錳礦井下排水系統(tǒng)自動(dòng)化控制研究

劉 鵬

(首都醫(yī)科大學(xué) 附屬北京康復(fù)醫(yī)院基建科，北京 100144)

對(duì)于礦山來(lái)說(shuō)，安全是重中之重的頭等大事，關(guān)系到礦產(chǎn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，更關(guān)系到職工的利益和生命安全。但在現(xiàn)實(shí)工作中，礦產(chǎn)企業(yè)仍不斷發(fā)生一些或大或小的安全事故，如何進(jìn)行安全生產(chǎn)成為礦山安全穩(wěn)定發(fā)展的首要任務(wù)。影響錳礦井下安全的因素很多、很復(fù)雜，但最為重要的一個(gè)原因就是井下滲水，井下一旦發(fā)生透水事故，不僅會(huì)影響開礦的進(jìn)度，造成經(jīng)濟(jì)效益的損失，甚至還會(huì)威脅井下工作人員的生命安全[1]。作為錳礦生產(chǎn)六大系統(tǒng)之一的井下排水系統(tǒng)，承擔(dān)著排除積水的重大責(zé)任?，F(xiàn)在我國(guó)錳礦中使用的排水系統(tǒng)大多還是陳舊的、由人工進(jìn)行操作的排水系統(tǒng)，存在著很大的安全隱患，基本上已經(jīng)很難適應(yīng)現(xiàn)代錳礦井下生產(chǎn)的需求，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，信息技術(shù)慢慢融入到各個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)，自動(dòng)化控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在錳礦井下排水系統(tǒng)中，也得到了廣泛應(yīng)用，在保證礦井生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)，提高了錳礦井下作業(yè)安全。

1 錳礦井下排水系統(tǒng)自動(dòng)化控制應(yīng)用的必要性

1.1 傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的特點(diǎn)及存在的問題

過去，錳礦井下的水泵房中多使用傳統(tǒng)的排水方式，主要是采用離心式的水泵系統(tǒng)進(jìn)行抽水。這種水泵主要是通過葉輪的旋轉(zhuǎn)，使水產(chǎn)生離心力進(jìn)行工作。輸送水的能力很強(qiáng)，但產(chǎn)生的壓力比較低，并且不穩(wěn)定，會(huì)隨著流量的變化而變化。因此泵站開啟和停止的時(shí)間，完全依靠工人以往的工作經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)出來(lái)的操作規(guī)程，存在極大的不確定性。根據(jù)離心式水泵的工作原理，當(dāng)水倉(cāng)里的水量達(dá)到設(shè)定的高度時(shí)，工人要及時(shí)打開真空泵，讓水泵呈真空狀態(tài)，這時(shí)要立即察看真空表的數(shù)值，真空度達(dá)到規(guī)定的數(shù)值時(shí)，啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)水泵機(jī)組，當(dāng)水泵出水口的壓力值達(dá)到要求的數(shù)值時(shí)，開啟水閘的閥門，讓積水排出，同時(shí)關(guān)閉真空泵。反之，當(dāng)水倉(cāng)里的水量降至設(shè)定的最低水位時(shí)，要先把水閘的閥門關(guān)閉，再關(guān)停水泵機(jī)組[2]。

這樣的操作存在很大的問題：第一，工人人數(shù)多，勞動(dòng)強(qiáng)度大。每一個(gè)水泵房不間斷都要有人值班，事關(guān)安全的大事，一刻也不能疏忽，一旦發(fā)生異常情況，馬上要進(jìn)行檢修。工人在工作期間，精神高度集中，勞動(dòng)強(qiáng)度大，開關(guān)水閘閥門的工作，勞動(dòng)量也很大，這是一個(gè)需要耗費(fèi)大量人力的工作。第二，工作效率低下，可靠性低。水泵的操作全部由人來(lái)完成，對(duì)水位的高低、水流量的大小完全由工人根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，很容易產(chǎn)生較大的誤差，作業(yè)過程比較復(fù)雜，對(duì)工人的專業(yè)、責(zé)任心要求都很高，一不小心就會(huì)釀成重大責(zé)任事故。為了解決這些問題，要引進(jìn)新的、先進(jìn)的信息技術(shù)系統(tǒng)，將自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)于于錳礦井下排水系統(tǒng)中，優(yōu)化設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，提高礦井的生產(chǎn)效率。

1.2 井下排水系統(tǒng)自動(dòng)化控制應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

1)安全可靠

錳礦井下排水自動(dòng)化控制系統(tǒng)既可以在當(dāng)場(chǎng)控制，也可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，也可以結(jié)合使用。根據(jù)錳礦井下具體的環(huán)境與要求，選擇最合適的方式進(jìn)行控制。如果遇到意外情況，通訊被中斷，可以自動(dòng)轉(zhuǎn)化控制模式，可靠性更高，可對(duì)不同區(qū)域的啟動(dòng)裝置、電機(jī)、水泵、真空系統(tǒng)等進(jìn)行全面的監(jiān)督、控制，在系統(tǒng)發(fā)生故障前進(jìn)行預(yù)警通告。

2)先進(jìn)穩(wěn)定

現(xiàn)有錳礦井下排水系統(tǒng)采用的自動(dòng)化控制系統(tǒng)多為可編程邏輯控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用的是光纖環(huán)網(wǎng)通訊技術(shù)，與傳統(tǒng)的總線傳輸技術(shù)相比更先進(jìn)，可以大大提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋€(wěn)定性也有很大的提升。在編程技術(shù)上，采用新的組態(tài)軟件控制技術(shù)，這種技術(shù)穩(wěn)定性強(qiáng)，與其他技術(shù)的兼容性也高，為系統(tǒng)將來(lái)進(jìn)行二次開發(fā)奠定了很好的基礎(chǔ)，擴(kuò)容更容易，費(fèi)用也比較低廉。

3)高效經(jīng)濟(jì)

自動(dòng)化控制系統(tǒng)讓水泵的能量消耗處于最少、最合適的狀態(tài)，自動(dòng)記錄每一次啟動(dòng)水泵的時(shí)間，找出用時(shí)最少的水泵，積累水泵運(yùn)行時(shí)間數(shù)據(jù)，平衡水泵的磨損程度，避免重復(fù)、多次使用同一設(shè)備，提高水泵使用效率。在水倉(cāng)中，提前設(shè)置好啟動(dòng)、報(bào)警、停機(jī)等操作的不同水位，在保證水倉(cāng)安全，保證水位符合預(yù)設(shè)要求的前提下，減少水泵的使用次數(shù)，延長(zhǎng)水泵的使用周期，更具經(jīng)濟(jì)性。

2 排水自動(dòng)化系統(tǒng)的功能

2.1 自動(dòng)化控制

錳礦井下排水系統(tǒng)自動(dòng)化控制主要是為了保證系統(tǒng)可以正常、平穩(wěn)的運(yùn)行，進(jìn)而保障錳礦井下能夠安全生產(chǎn)，水位的設(shè)置在自動(dòng)化管理中是很重要的一環(huán)，為了確保不出現(xiàn)失誤，一般系統(tǒng)會(huì)在水倉(cāng)設(shè)置兩套水位傳感器，系統(tǒng)接收到水量數(shù)據(jù)，按標(biāo)準(zhǔn)分成不同的水位段，并計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)各區(qū)域水位上漲的速率，掌握礦井正常的通過水量。自動(dòng)化控制系統(tǒng)還可以測(cè)算井下的電流數(shù)值，計(jì)算用電負(fù)荷率。系統(tǒng)根據(jù)礦井通過的水量和用電額的具體情況，對(duì)水泵的開關(guān)加以控制，在保證效率的同時(shí)，達(dá)到節(jié)約能源的目標(biāo)[3]。

2.2 故障停泵

水泵在自動(dòng)控制的狀態(tài)下運(yùn)行，一旦發(fā)生故障，電腦系統(tǒng)會(huì)依照預(yù)設(shè)的程序停止水泵的運(yùn)行。水泵在檢修的時(shí)候運(yùn)行，如果突然發(fā)生故障，要停止水泵，首先要同時(shí)關(guān)上管道手動(dòng)的閥門，在閥門關(guān)閉之后，再停止電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。不論水泵用哪種方式運(yùn)轉(zhuǎn)，在發(fā)生故障需要停止水泵運(yùn)行時(shí)，一定要按下緊急停止的開關(guān)。停止之后，要仔細(xì)排查故障發(fā)生的原因，并及時(shí)修理，修好以后，要及時(shí)按下故障復(fù)位鍵，使系統(tǒng)恢復(fù)狀態(tài)，使水泵能更好的重新啟動(dòng)。

3 排水自動(dòng)化系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 主控中心及站點(diǎn)

自動(dòng)化系統(tǒng)的主控中心也是地面的監(jiān)控中心站點(diǎn)，主要有顯示設(shè)備、工作站、二十四小時(shí)不間斷的電源系統(tǒng)、語(yǔ)音設(shè)施等，利用監(jiān)控站的這些設(shè)施，對(duì)錳礦井下所有的水泵房進(jìn)行全方位的監(jiān)控。錳礦井下的主站是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行通訊聯(lián)系，與每個(gè)水泵分站的網(wǎng)關(guān)聯(lián)系，進(jìn)行總線通訊，主站與分站之間可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的、雙向的數(shù)據(jù)傳輸。還能夠接受工程師站所下發(fā)的各種參數(shù)設(shè)置和各項(xiàng)指令，及時(shí)反饋收集到的數(shù)據(jù)，利用井下的集中控制系統(tǒng)，主控站發(fā)布各項(xiàng)操作命令，在集中操作的相關(guān)控制平臺(tái)上顯示各類信息，詳細(xì)執(zhí)行整個(gè)流程。錳礦井下的水泵房里單獨(dú)設(shè)置井下專用的、防爆的、可以編程的主控站點(diǎn)，這些排水系統(tǒng)自動(dòng)化控制呈一種分布式排列，另外還配備了錳礦專用的集中控制的操作設(shè)備，可以對(duì)各個(gè)水泵房的設(shè)備進(jìn)行集中的控制。每臺(tái)泵機(jī)都要接入錳礦專用的網(wǎng)關(guān)，在地面還要設(shè)立工程師站點(diǎn)，對(duì)所有系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，收集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)清晰的顯示出來(lái)。對(duì)發(fā)生的系統(tǒng)故障和警報(bào)進(jìn)行及時(shí)報(bào)備，并記錄全部存儲(chǔ)，方便以后進(jìn)行查詢[4]。

3.2 井下水泵控制系統(tǒng)

水泵控制系統(tǒng)依照預(yù)先設(shè)定的程序標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際情況，自動(dòng)啟用相應(yīng)的水泵。當(dāng)水位上升至預(yù)設(shè)的高度，需要啟用水泵時(shí)，先啟動(dòng)運(yùn)行狀況良好且停止時(shí)間最長(zhǎng)的正常水泵，如果需要使用到備用的水泵，停止時(shí)間最長(zhǎng)且沒有故障的水泵將被最先啟動(dòng)。因?yàn)樗孟到y(tǒng)是在高壓情況下進(jìn)行輸送，當(dāng)達(dá)到數(shù)值最高峰時(shí)，存在很大的壓力，所以在輸送過程中要進(jìn)行減壓處理，自動(dòng)化控制系統(tǒng)根據(jù)管道壓力的大小，自動(dòng)開啟閥門，消除多余的壓力。

3.3 自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)在錳礦井下大體主要應(yīng)用于3個(gè)方面：一是井下排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)；二是水泵房的監(jiān)控系統(tǒng)；三是井下進(jìn)行生產(chǎn)的其他機(jī)器設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。

1)排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)大多選用可編程控制器，接口是按標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)制作的，可以與其他機(jī)器設(shè)備更好的兼容，總線采用分布式的通訊設(shè)計(jì)，隨著監(jiān)控系統(tǒng)的正式應(yīng)用，可以及時(shí)掌握井下排水情況，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理、分析，依據(jù)操作命令，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，順利完成排水工作，保證錳礦井下的生產(chǎn)安全[5]。

2)水泵房的監(jiān)控系統(tǒng)主要有傳感器、信號(hào)收集設(shè)備和監(jiān)控分站，主控中心是井下控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊的關(guān)鍵，使監(jiān)控分站收集到的信息可以與地面監(jiān)控中心站點(diǎn)的信息進(jìn)行及時(shí)交換，還可以應(yīng)用各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的顯示器，幫助井下的工作人員了解相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行的整體情況。中央主水泵房系統(tǒng)要加以控制，其中電控柜擁有測(cè)量?jī)x器、輔助設(shè)備和綜合保護(hù)電器，整體信息系統(tǒng)在每個(gè)水泵處都設(shè)置了分站。地面控制中心站點(diǎn)的各項(xiàng)命令通過光纖迅速傳遞到各通信主站和分站，控制水泵作出相應(yīng)的措施。

3)井下進(jìn)行生產(chǎn)的其他機(jī)器設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)其他機(jī)械設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，對(duì)整個(gè)錳礦井下生產(chǎn)狀況進(jìn)行了解，確保井下的排水工作有條不紊的自動(dòng)運(yùn)行。

3.4 視頻檢查系統(tǒng)

視頻檢查系統(tǒng)有攝影儀器、專業(yè)軌道、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及主要控制設(shè)備等。工作人員可以實(shí)時(shí)控制攝影儀器，依據(jù)事先設(shè)置好的目標(biāo)，按計(jì)劃進(jìn)行移動(dòng)拍攝，遠(yuǎn)距離傳遞圖像，進(jìn)行監(jiān)控并加以儲(chǔ)存；也可以提前設(shè)置編輯好程序，讓攝影儀器自動(dòng)拍攝需察看的目標(biāo)，對(duì)監(jiān)控目標(biāo)進(jìn)行全方面的察看；還可以顯示攝影儀器當(dāng)時(shí)所處的位置、環(huán)境等信息資料。

3.5 語(yǔ)音系統(tǒng)

語(yǔ)音系統(tǒng)主要用來(lái)進(jìn)行預(yù)警，分別包括水泵房和控制中心的語(yǔ)音系統(tǒng)。水泵房的語(yǔ)音系統(tǒng)是根據(jù)自身的實(shí)際情況和具體要求，提前錄制語(yǔ)音播報(bào)的內(nèi)容，主控中心對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并根據(jù)需求進(jìn)行分門別類的判斷，快速進(jìn)行甄別，根據(jù)相應(yīng)的程序要求，設(shè)置好與語(yǔ)音報(bào)警內(nèi)容相對(duì)應(yīng)的條件，通過系統(tǒng)制定的程序?qū)?bào)警的內(nèi)容進(jìn)行啟動(dòng)?？刂浦行牡恼Z(yǔ)音系統(tǒng)除了單獨(dú)報(bào)警以外，還可以控制整個(gè)系統(tǒng)，對(duì)站點(diǎn)的語(yǔ)音報(bào)警設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)。

3.6 線路

水泵房的單個(gè)水泵、顯示設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)操作設(shè)備、主控設(shè)備之間主要通過現(xiàn)場(chǎng)的線路進(jìn)行連接，對(duì)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)、有效、高速的傳輸，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語(yǔ)

在錳礦井下，排水系統(tǒng)自動(dòng)化控制具有十分重要的作用，為提高錳礦現(xiàn)代化水平，進(jìn)行信息化、數(shù)據(jù)化管理提供了保障，在保證錳礦生產(chǎn)安全的同時(shí)，提高了錳礦整體的工作效率和工作質(zhì)量。因此，錳礦井下排水系統(tǒng)自動(dòng)化控制受到越來(lái)越多的關(guān)注，更多的研究人員加入到研究與改進(jìn)該系統(tǒng)的行列，使自動(dòng)化控制發(fā)揮更大的作用。