàn)有的大部分露天礦山也將陸續(xù)轉(zhuǎn)入地下開采。地下深部開采需要修建大量礦井，并在井下修建大量巷道。由于降水與地下水的滲透，礦井及巷道會聚集大量礦水，不僅影響生產(chǎn)，還威脅著井下工作人員的健康和安全。礦井排水系統(tǒng)主要是將礦山井下涌出的礦井水及時、可靠、安全地排至地面，是礦井必不可少的主要生產(chǎn)系統(tǒng)之一，其可靠性至關(guān)重要，是井下人員安全工作和機械、電氣設(shè)備良好運轉(zhuǎn)的重要保障。

為了保證鐵礦地下深部開采的安全，實現(xiàn)排水泵高效率、安全可靠的自動化運行，設(shè)計了一種智能高效的礦井排水自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用避峰填谷的用電控制方式，能夠自動判斷和優(yōu)化控制水泵的運行狀態(tài)，本文對此做一介紹。

1 礦井排水自動控制系統(tǒng)設(shè)計方案

礦井井下的涌水量與很多因素有關(guān)，如天氣、地質(zhì)、工藝因素等。排水系統(tǒng)要根據(jù)礦山開采的具體情況進行設(shè)計，影響礦井排水系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)包括礦井的正常涌水量和最大涌水量、礦井水密度、礦井深度等，這些都是原始數(shù)據(jù)。礦井排水自動控制系統(tǒng)由礦井排水系統(tǒng)和礦井排水控制系統(tǒng)組成。

（1）礦井排水系統(tǒng)是由水倉、排水泵、電機、排水管、閥門等組成的蓄水、排水管道網(wǎng)絡(luò)。

（2）礦井排水控制系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控中心、井下PLC控制中心和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)三部分組成。采用的設(shè)備包括：① 地面監(jiān)控中心采用工業(yè)控制計算機MK610、PLC編程軟件博途V15.1、計算機畫面組態(tài)軟件KingView7.0等設(shè)備；② PLC采用S7-1200系列，包括CPU1215C、SM1221數(shù)字量輸入模塊、SM1222數(shù)字量輸出模塊、SM1231模擬量輸入模塊等設(shè)備；③ 數(shù)據(jù)采集采用電流傳感器WB1414S01、振動溫度傳感器TE/VE-101f、電磁流量傳感器7ME5610-6FB15-1AA1、超聲波液位計 7ML51-10-1GD07-4AF3、壓力變送器7MF4033-1DY00-2AB6。

礦井排水自動控制系統(tǒng)硬件組成架構(gòu)見圖1。系統(tǒng)主要采用PLC控制技術(shù)，并結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)，對井下4組排水泵進行無人值守自動控制。在利用觸摸屏對其運行狀態(tài)進行實時監(jiān)視、控制及報警的同時，通過工業(yè)以太網(wǎng)將相關(guān)數(shù)據(jù)實時傳送到地面監(jiān)控中心，實現(xiàn)對該控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控及調(diào)度。系統(tǒng)通過液位傳感器采集水倉水位，并綜合其他相關(guān)參數(shù)，實時調(diào)度4組水泵進行輪流工作，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況決定水泵的啟動組數(shù)。水泵的運行狀態(tài)及傳感器的檢測數(shù)值通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸回地面的上位機監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 礦井排水自動控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture Diagram for Automatic Control System of Mine Drainage

2 系統(tǒng)控制方式和功能

礦井排水自動控制系統(tǒng)通過PLC自動化控制排水系統(tǒng)，可實時監(jiān)控各組水泵的各種工況參數(shù)，包括水倉液位、水泵軸承溫度、泵座振動、泵口壓力、排水管道流量、電機電流、電機繞組溫度等，并按照設(shè)定的程序?qū)崿F(xiàn)水泵的自動啟停和故障報警。

本控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)3種控制方式：自動控制、遠程控制和本地手動。

（1）自動控制。采用該方式時無需人工操作，通過將各傳感器采集到的狀態(tài)信息傳輸給PLC控制中心，由PLC控制器按照設(shè)定的程序，產(chǎn)生控制指令，實現(xiàn)自動控制排水系統(tǒng)的啟停、水泵機組的調(diào)度、工作狀態(tài)的實時監(jiān)控、故障報警等功能。

（2）遠程控制。通過上位機的動態(tài)畫面監(jiān)控排水系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)實時監(jiān)視、報警，數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和打印，以及歷史數(shù)據(jù)記錄等功能，從而實現(xiàn)對排水系統(tǒng)水泵機組的遠程調(diào)控。

（3）本地手動。操作人員可以在本地操作臺直接控制排水系統(tǒng)的運行，并通過操作臺觸摸屏上的人工界面實時檢測排水系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

3 系統(tǒng)控制過程

礦井排水自動系統(tǒng)由4組排水泵組成，在地面監(jiān)控中心上位機上設(shè)有組態(tài)畫面，組態(tài)畫面上可實時顯示4組水泵和電機的運行狀態(tài)、各個閥門的開關(guān)狀態(tài)以及各個傳感器的檢測數(shù)據(jù)。在所有傳感器檢測的數(shù)據(jù)中，水倉液位數(shù)據(jù)最為重要，在水倉的不同位置分別設(shè)置兩個液位傳感器，在狀態(tài)畫面中以圖形和數(shù)字實時準確顯示液位的變化趨勢和速度，并對液位所在的液位段改變顏色和閃爍突出。對于各種設(shè)備故障和超限報警，系統(tǒng)會自動記錄所產(chǎn)生的設(shè)備故障或超限種類、等級、產(chǎn)生的時間等歷史數(shù)據(jù)，并形成報表。報警部位以紅色閃爍警示相關(guān)人員進行處理，以免發(fā)生事故，造成損失。系統(tǒng)的組態(tài)畫面通過模擬仿真功能，可實時直觀反映整個系統(tǒng)的生產(chǎn)過程，并以實時數(shù)據(jù)反映現(xiàn)場設(shè)備的實際運行工況。

控制系統(tǒng)采用避峰填谷的用電控制方案，當系統(tǒng)為自動控制模式時，主要依據(jù)水倉的液位信息及其他相關(guān)參數(shù)確定4組排水泵啟?？刂品桨?。根據(jù)礦井生產(chǎn)工藝要求，設(shè)定5級水倉液位限值，分別為下限值H、一級啟動值H、二級啟動值H、三級啟動值 H、超限啟動值 H，且 H＜H＜H＜H＜H。 PLC 讀取水倉液位值，計算液位上升到下一級啟動值的時間，并與達到用電低谷時段的時間比較，以確定水泵啟動的數(shù)量。設(shè)t為液位上升到H的時間，t為達到低谷時段的時間。礦井排水自動控制系統(tǒng)流程見圖2。由圖2看出，此系統(tǒng)可有效地將排水時間安排在用電低谷時間段，降低用電量，節(jié)約生產(chǎn)成本；同時盡可能減少水泵的啟停次數(shù),降低作業(yè)人員勞動強度。

圖2 礦井排水自動控制系統(tǒng)流程Fig.2 Flow Chart for Automatic Control System of Mine Drainage

4 結(jié)語

隨著淺層資源的不斷枯竭，礦井開采的深度也在不斷增加，投入建設(shè)和生產(chǎn)的超千米深礦井也越來越多，部分深礦井涌水量較大，排水費用巨大。應用鐵礦深部開采礦井排水自動控制系統(tǒng)，并采用避峰填谷的用電控制方案，按用電的峰谷時段對排水系統(tǒng)的工作進行優(yōu)化，通過科學計算，有效的將排水時間安排在用電的低谷時間段，可使排水系統(tǒng)實現(xiàn)精準作業(yè)，降低用電量，減少排水泵的啟停次數(shù)，降低作業(yè)人員勞動強度，節(jié)約生產(chǎn)成本，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。