高小強(qiáng)
(國(guó)家能源集團(tuán)神華神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦,陜西 神木 719315)
當(dāng)前全國(guó)煤礦井下采掘及生產(chǎn)輔助系統(tǒng)自動(dòng)化程度已趨于成熟,但是對(duì)地面輔助生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制還是一片空白,也容易被礦井管理人員忽視。主要原因是大部分礦井地面輔助生產(chǎn)廠房及設(shè)施布置不集中,設(shè)備較為陳舊,自動(dòng)化改造費(fèi)用較大;另一方面是煤礦對(duì)礦井廢棄廢渣等有害物質(zhì)排放較為隨意,環(huán)保意識(shí)差,監(jiān)管部門(mén)對(duì)環(huán)境污染監(jiān)管力度不夠。但是近年來(lái)隨著國(guó)家環(huán)保部門(mén)對(duì)礦井排放管理力度的不斷加大,企業(yè)也逐步對(duì)礦井對(duì)地面生產(chǎn)輔助系統(tǒng)加以重視。
大柳塔煤礦活雞兔井井田東西長(zhǎng)1.8~10.8 km,南北寬4.2~9.6 km,井田面積約63.8 km2。礦井擁有的煤炭資源儲(chǔ)量約7.34 億t,可采儲(chǔ)量約4.64 億t[1]?;铍u兔井地面各生產(chǎn)輔助系統(tǒng)分布位置較為集中,且該區(qū)域周邊均有村民居住,礦井在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的噪音、廢氣、廢水的排放和對(duì)周?chē)h(huán)境造成的污染,已嚴(yán)重影響到周邊居民的正常生活。
因此,本文結(jié)合礦井現(xiàn)有的自動(dòng)化基礎(chǔ),設(shè)計(jì)出一套礦井地面生產(chǎn)輔助系統(tǒng)的整合改造可行性方案,并將六大生產(chǎn)輔助系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,最終將數(shù)據(jù)全部接入現(xiàn)有的區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)(LCS),形成一個(gè)礦井地面輔助生產(chǎn)系統(tǒng)的管控一體化平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)大柳塔礦調(diào)度指揮中心對(duì)該區(qū)域的氣、水、聲等環(huán)境因素排放的實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)融合后也將轉(zhuǎn)變活雞兔井地面生產(chǎn)輔助系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)管理模式,達(dá)到“減員提效、改善工人作業(yè)環(huán)境”的目的。同時(shí)也將補(bǔ)齊礦井生產(chǎn)系統(tǒng)與地面輔助系統(tǒng)集成控制的短板,為下一步礦井管控全礦生產(chǎn)系統(tǒng)電耗、水耗和井下風(fēng)量、風(fēng)壓、溫度,以及地面水、氣、聲等排放指標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
大柳塔煤礦活雞兔井地面生產(chǎn)輔助系統(tǒng)包括主通風(fēng)機(jī)房、壓風(fēng)機(jī)房、熱風(fēng)爐房、污水處理廠、黃泥注漿站和35 kV 變電站。且該六大系統(tǒng)位置均分布在活雞兔井山上,位置較為集中,通過(guò)自動(dòng)化整合改造,可以形成一個(gè)區(qū)域性一體化分控指揮中心。
當(dāng)前各系統(tǒng)自動(dòng)化程度及運(yùn)行現(xiàn)狀如表1 所示,其中主通風(fēng)機(jī)房、壓風(fēng)機(jī)房具備較為完善的自動(dòng)化系統(tǒng),數(shù)據(jù)已接入大柳塔礦區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)(LCS),但目前還未完全實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。35 kV 變電站也具備完善的自動(dòng)化系統(tǒng),但由于35 kV 變電站隸屬供電中心管轄,因此只需將供電數(shù)據(jù)讀取到分控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),無(wú)需進(jìn)行控制。礦井地面水處理系統(tǒng)水廠設(shè)備老化,很多儀表及自動(dòng)化設(shè)備損壞,所有設(shè)備仍以手動(dòng)方式操作。部分設(shè)備在建設(shè)初期具備過(guò)自動(dòng)化PLC 系統(tǒng),但是目前已經(jīng)損壞,系統(tǒng)提供廠家也已經(jīng)聯(lián)系不上。熱風(fēng)爐房每年11 月份至次年4 月份給井下供熱,設(shè)備與黃泥注漿站設(shè)備一樣,均不具備自動(dòng)化系統(tǒng),只有就地操作。所以,此項(xiàng)目必須在5—10 月份礦井暖風(fēng)機(jī)停運(yùn)期間進(jìn)行整合改造。
表1 各系統(tǒng)自動(dòng)化程度及運(yùn)行現(xiàn)狀
該系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)是將活雞兔井上述六大相互獨(dú)立的地面生產(chǎn)輔助系統(tǒng)進(jìn)行整合改造,建成一套技術(shù)先進(jìn)、系統(tǒng)實(shí)用、穩(wěn)定可靠的管控一體化監(jiān)控系統(tǒng)。并將在該區(qū)域建設(shè)一個(gè)分控中心,實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的集中監(jiān)控,進(jìn)而將轉(zhuǎn)變各系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行管理模式,達(dá)到“減員提效”的目的,同時(shí)也將借助自動(dòng)化手段改善操作與維護(hù)崗位人員的作業(yè)環(huán)境。
分控中心所融合的全部數(shù)據(jù)最終將上傳至大柳塔煤礦目前所使用的區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)(LCS),并將在大柳塔礦區(qū)域生產(chǎn)控制指揮中心集中監(jiān)控,從而補(bǔ)齊礦井生產(chǎn)系統(tǒng)與地面輔助系統(tǒng)集成控制的短板。
由于本區(qū)域靠近居民村落,為考慮周?chē)用衩馐艿V井生產(chǎn)環(huán)境污染的影響。因此,該項(xiàng)目的另外一個(gè)重要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)大柳塔礦調(diào)度指揮中心對(duì)該區(qū)域的氣、水、聲等的排放環(huán)境因素實(shí)時(shí)監(jiān)控,變被動(dòng)應(yīng)對(duì)環(huán)境檢查,轉(zhuǎn)為主動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)管理,真正做到各種排放心中有數(shù)。
在自動(dòng)化領(lǐng)域中,工控網(wǎng)絡(luò)的組建是工業(yè)自動(dòng)化控制的基礎(chǔ),也是設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要保障。所謂工業(yè)以太網(wǎng),是將以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制的局域網(wǎng)技術(shù),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線、星型、環(huán)型等,組成環(huán)形的工業(yè)以太網(wǎng)叫工業(yè)以太環(huán)網(wǎng),簡(jiǎn)稱工業(yè)環(huán)網(wǎng)[2]。
因此,本項(xiàng)目為積極響應(yīng)國(guó)家“兩化融合”的偉大號(hào)召,借助當(dāng)前最先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)控制技術(shù),搭建一個(gè)信息與自動(dòng)化程度較高的管控一體化工控網(wǎng)絡(luò),如圖1 所示。在活雞兔井地面六大生產(chǎn)輔助系統(tǒng)中,都將通過(guò)設(shè)置PLC 分站進(jìn)行設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集。并將在分控中心設(shè)一臺(tái)PLC 主站,打通六大系統(tǒng)的工控網(wǎng)絡(luò)。最后將在分控中心與調(diào)度指揮中心對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)、監(jiān)控、分析與利用等。
圖1 管控一體化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖
分控中心管控一體化系統(tǒng)按照如圖2 所示的功能及體系進(jìn)行構(gòu)建,涵蓋了底層自動(dòng)化系統(tǒng)的改造,中間數(shù)據(jù)層的采集、存儲(chǔ)和服務(wù),以及應(yīng)用層數(shù)據(jù)的展示和利用。
圖2 系統(tǒng)功能及構(gòu)建層級(jí)
2.3.1 基礎(chǔ)層
數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和控制命令的有效執(zhí)行是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ),所以這部分也是整個(gè)項(xiàng)目的核心內(nèi)容。本次改造涉及到了傳感器加裝,各種功能性儀器儀表的加裝,各種年久失修執(zhí)行機(jī)構(gòu)的改造或者加裝,配電系統(tǒng)的自動(dòng)化改造等一系列自動(dòng)化系統(tǒng)的恢復(fù)和改造工作。在六大輔助生產(chǎn)系統(tǒng)中,主通風(fēng)機(jī)房、壓風(fēng)機(jī)房和35 kV 變電站均已具備較為完善的自動(dòng)化系統(tǒng),只需在PLC 分站中增加部分通訊接口等模塊,即可直接接入系統(tǒng)。污水處理系統(tǒng)、黃泥注漿站、熱風(fēng)爐房設(shè)備較為陳舊,自動(dòng)化程度較差。因此需要重點(diǎn)對(duì)這三大系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。其具體改造方案如下:
1)污水處理廠改造。污水處理系統(tǒng)一期水廠設(shè)備過(guò)于陳舊,考慮此項(xiàng)目投資經(jīng)費(fèi)緊缺,此次改造對(duì)一期水廠暫不計(jì)劃自動(dòng)化改造。二期水廠是本次改造的重點(diǎn),需在二期水廠監(jiān)控室加裝一套PLC 分站,原則上將恢復(fù)現(xiàn)有的各類儀表和傳感器數(shù)據(jù),使其具備在分控中心集中控制功能。其次,充分利用原來(lái)電氣柜的自動(dòng)化基礎(chǔ),只改造控制系統(tǒng),使其符合神東煤炭集團(tuán)公司自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)要求。最后,在外排至烏蘭木倫河的排水管道上加裝各類傳感器,對(duì)最終外排的清水指標(biāo)數(shù)據(jù)(例如流量、COD 和PH 值等)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),跟蹤、記錄,進(jìn)而主動(dòng)應(yīng)對(duì)環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。另外,在各個(gè)工藝環(huán)節(jié)加裝流量計(jì)、液位計(jì)、濁度儀、超聲波污泥界面儀等,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各工藝環(huán)節(jié)的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)。并將部分手動(dòng)閥門(mén)改造升級(jí)為電動(dòng)閥門(mén),提高水廠的自動(dòng)化程度。同時(shí)在該區(qū)域的幾個(gè)水池、加藥區(qū)域布置高清攝像頭,實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。
2)黃泥注漿站改造。在黃泥灌漿站配電室加裝一套PLC 分站,采集注漿站主要設(shè)備(輸送機(jī),制備機(jī),攪拌機(jī),排污泵等)的運(yùn)行狀態(tài);加裝流量計(jì),統(tǒng)計(jì)每班每天的灌漿量;加裝濃度計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量制備的泥漿是否符合要求;加裝電量監(jiān)測(cè)儀表,測(cè)量注漿站的電量消耗數(shù)據(jù);加裝流量計(jì)測(cè)量注漿站的水量消耗數(shù)據(jù)。同時(shí)在該上料區(qū)域、注漿區(qū)域布置高清攝像頭,實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。
3)熱風(fēng)爐房改造。熱風(fēng)爐操作室加裝一套PLC分站,采集熱風(fēng)爐的主要運(yùn)行設(shè)備(引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、上煤機(jī)、刮板機(jī)、除塵系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)等)的狀態(tài)和供風(fēng)的溫度、壓力等數(shù)據(jù),同時(shí)對(duì)接環(huán)保部門(mén),讀取環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳到LCS 系統(tǒng)。另外,加裝電量監(jiān)測(cè)儀表,測(cè)量熱風(fēng)爐站的電量消耗數(shù)據(jù);加裝流量計(jì)測(cè)量熱風(fēng)爐站的水量(除塵、冷卻、脫硫用水)消耗數(shù)據(jù)。同時(shí)在該區(qū)域布置高清攝像頭,監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。
4)主通風(fēng)機(jī)房改造。在配電室加裝以太網(wǎng)接口設(shè)備,通過(guò)以太網(wǎng)將現(xiàn)有的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳至監(jiān)控室PLC 主站。同時(shí)在通風(fēng)機(jī)房蝶閥處加裝高清攝像頭,輔助人員監(jiān)控,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程切換風(fēng)機(jī)。
5)壓風(fēng)機(jī)房改造。在配電室加裝以太網(wǎng)接口設(shè)備,通過(guò)以太網(wǎng)將現(xiàn)有的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳至監(jiān)控室PLC主站。同時(shí)在壓風(fēng)機(jī)房加裝高清攝像頭,輔助人員監(jiān)控,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的壓風(fēng)機(jī)控制。
6)35 kV 變電站改造在變電站加裝工業(yè)以太網(wǎng)及電力協(xié)議轉(zhuǎn)換器,將35 kV 電力數(shù)據(jù)讀取到PLC主站,最終集成至LCS 系統(tǒng),形成礦井從地面35 kV至井下低壓1 140 V、660 V 和127 V 全系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)的集中監(jiān)控。
2.3.2 數(shù)據(jù)層
各種傳感器、儀器儀表和自動(dòng)化系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)在進(jìn)行最終利用時(shí)需要對(duì)其處理。數(shù)據(jù)層的主要作用是按照不同的種類和用途進(jìn)行歸納整理轉(zhuǎn)化成每個(gè)應(yīng)用層功能模塊需要的數(shù)據(jù)接口和格式。在這個(gè)層面中,需要配備合適交換機(jī)、服務(wù)器、和與之匹配的各種軟件,例如組態(tài)軟件、OPC 傳輸軟件,數(shù)據(jù)庫(kù)分析軟件和數(shù)據(jù)報(bào)表服務(wù)軟件等。同時(shí)數(shù)據(jù)層還要為分控中心和大柳塔煤礦區(qū)域生產(chǎn)控制指揮中心提供準(zhǔn)確穩(wěn)定的運(yùn)行數(shù)據(jù),便于應(yīng)用層數(shù)據(jù)的有效利用,見(jiàn)上頁(yè)圖2。
2.3.3 應(yīng)用層
應(yīng)用層包括基礎(chǔ)應(yīng)用、高級(jí)應(yīng)用和移動(dòng)應(yīng)用三種?;A(chǔ)應(yīng)用即是基本的自動(dòng)化SCADA 人機(jī)一體化監(jiān)控界面,滿足監(jiān)控人員可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確掌握整個(gè)場(chǎng)區(qū)各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況,以及各系統(tǒng)日常的生產(chǎn)操作,例如遠(yuǎn)程控制,報(bào)警管理,歷史數(shù)據(jù)查詢等。高級(jí)應(yīng)用主要是生成逐級(jí)的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表,對(duì)整個(gè)場(chǎng)區(qū)的電耗,水耗,排放數(shù)據(jù)等消耗內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,實(shí)現(xiàn)精細(xì)化生產(chǎn)管理的要求。移動(dòng)應(yīng)用主要是針對(duì)該場(chǎng)區(qū)生產(chǎn)人員巡視工作繁多,場(chǎng)區(qū)距離管理人員所在地較遠(yuǎn)等問(wèn)題開(kāi)發(fā)的手機(jī)或PAD 等移動(dòng)終端的監(jiān)控畫(huà)面,使各系統(tǒng)巡視人員和管理人員能夠隨時(shí)隨地了解生產(chǎn)運(yùn)行狀況,同時(shí)對(duì)一些排放超標(biāo)、風(fēng)機(jī)停機(jī)等重要事件能夠及時(shí)通過(guò)手機(jī)微信、短信等報(bào)警的形式獲悉。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,場(chǎng)區(qū)周邊有村民居住,場(chǎng)區(qū)基本處于開(kāi)放狀態(tài),周邊村落無(wú)關(guān)人員或牲畜的闖入將會(huì)對(duì)場(chǎng)區(qū)各個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成隱患,同時(shí)污水處理場(chǎng)還有各種污水池等,對(duì)闖入人員的人身安全造成極大的安全隱患。所以,該項(xiàng)目還需考慮構(gòu)建一套工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng),既起到場(chǎng)區(qū)安防和闖入報(bào)警的作用,又可通過(guò)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),形成一個(gè)既有數(shù)據(jù)信號(hào)顯示,又有視頻輔助的完備自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)。
此外,分控中心建成后,將形成由分控中心調(diào)度與系統(tǒng)巡視相結(jié)合的方式值班。因此,有必要在該區(qū)域配置無(wú)線對(duì)講系統(tǒng),有助于分控中心調(diào)度人員與現(xiàn)場(chǎng)崗位巡視人員及時(shí)通訊。
分控中心是該項(xiàng)目六大系統(tǒng)集中監(jiān)控和調(diào)度的集中點(diǎn),因此對(duì)分控中心位置的選擇至關(guān)重要。為考慮礦井通風(fēng)安全,計(jì)劃將分控中心設(shè)計(jì)在主通風(fēng)機(jī)房旁邊,這樣即使出現(xiàn)無(wú)計(jì)劃停風(fēng)等事故,分控中心值班人員可及時(shí)趕赴現(xiàn)場(chǎng)排查風(fēng)機(jī)的故障,從而保證井下主通風(fēng)機(jī)給井下可靠供風(fēng)。
由于分控中心所集成的數(shù)據(jù)最終都將接入?yún)^(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)(LCS),因此只需在分控中心值班室配置一套LCS 系統(tǒng)工位機(jī)和三塊顯示屏,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控;其次,為實(shí)時(shí)監(jiān)控廠區(qū)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),還需在操作工位前配置兩臺(tái)75 寸高低可調(diào)節(jié)的液晶屏顯示器。最后,還需配置一臺(tái)辦公用電腦,完成一些日常值班記錄或報(bào)表的制作等,其分控中心設(shè)計(jì)效果如下頁(yè)圖3 所示。
該項(xiàng)目六大系統(tǒng)整合后,為保證新建系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行,此項(xiàng)目計(jì)劃從管理和技術(shù)兩方面進(jìn)行管控。
1)管理方面。加強(qiáng)人員的崗位職責(zé)和技術(shù)能力的培訓(xùn),使其盡快熟悉新系統(tǒng)的內(nèi)容、操作和故障處理流程。建立各系統(tǒng)重要故障發(fā)生后的應(yīng)急處理預(yù)案,在故障發(fā)生后,崗位人員能夠第一時(shí)間按照流程進(jìn)行處理。建立崗位巡查制度,保證崗位巡查落到實(shí)處,同時(shí)也將提高巡查質(zhì)量。
圖3 分控中心設(shè)計(jì)效果圖
2)技術(shù)方面。梳理每個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵報(bào)警,通過(guò)建立完善和多維度的自動(dòng)化系統(tǒng)報(bào)警功能,實(shí)現(xiàn)報(bào)警的各級(jí)崗位推送。例如出現(xiàn)主扇停機(jī)等事故,除了在監(jiān)控系統(tǒng)上報(bào)警,還可通過(guò)短信等方式及時(shí)推送給管理人員。并可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)各系統(tǒng)出現(xiàn)頻次較高的報(bào)警,工作人員可針對(duì)性地檢修設(shè)備,從而減少系統(tǒng)報(bào)警次數(shù),降低設(shè)備故障率。
1)節(jié)能減排,合理排放。礦井生產(chǎn)系統(tǒng)與地面輔助系統(tǒng)集成后,將實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)分析。從全局角度管控礦井生產(chǎn)系統(tǒng)電耗、水耗和井下風(fēng)量、風(fēng)壓、溫度,以及地面水、氣、聲等排放指標(biāo),并以此作為礦井生產(chǎn)管理的輔助決策依據(jù),進(jìn)而更科學(xué)地組織生產(chǎn),達(dá)到“節(jié)能減排”的目標(biāo)。
2)無(wú)人化運(yùn)行,減員提效。本文對(duì)各系統(tǒng)整合的效益主要在于實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測(cè)監(jiān)控,對(duì)各分系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)人化還有一定差距。因此,對(duì)于集控系統(tǒng)未來(lái)的應(yīng)用價(jià)值還在于對(duì)系統(tǒng)中所有設(shè)備都能達(dá)到可靠控制,從而真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人化運(yùn)行,達(dá)到“減員提效”的目的。
3)閉環(huán)調(diào)節(jié),智能化控制。各系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合后,地面生產(chǎn)輔助系統(tǒng)可與井下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行智能聯(lián)動(dòng)控制。例如通過(guò)讀取井下關(guān)鍵位置的溫度數(shù)據(jù),可合理調(diào)節(jié)地面熱風(fēng)爐的輸出溫度;通過(guò)讀取井下壓風(fēng)管路壓力,合理調(diào)節(jié)壓風(fēng)的出口壓力;通過(guò)讀取井下風(fēng)速、風(fēng)量傳感器數(shù)據(jù),可合理調(diào)節(jié)主通風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)風(fēng)速及風(fēng)量;通過(guò)讀取井下排水管道壓力和流量傳感器數(shù)據(jù),可提前調(diào)整污水處理進(jìn)度;通過(guò)讀取井下生產(chǎn)數(shù)據(jù),可隨時(shí)調(diào)整地面變電站供電參數(shù),保障礦井供電線路的穩(wěn)定運(yùn)行等。