智能控制技術(shù)在棉花坑礦井排水系統(tǒng)中的應(yīng)用

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)

隨著中國工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)進程的不斷推進，中國經(jīng)濟由高速發(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)不斷向精細化方向發(fā)展。針對礦業(yè)工程建設(shè)和發(fā)展的研究也越來越精細，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)的一個重要環(huán)節(jié)，目前國內(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)備的自動化是礦山企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能降耗的有效手段，基于水泵自動化控制的智能排水技術(shù)的應(yīng)用無疑是礦井設(shè)備自動化的有力推手。

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，然后通過-150 m中段主排水泵排至50 m中段主水倉；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。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，304 m中段礦井水通過管道自流至礦井水處理車間，處理達標(biāo)后外排。

棉花坑礦井地質(zhì)水文條件簡單，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)場控制，每天安排2班次排水，每班排水5 h。啟動柜只有熱繼電器保護，不利于排水泵的保護和錯峰用電，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行排水作業(yè)，水泵工每班將水倉的水位排至最低點后停泵。

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

上述人工控制排水作業(yè)存在幾個問題：1)操作過程比較復(fù)雜，可靠性較差，對水泵工的操作熟練程度和責(zé)任性要求較高，操作失誤會影響軟啟動器和水泵的使用壽命；2)人工操作勞動強度大，需要進行多個閘閥的操作，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)場控制保護簡單，只有熱繼電器保護，發(fā)生故障時不能及時停止水泵運行和發(fā)出報警信號；4)排水時間與錯峰用電安排困難，在遇到突發(fā)涌水時，應(yīng)變能力差；5)人工成本較高，作業(yè)時水泵房需安排專人值守，以便在排水系統(tǒng)異常情況時能及時停止排水作業(yè)并向工區(qū)調(diào)度匯報。

3 改進方案

針對上述問題，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，對棉花坑礦井排水系統(tǒng)進行了自動化智能改造升級。

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，每個水泵硐房均配置1臺PLC控制柜做現(xiàn)場控制分站，控制柜內(nèi)均由西門子S7-1200系列PLC實現(xiàn)控制功能。選配的儀表類型有電壓、電流、溫度、振動、流量、壓力、液位等。執(zhí)行器件為電動球閥。硬件系統(tǒng)設(shè)置如圖2所示。

為了提高系統(tǒng)的實用性，在設(shè)計中留設(shè)網(wǎng)絡(luò)接口，可以將從水泵采集的數(shù)據(jù)傳遞到地面的計算機系統(tǒng)[3-4]。系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊，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)置遠程監(jiān)控上位機。各個硐室相互獨立，可以獨立運行，防止因某個獨立故障引起整個控制系統(tǒng)的崩潰，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。井下水泵控制系統(tǒng)選用超聲波液位計作為液位檢測元件，并增設(shè)液位強制保護開關(guān)。液位開關(guān)下限被觸發(fā)時，強制關(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，強制啟動所有在用水泵快速排水，防止淹井事故發(fā)生。

軟啟動柜由原電控柜改造而成。在柜面上增設(shè)遠程/就地轉(zhuǎn)換開關(guān)，可切換系統(tǒng)控制模式(遠程控制、就地控制)，就地控制模式與原啟動方式相同。遠程模式可通過上位機對設(shè)備進行遠程控制，切換系統(tǒng)運行模式(半自動、全自動)。遠程自動模式可根據(jù)水倉液位、時間段及涌水量自動選擇水泵數(shù)量及啟停；遠程手動模式可單獨對每臺水泵和球閥實現(xiàn)啟停控制。通過設(shè)置水泵工作模式(運行、停止、檢修)，實現(xiàn)水泵和閥門遠程集中控制[5]。中段水泵智能控制界面如圖3所示。

3.2 軟件設(shè)計

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強度，降低動力消耗，從以下幾個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

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

3.2.2 操作閥控制設(shè)計

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

3.2.3 主排水泵啟動設(shè)計

電機的啟動利用原有軟啟動柜內(nèi)的軟啟動器，通過遠程控制端子的方式實現(xiàn)。電機的啟動、停止、故障等遠程控制端子通過硬接線的方式接入對應(yīng)水泵的就地控制柜，無論是在自動狀態(tài)還是手動狀態(tài)，均通過就地控制柜的輸出對水泵電機的啟、停進行控制。手動、自動的切換是通過就地控制柜內(nèi)的切換開關(guān)完成。在自動狀態(tài)下接收PLC集中控制柜的信號進行控制，在手動狀態(tài)下，通過就地控制柜面板上的按鈕進行控制。

3.2.4 電參數(shù)檢測設(shè)計

增設(shè)電流、電壓變送器，并將信號接入PLC控制柜。電機運行過程中需要檢測的電參數(shù)包括：電流、電壓。系統(tǒng)采用上位機組態(tài)軟件實現(xiàn)參數(shù)顯示(圖4)，動態(tài)實時顯示水倉水位、水泵流量、水泵出水口壓力、電機電流、電壓及水泵電機、電動球閥的工作狀態(tài)。超限報警時，故障畫面自動彈出，故障點自動閃爍；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

設(shè)置現(xiàn)場就地控制、遠程半自動控制和遠程全自動無人值守控制3種工作方式?，F(xiàn)場就地控制與原啟動方式一致，需要手動開啟各種閥門，按下啟停按鈕實現(xiàn)排水泵啟停。遠程半自動控制只需在上位機Wincc界面上按啟或停按鈕，實現(xiàn)排水泵自動排氣、自動啟停水泵。全自動無人值守控制只需按下全自動按鈕，排水泵自動根據(jù)水倉液位情況和時間段進行自動排水作業(yè)和自動選擇排水泵臺數(shù)，并實現(xiàn)上下級開泵臺數(shù)和水倉水位聯(lián)動。

3.3 智能控制功能設(shè)計

為了實現(xiàn)自動化控制功能，達到智能排水的目的，主要從設(shè)備工作狀態(tài)評估、設(shè)備故障預(yù)判、水位變化情況預(yù)估、能源利用管理、自動輪換工作等幾個方面進行系統(tǒng)功能設(shè)計。

3.3.1 設(shè)備工作狀態(tài)評估

利用電壓、電流、溫度、振動傳感器實時監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，并記錄在數(shù)據(jù)庫中，以便分析設(shè)備運行狀態(tài)和故障原因，并做出合理改進。

3.3.2 設(shè)備故障預(yù)判

實時采集設(shè)備運行數(shù)據(jù)，包括設(shè)備運行狀態(tài)、電壓、電流、電機溫度等參數(shù)，并上傳至調(diào)度集控中心，通過實時數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫的預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)進行比對，實現(xiàn)故障預(yù)警，并對出現(xiàn)的故障報警[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

引入水倉進水量變化率概念，對水位進行實時動態(tài)監(jiān)控，實現(xiàn)對各個中段水倉的聯(lián)動控制。通過監(jiān)測水倉水位和水泵的運行狀況，可以計算出礦井的涌水量和排水能力，也可以監(jiān)測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，自動啟動其他在用水泵進行緊急排水并發(fā)出報警。

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)與電價峰谷時間段(峰、平、谷期)的設(shè)置，由計算機根據(jù)水倉液位、涌水量、排水量實現(xiàn)礦井排水最佳能耗控制。在高電價時段，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行；在平電價時段，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行時間；在低電價時段，根據(jù)水倉水位、涌水情況和排水量情況，合理啟動水泵臺數(shù)，最大限度將水倉的水排出，留出更大的水倉容積收集高電價和平電價時段的涌水。

3.3.5 自動輪換工作

系統(tǒng)可控制各水倉多臺泵自動輪換工作?？刂瞥绦?qū)⑺脝⑼４螖?shù)、運行時間、水泵狀況、流量等參數(shù)自動記錄并統(tǒng)計，系統(tǒng)智能根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)自動切換運行水泵，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、管道等因長期不用而出現(xiàn)受潮、銹蝕、動作不靈敏等故障。實現(xiàn)故障及時發(fā)現(xiàn)、及時報警、及時處理，達到所有排水泵、電氣設(shè)備都處于完好狀態(tài)，確保礦井排水安全。

3.3.6 水泵效率評估

通過對每臺水泵“百米噸水耗電量”的實時監(jiān)測，對系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性進行量化衡量。通過對比同等時間的電耗，可以監(jiān)測排水系統(tǒng)整體運行效果，對水泵運行效率等提前評價，對系統(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，便于后期實現(xiàn)多個水泵房(深部開拓后建設(shè)的水泵)、風(fēng)機房的聯(lián)動自動化控制接入。在接入數(shù)字化礦山系統(tǒng)時，無需重復(fù)投資。

4 效果評價

4.1 增強排水系統(tǒng)的自我防護功能

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

通過報警自診斷功能，實時采集設(shè)備運行狀態(tài)、電壓、電流、電機溫度等運行數(shù)據(jù)，并上傳至調(diào)度集控中心，比對數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)故障并進行預(yù)警；對已出現(xiàn)的故障，報警并精確指出故障部位及相關(guān)解決方法。

通過實時監(jiān)測和對比每臺水泵的耗電量，對系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性進行量化衡量，監(jiān)測水泵運行情況和排水系統(tǒng)整體運行效果。

安裝超聲波液位計檢測水倉水面位置，并把水面位置實時傳輸?shù)絇LC上，當(dāng)水面位置達到設(shè)置值時自動啟動或停止水泵運行；并通過水面位置變化率監(jiān)測礦井的涌水是否正常。當(dāng)涌水異常時，聯(lián)動上下級開泵數(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，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化，在很大程度上減少人力成本的投入，大大提高工作效率[7]。改造前水泵啟動和停止由人工井下現(xiàn)場控制，需要水泵工共4人，每人年薪8萬元；改造后水泵啟動和停止由PLC通過采集超聲波液位計數(shù)值并結(jié)合電價時間段進行智能控制，只需要1名水泵工進行巡查即可，每年可節(jié)省人工成本約24萬元。

4.3 降低動力成本

改造后，減少了水泵在電價高峰期的運行時間，增加了水泵在電價平段、低谷期的運行時間(表3)。按照近3年主排水泵平均動力消耗202萬kW·h計算，改造后可節(jié)省動力費用49.37萬元/年，能源消耗降低24.4%。

4.4 便于排水系統(tǒng)管理和后期擴展

監(jiān)控系統(tǒng)通過圖形動態(tài)顯示水泵、電動閥、水倉水位等運行狀態(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)可存儲各臺設(shè)備的臺賬資料、性能情況、監(jiān)測數(shù)據(jù)及明細，并且具備管理報表自動生成、存儲、查詢、統(tǒng)計、打印等功能。

表3 改造前后水泵運行時間段

系統(tǒng)自動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)自動化的擴展和集成需求，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力費用，從根本上提高了礦井排水系統(tǒng)運行的安全性、可靠性，實現(xiàn)無人值守，降低了能源消耗。棉花坑礦井排水系統(tǒng)自動化的成功改造，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。