區(qū)域煤礦集控信息化技術在煤礦生產中的應用

龔 青，李龍清

(1.西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054；2.神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

近年來，我國經濟發(fā)展十分迅速，能源消耗也同比增長，2017年，全國能源消費總量約為45億噸標煤，其中，煤炭占比大致在60.4%[1]，煤炭在能源消耗占比中呈逐年下降趨勢，加上當前煤炭產量供大于求的現(xiàn)實，給煤礦生產經營帶來前所未有的壓力，對煤礦生產效率及自動化水平提出了更高的要求。神東礦區(qū)自2012年開始建設區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)(LCS)平臺，并在大柳塔煤礦建設了億噸級的區(qū)域中央生產控制指揮中心，2015年正式上線運行，實現(xiàn)了五礦六井(大柳塔煤礦、上灣煤礦、補連塔煤礦、哈拉溝煤礦、石圪臺煤礦)采、掘、機、運、通等各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成展示、集中控制、關聯(lián)分析、故障診斷與決策、智能報警、人力物料管理等6大功能。為井下生產提供專業(yè)的遠程集中控制、日常生產協(xié)調管理和輔助決策平臺，達到海量數(shù)據(jù)資源的共享利用、關聯(lián)分析，優(yōu)化了煤礦生產流程，實現(xiàn)各分立系統(tǒng)的高度集成。這種區(qū)域化集中生產控制指揮模式，為提升煤礦生產運營規(guī)模化、集約化和信息化水平奠定了基礎[2]。

1 信息化發(fā)展與區(qū)域煤礦集控系統(tǒng)架構

1.1 大柳塔煤礦信息化發(fā)展概況

大柳塔煤礦是神府東勝煤田最早開工建設的礦井，1987年開建，1996年投產，由大柳塔和活雞兔兩井組成，年生產能力3 300萬t，是目前世界上最大的井工煤礦。兩井擁有井田面積189.8 km2，煤炭地質儲量23.6億t，可采儲量15.3億t。大井主采1-2、2-2、5-2煤層，活井主采1-2上、1-2、2-2、5-1煤層，兩井煤質具有低灰、低硫、低磷和中高發(fā)熱量的特點，發(fā)熱量均在5 600 kcal/kg左右，被譽為“綠色環(huán)保煤炭”。

自建礦以來，大柳塔煤礦集成國內外先進管理理念和技術，并結合客觀條件進行創(chuàng)新，經不斷積累，在信息化、自動化技術方面取得了一系列創(chuàng)新和突破。2000年大柳塔煤礦實現(xiàn)膠帶機和變電所的自動化，2005年實現(xiàn)綜采工作面數(shù)據(jù)集中上傳和中央水泵房、排水泵房的自動化，2011年實現(xiàn)中轉水倉和主通風機自動化，2012年開始建設區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)，2013年實現(xiàn)綜、連采工作面遠程監(jiān)控，連采膠帶機遠程監(jiān)控和局部通風機遠程監(jiān)控，2016年實現(xiàn)五礦六井采、掘、機、運、通等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成展示、集中控制，形成專業(yè)生產集中控制指揮體系。

1.2 區(qū)域煤礦集控系統(tǒng)體系架構

煤礦區(qū)域中央集中控制系統(tǒng)體系架構分為5層，為設備層、控制層、生產執(zhí)行層、經營管理層和決策支持層。建成了井上下生產控制專網(wǎng)，作為生產數(shù)據(jù)的唯一傳輸通道，擁有生產數(shù)據(jù)的專用鏈路。覆蓋了五礦六井綜采、掘進、機電、運輸、洗選、裝車、安全監(jiān)控、人員定位、視頻控制、通信等子系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)15個，監(jiān)測系統(tǒng)14個。滿足5個礦井下各個業(yè)務系統(tǒng)監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)安全、高效、穩(wěn)定地傳入?yún)^(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)，并進行統(tǒng)一存儲和集中展示。實現(xiàn)五礦信息聯(lián)通與共享，能夠使不同功能的應用系統(tǒng)聯(lián)系起來，協(xié)調有序運行，使各自獨立的監(jiān)控系統(tǒng)和應用系統(tǒng)實現(xiàn)信息共享。為生產指揮和數(shù)據(jù)分析提供了有利的鏈路保障，如圖1所示。

圖1 區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)體系架構圖

2 區(qū)域煤礦集控系統(tǒng)的信息化特色

2.1 專業(yè)調度模式

區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)應用以來，由于數(shù)據(jù)的聯(lián)通與共享，設備的遠程監(jiān)測和控制，改變了煤礦生產運營管理模式，建立起一套專業(yè)的調度體系。按采掘、主運、安全、機電4個職能設置專業(yè)調度；實現(xiàn)礦井多系統(tǒng)和區(qū)域內多礦間生產計劃協(xié)同和資源共享，各工位選拔相關專業(yè)經驗豐富的技術人員擔任專業(yè)調度員，負責生產指揮、決策、排程、集中控制、智能關聯(lián)分析等主要工作，集中優(yōu)勢的技術專家團隊進行技術支持，在優(yōu)化生產、故障處理、應急救援、綜合分析等方面提供專業(yè)的指導，從而保障專業(yè)調度的決策、指揮。提高日常生產運營的管理效率和質量[3]。各專業(yè)調度體系工位及功能分布如圖2所示。

圖2 專業(yè)調度體系工位及功能分布圖

2.2 區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)功能

云監(jiān)測：隨著煤礦生產信息化、自動化水平的提高，海量的數(shù)據(jù)需要被監(jiān)測，大量的設備需實現(xiàn)遠控，區(qū)域自動化控制系統(tǒng)在五礦六井區(qū)域內監(jiān)測監(jiān)控了29個子系統(tǒng)，保障煤礦安全高效生產。區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)平臺涵蓋監(jiān)控子系統(tǒng)15個[4]：綜采工作面監(jiān)控、掘進工作面監(jiān)控、主運輸系統(tǒng)監(jiān)控、輔助運輸系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)監(jiān)控、排水系統(tǒng)監(jiān)控、供水系統(tǒng)監(jiān)控、消防灑水系統(tǒng)、通風系統(tǒng)監(jiān)控、壓風系統(tǒng)監(jiān)控、灌漿系統(tǒng)監(jiān)控、注氮系統(tǒng)監(jiān)控、洗煤廠系統(tǒng)監(jiān)控、裝車系統(tǒng)監(jiān)控、外購煤系統(tǒng)監(jiān)控。監(jiān)測子系統(tǒng)有14個：安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、調度通信系統(tǒng)、人員與車輛定位、礦壓監(jiān)測、智能照明系統(tǒng)、生產排矸系統(tǒng)監(jiān)測、無人值守燈房、污水處理系統(tǒng)、火災監(jiān)測系統(tǒng)、束管監(jiān)測、粉塵在線監(jiān)測、水文地質監(jiān)測、瓦檢員巡更系統(tǒng)。目前監(jiān)測點位已達15萬點，遠期達到18萬點。

遠程控制：主運系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)、通風系統(tǒng)及部分綜連采工作面實現(xiàn)了設備遠程控制，五礦主運系統(tǒng)實現(xiàn)變頻調速，倉上插板、上倉膠帶機、主斜井膠帶機、大巷膠帶機、綜連采順槽膠帶機、井下煤倉給煤機全系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程控制；供電系統(tǒng)變電所和配電點的移變及下級開關均實現(xiàn)了遠程控制；供排水系統(tǒng)中央泵房和中轉水倉實現(xiàn)了遠程控制，對主供排水管路壓力、流量進行監(jiān)測實現(xiàn)衡壓供水，對局部漏水可實現(xiàn)智能判斷及報警，同時監(jiān)測2 000多個臨時排水點；通風系統(tǒng)首創(chuàng)自動風門遠程控制，緊急情況下干預風門開閉，保障生產安全，滿足應急救援需求。設備遠程控制統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

表1 區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)應用前后設備遠程控制統(tǒng)計

大數(shù)據(jù)分析：在綜采工作面綜采采煤機某一刀切割過程中所有支架的信息聯(lián)合分析，也可以進行基于單一支架在一個時間段內的分析，還可以進行標有深度數(shù)據(jù)的針對綜采設備的多層分析和跨礦井、跨系統(tǒng)、多維度數(shù)據(jù)實時對比分析，如圖3所示。

圖3 五礦六井多維度數(shù)據(jù)實時對比圖

智能關聯(lián)與分析：為保障煤礦正常安全高效運行，區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)具備設備自動化、智能化控制、海量數(shù)據(jù)智能分析及智能報警，保障安全生產的能力。主運系統(tǒng)：實現(xiàn)一鍵啟停前，膠帶機需要由調度人員觀察膠帶機上的煤量，手動多次操作，實現(xiàn)逐部啟停，費時費力；實現(xiàn)一鍵啟停后，調度員啟動時只要確定全系統(tǒng)正常即可一次操作完成全系統(tǒng)的啟動，停機時只要判斷工作面停機即可一次操作實現(xiàn)各級膠帶機自動計算，逐級停機。倉上插板與煤倉料位聯(lián)動，通過煤倉料位計數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)插板自動開關，準確配倉。

安全監(jiān)測數(shù)據(jù)智能聯(lián)動分析：實現(xiàn)主動尋找報警源，辨別主、從報警，如：若某區(qū)域的CO濃度升高，通過CO傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)與車輛定位系統(tǒng)的聯(lián)動智能分析，報警，并判斷CO濃度升高是否由車輛尾氣還是其他原因導致。

輔助決策與診斷：生產輔助決策—通過對各類生產數(shù)據(jù)的自動采集和分析計算，實現(xiàn)設備開機率自動計算、噸煤能耗周報、割煤刀數(shù)自動分析等報表的微信自動推送如圖4，為生產決策提供有力支持。輔助診斷—規(guī)范13種顏色的體系，代表不同狀態(tài)。在供電系統(tǒng)中可以看到各個配電柜的具體參數(shù)，如電流、電壓、功率以及設備的遠近控狀態(tài)。并可以直接對井下配電柜進行分、合閘操作。還可以模擬設備故障停電后的影響范圍，提高調度故障應變能力，減少排查井下故障時間，大大節(jié)約人工成本[5]。

圖4 大柳塔煤礦綜采工作面噸煤能耗周報表對比分析圖

“五礦一圖”動態(tài)更新：以往各專業(yè)圖紙由相關專業(yè)人員自行繪制，導致內容單一，格式多樣，而不同生產技術部門間圖紙“人為”拷貝交互，經常出現(xiàn)信息滯后，不利于各專業(yè)信息互融，現(xiàn)在基于區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)平臺的“五礦一圖”將五礦六井的地質、測量、通風、機電等多專業(yè)圖紙分層合并在統(tǒng)一標準的圖紙平臺，支持監(jiān)控點直接標注功能，可以從“計算機終端”、“移動終端”、“Web在線”等方式實現(xiàn)井下動態(tài)數(shù)據(jù)的隨時隨地錄入，大大縮短礦井圖紙和生產數(shù)據(jù)的更新周期。各專業(yè)人員可以在這張圖里協(xié)同辦公，實時更新。實現(xiàn)了不同專業(yè)人員在同一地圖上同時繪制，很好地解決了這個問題。

2.3 應用效果

自動化減人：區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)應用以來，通過井下自動化改造和地面基礎實施建設，現(xiàn)共減少相關崗位人員106人，遠期計劃減少300人。相關崗位減人統(tǒng)計見表2。

表2 區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)應用相關崗位減人統(tǒng)計表

智能化控制平臺的搭建：建成了全國首個區(qū)域性億噸級煤炭智能化控制平臺，實現(xiàn)了五礦六井各生產及輔助系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集中監(jiān)測監(jiān)控、關聯(lián)分析和智能報警，優(yōu)化了煤礦生產排程，為生產決策提供了依據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸鏈路的統(tǒng)一：建成井上下生產控制專網(wǎng)，作為生產數(shù)據(jù)的唯一專業(yè)的通道。實現(xiàn)了五礦六井井下各個業(yè)務系統(tǒng)監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)安全、高效、穩(wěn)定地傳入?yún)^(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)，提高了數(shù)據(jù)的安全性。

機電設備標準協(xié)議的確定：確定了神東《礦山機電設備通信接口和協(xié)議標準》，解決了井下設備通信協(xié)議種類多，層級多，維護量大的難題，為數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠的傳輸提供了有利保障。

模塊化數(shù)據(jù)中心的建立：采用先進的模塊化理念，建設了低碳綠色的模塊化數(shù)據(jù)中心。實現(xiàn)了機房設備高利用率，低能耗，易管理。給生產數(shù)據(jù)提供了安全、穩(wěn)定的存儲空間。為神東大數(shù)據(jù)分析提供了基礎的數(shù)據(jù)保障。

數(shù)據(jù)挖掘與應用的初步探索：依靠智能控制平臺及數(shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)的有效載體，對生產相關數(shù)據(jù)進行采集、清洗、存儲、分析，完成規(guī)定性的月度、年度工效分析，并根據(jù)需求進行定制性開發(fā)報表，逐步探索挖掘神東的生產大數(shù)據(jù)資源。

3 結語

區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)上線運行以來，整合了區(qū)域內五礦六井的采、掘、機、運、通及安全監(jiān)控、人員定位、工業(yè)電視、IP廣播等各生產控制系統(tǒng)，目前已監(jiān)控點位達到20萬點，遠期達到25萬點，最遠控制距離為50 km，實現(xiàn)了設備由就地控制到遠程控制、由單點分散控制到集中關聯(lián)控制的轉變，提高了礦井信息通訊、數(shù)據(jù)共享、智能聯(lián)動和業(yè)務管理的協(xié)同效益；促進各種資源有效合理配置；井下機電設備有效開機率提高2%，相關崗位已減員106人，按人均12萬元計算，年減少人工成本約1 270余萬元；這種區(qū)域化集中生產控制指揮模式，為提升煤礦生產運營規(guī)模化、集約化和信息化水平提供了指導和借鑒。