何斌全，馬崇振，王振倫，李 紅，肖輝勇，熊 偉

（1.湖南柿竹園有色金屬有限責任公司，湖南 郴州 423037；2.長沙礦冶研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012）

礦業(yè)的發(fā)展已經步入一種新常態(tài)，其發(fā)展背景隨著國家經濟結構的深度調整，“三低一高”成為當前的新常態(tài)，低增長、低效益、低價格、高壓力等迫使礦企去改變，在觀念、管理、技術等各方面想方設法實現(xiàn)創(chuàng)新與突破。

隨著新一代的信息技術“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的來臨，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、GIS的大潮已經來襲［1］，世界各國伴隨著新一代信息技術帶動智慧礦山體系的不斷發(fā)展，為礦企提供了嶄新的可持續(xù)發(fā)展契機。因此將礦山中各系統(tǒng)進行改造整合，進而實現(xiàn)各自動化系統(tǒng)的就地及遠程控制，如風機遠程控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、井下排水系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、礦石運輸控制系統(tǒng)、井下壓風系統(tǒng)等，達到提高生產管控水平、強化安全管理、提升生產指揮能力的目標［2，3］。

1 就地和遠程多級控制

1.1 控制級別

湖南柿竹園有色金屬有限責任公司綜合監(jiān)控系統(tǒng)分為三級監(jiān)控：集控平臺、區(qū)域管控中心、就地控制。

當柿竹園綜合監(jiān)控系統(tǒng)在集控平臺全部不能監(jiān)控，系統(tǒng)將在區(qū)域管控中心提供硬線或獨立完整的控制通道，操作員可直接向關鍵的子系統(tǒng)發(fā)出重要的監(jiān)控命令，以保證設備的正常、安全運營。

1.1.1 權限分配

綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過集中權限管理實現(xiàn)全線的權限管理一致性。系統(tǒng)將根據(jù)用戶運營的最終需求定義用戶權限表。對每類用戶，權限表定義了該權限對應的綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要設備類、子系統(tǒng)的權限類型［4］。

集控平臺位于控制中心，主要服務對象是控制中心的各種專業(yè)調度人員。中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)HMI啟動后默認為瀏覽級狀態(tài)。默認瀏覽級可以對各個專業(yè)狀態(tài)和報警進行瀏覽，不能進行任何的設定、控制操作。

區(qū)域集控中心級綜合監(jiān)控系統(tǒng)位于采礦場/選礦廠/尾礦庫，主要服務對象是采礦場/選礦廠/尾礦庫值班員。區(qū)域集控中心級綜合監(jiān)控系統(tǒng)HMI啟動后默認為瀏覽級狀態(tài)。

1.1.2 用戶權限級別管理

操作人員登錄系統(tǒng)后，系統(tǒng)根據(jù)操作員級別對應專業(yè)的權限，開放對應的界面和操作。安全控制必須經過授權，只有具備相應權限的人才能執(zhí)行相應的控制。

系統(tǒng)管理員能夠在線給其他用戶分配操作權限。綜合監(jiān)控系統(tǒng)允許賦予各專業(yè)特別的權限類型，允許他們在線修改模擬量的上下限。

1.2 控制權限移交設計

綜合監(jiān)控系統(tǒng)大部分控制操作是分布式的：每個區(qū)域集控中心有一對實時服務器用來管理所有區(qū)域集控中心子系統(tǒng)，集控平臺另有一對實時服務器用于處理重大操作。少數(shù)子系統(tǒng)僅需一個控制點。但從安全性和可用性角度考慮，大多數(shù)子系統(tǒng)只能被本地區(qū)域集控中心和集控平臺控制。

1.3 詳細功能描述

1.3.1 控制權限移交

集控平臺/區(qū)域集控中心的控制權限移交狀態(tài)轉移邏輯如圖1所示［5，6］。

圖1 集控平臺/區(qū)域集控中心的權限移交狀態(tài)轉移圖

手動移交權限時，由具有控制權的一方發(fā)起權限移交請求，接收方需確認接受控制權限后才發(fā)生權限移交，如果接收方拒絕則不發(fā)生權限移交。

集控平臺具有對區(qū)域集控中心、PLC控制柜的強制取回權限，區(qū)域集控中心具有對PLC控制柜的強制取回權限（緊急情況下）。對于PLC控制柜，綜合監(jiān)控系統(tǒng)中將它們看做一體。若設備的控制位置在就地或現(xiàn)場操作平臺，則具有較高的控制優(yōu)先級。

1.3.2 權限移交條件

如設備控制被屏蔽，控制權限手動移交時系統(tǒng)自動給出“XX開關被屏蔽”的提示信息，操作員需解除屏蔽后再進行權限移交；控制權限自動移交時，系統(tǒng)不提示開關被屏蔽的信息；控制權限自動移交后，保持原來的屏蔽狀態(tài)。

如設備控制被掛牌，控制權限手動移交時系統(tǒng)自動給出“XX開關被掛牌”的提示信息，操作員需解除掛牌后再進行權限移交；控制權限自動移交時，系統(tǒng)不提示開關被掛牌的信息；控制權限自動移交后，保持原來的掛牌狀態(tài)。

2 應用實踐

2.1 采場自動控制現(xiàn)狀

2.1.1 風機控制系統(tǒng)

目前的風機控制系統(tǒng)，僅能實現(xiàn)對三個主扇進行遠程合閘、啟停和變頻調速的操作控制，同時可對主扇及其電機的運行狀態(tài)、故障信號、電壓、電流、頻率、功率等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控和相關歷史數(shù)據(jù)查詢。

2.1.2 供電系統(tǒng)

采礦場10 kV高壓配電室，配置了高壓后臺電力監(jiān)控系統(tǒng)，已具備遙測、遙信、遙控、遙調功能，可實時監(jiān)測由綜合保護器提供的供電系統(tǒng)的電壓、電流、有功功率、電量等電力參數(shù)；可實時反映開關的分、合閘狀態(tài)，包括開關運行參數(shù)、正常、事故遙信變位；可實現(xiàn)系統(tǒng)相關回路的開關斷路器的遙控分、合閘操作。

2.1.3 井下排水系統(tǒng)

采礦場排水系統(tǒng)，具備一定程度的自動化，可在中控室對井下集水池2臺主水泵及1臺備用泵及外圍開關閥門進行遠程控制，具備一鍵啟停功能，但還有許多功能待完善。

2.1.4 井下壓風系統(tǒng)

壓風系統(tǒng)通常由空氣壓縮機、送氣管路、閥門、汽水分離器、壓風自救裝置等組成。當發(fā)生災害或有災害預兆時，井下逃生人員可利用壓風自救裝置，實現(xiàn)自救。目前采礦場壓風機房設置在490和620中段，現(xiàn)場設備未見預留對外通訊的通訊接口，操作通過設備觸摸屏面板實現(xiàn)。

井下采掘面通道放置有移動式空氣壓縮機，電控部分為繼電器控制，未設計PLC控制器，通過手動按鈕操作。整個坑口的供風均由上述兩個壓風機房提供，壓風自救系統(tǒng)與生產壓風系統(tǒng)共用管道，送氣管網(wǎng)已建設完畢。

2.1.5 礦石運輸系統(tǒng)

采場出礦后經鏟運機運輸至溜井放礦，經井下礦用汽車運輸至井下破碎車間礦倉，破碎后再由皮帶運輸至選廠。設備的控制通過現(xiàn)場手動實現(xiàn)起停控制。皮帶運輸系統(tǒng)采用了西門子PLC控制系統(tǒng)，在井上控制室可遠程控制運輸系統(tǒng)的啟停及運行數(shù)據(jù)監(jiān)測。

2.2 多級控制設計方案

多級控制設計方案的主要內容為：優(yōu)化完善各子系統(tǒng)的檢測控制功能；完善各系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通訊的軟硬件接口；各子系統(tǒng)能夠在采場中實現(xiàn)控制室遠程監(jiān)控與操作；各子系統(tǒng)能夠穩(wěn)定良好的與集控平臺系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)通訊。

2.2.1 風機遠程控制系統(tǒng)

通過將礦井風機的運行狀態(tài)采集與計算機處理，對礦井通風實現(xiàn)智能檢測與控制，實現(xiàn)以機電控制技術、計算機技術和網(wǎng)絡信息技術進行控制，改善風機的正常運行和井下通風系統(tǒng)穩(wěn)定，保證通風系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在遠程控制模式下，遠程監(jiān)控平臺可以操作風機啟動、停止，指定每臺風機變頻或工頻運行，可以指定變頻運行下的運行頻率，監(jiān)控風機的運行狀態(tài)［7］。

系統(tǒng)功能：

1.系統(tǒng)具備多種控制模式：遠程自動、遠程手動、就地手動三種系統(tǒng)操作模式。

2.集控平臺系統(tǒng)關于通風系統(tǒng)應具備東波多金屬采礦場和柴山采礦場現(xiàn)有風機遠程控制系統(tǒng)的所有檢測和控制功能。

3.對系統(tǒng)內壓力、溫度、振動、電量、頻率等儀表信號具有記錄、報警、曲線、查詢等功能。

4.實現(xiàn)通風系統(tǒng)的集中監(jiān)控與集中管理。

2.2.2 供電系統(tǒng)

采礦場10 kV高壓配電室位于井下，采場現(xiàn)場無高壓后臺電力監(jiān)控系統(tǒng)，但在礦部調度監(jiān)控中心可以實現(xiàn)遙測、遙信、遙控功能，因此在柴山采礦場中控室增加高壓后臺電力監(jiān)控系統(tǒng)，以方便值班操作人員在井上控制室遠程集中監(jiān)控與操作。

系統(tǒng)功能：

1.監(jiān)控中心能夠監(jiān)控所有電力線路的實時數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)和故障記錄情況。

2.監(jiān)控中心可以對變電所每臺開關的遙控分、合閘進行整定操作和定值讀取，實現(xiàn)“五遙”功能。

3.實現(xiàn)對電力系統(tǒng)報表、歷史曲線、故障信息等進行綜合查詢。

4.實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的集中監(jiān)控與集中調度管理。

2.2.3 井下排水系統(tǒng)

針對采礦場的井下排水系統(tǒng)，通過對現(xiàn)有的水泵控制系統(tǒng)進行改造，運用PLC控制技術、在線監(jiān)測、智能管控技術，實現(xiàn)主排水泵的運行監(jiān)測、智能控制、遠程監(jiān)控等功能，達到主排水泵安全高效運行和無人值守的目的［8］。

系統(tǒng)功能：

1.系統(tǒng)具備遠程自動、遠程手動、就地自動、就地手動四種系統(tǒng)操作模式。

2.系統(tǒng)具備聲光報警、聯(lián)鎖控制、一鍵啟停等控制功能。

3.系統(tǒng)具備HMI人機界面展示與操作，運行數(shù)據(jù)、故障信息記錄與查詢等功能。

2.2.4 井下壓風系統(tǒng)

目前各臺設備操作分散，無法集中監(jiān)控各臺設備的運行狀況，現(xiàn)場操作環(huán)境噪聲較大，不利于長時間值守。因此，設計在中控室增加操作站，采用集控平臺系統(tǒng)，下位機利用設備現(xiàn)有PLC控制器，將各臺設備的檢測與控制功能統(tǒng)一集成到系統(tǒng)平臺上來，實現(xiàn)集中監(jiān)控與操作，另外，壓風控制子系統(tǒng)預留好與集控平臺系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通訊的軟硬件接口。

系統(tǒng)功能：

1.系統(tǒng)具備多種控制模式。

2.設備遠程集中監(jiān)視控制，設備運行狀態(tài)信息顯示。

3.空氣壓縮機系統(tǒng)壓力、溫度、流量等儀表檢測信號的記錄、報警、曲線、查詢等。

4.遠程設置參數(shù)的遙調功能。

5.系統(tǒng)HMI人機界面展示與操作。

2.2.5 礦石運輸系統(tǒng)

采場出礦后經鏟運機運輸至溜井放礦，經井下礦用汽車運輸至井下破碎車間礦倉，經顎式破碎機破碎后，經皮帶輸送至選礦廠。針對采礦場井下粗碎車間，設計增加PLC自動化控制系統(tǒng)，對車間內振動放礦機、顎式破碎機、收塵器等設備進行遠程控制，實現(xiàn)就地和井上遠程集中監(jiān)視控制，同時預留好與集控平臺進行數(shù)據(jù)通訊的軟硬件接口。

3 結 論

本文針對湖南柿竹園有色金屬有限責任公司礦山控制系統(tǒng)就地及遠程操控，首先闡述了就地和遠程多級控制的權限分配及移交等相關的技術和標準，并通過現(xiàn)場調研梳理了采場自動化系統(tǒng)現(xiàn)狀，將現(xiàn)有技術與采場六大系統(tǒng)進行融合，提出了建立礦山控制系統(tǒng)就地及遠程操控建議方案。

1.將綜合監(jiān)控系統(tǒng)設計為三級監(jiān)控：集控平臺、區(qū)域管控中心、就地控制，并詳細介紹了就地和遠程多級控制權限分配、級別管理、權限移交及詳細功能描述等多級控制思路。

2.各采礦場已完成了不同程度的自動化系統(tǒng)建設，比如風機遠程控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、井下排水系統(tǒng)等建設，然而，仍然存在很多不足及需要完善的地方，部分控制系統(tǒng)無與第三方自動化系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)通訊的軟硬件通訊接口，部分子系統(tǒng)未設計控制系統(tǒng)。

3.通過采場自動化系統(tǒng)現(xiàn)狀的調研，結合現(xiàn)有就地和遠程多級控制相關技術，提出了建立礦山控制系統(tǒng)就地及遠程操控建議方案，為后續(xù)礦山控制系統(tǒng)就地及遠程操控建設提供技術支撐。