淺談煤礦綜合自動化系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用

宋志亮

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 沁水 048214）

為積極響應(yīng)國家大力發(fā)展煤礦智能化建設(shè)、推動煤炭產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型相關(guān)政策，保證煤礦安全高效生產(chǎn)，實現(xiàn)建設(shè)高效智慧礦山，打造本質(zhì)安全型礦井工作理念，玉溪煤礦作為晉城市智慧化礦山建設(shè)試點單位，正在逐步將機械化、自動化、信息化研發(fā)成果引入煤礦安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)，建成以瓦斯抽采、通風(fēng)排水、主運輸、輔助運輸?shù)葹橹鞯? 個子系統(tǒng)集成控制的煤礦監(jiān)控及自動化平臺，煤礦生產(chǎn)進一步全面智能化，向“安全、高效、綠色”的現(xiàn)代新型煤炭工業(yè)體系建設(shè)發(fā)展。

1 煤礦綜合自動化系統(tǒng)設(shè)計原則

煤礦綜合自動化系統(tǒng)設(shè)計主要突出先進性和可靠性、適用性和易用性、可視性和可控性、可互聯(lián)和可共享、可擴展和可開發(fā)等原則，以先進的設(shè)計理念為基礎(chǔ)，采用符合未來技術(shù)發(fā)展的先進技術(shù)手段來構(gòu)架綜合自動化軟件平臺，利用環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)將礦井的瓦斯抽放泵房監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、皮帶監(jiān)控系統(tǒng)、壓風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)、主通風(fēng)機監(jiān)測系統(tǒng)、泵房自動化系統(tǒng)及各工業(yè)現(xiàn)場的視頻監(jiān)控匯聚，使各自動化子系統(tǒng)數(shù)據(jù)可進行有效集成和有機整合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合分析，從而實現(xiàn)系統(tǒng)減人、無人的目的。另外，集控中心、調(diào)度室可對井上下施工地點的環(huán)節(jié)、設(shè)備、人員進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)煤礦井上下統(tǒng)一調(diào)度。

2 煤礦綜合自動化系統(tǒng)技術(shù)路線

2.1 瓦斯抽采系統(tǒng)技術(shù)路線

采用PLC 控制系統(tǒng)對瓦斯抽采泵、循環(huán)水系統(tǒng)、閥門等進行多方式控制，確保系統(tǒng)高效、可靠、安全的運行，降低工人勞動量，同時對泵站環(huán)境參數(shù)、管路參數(shù)、工況參數(shù)、循環(huán)水等參數(shù)進行實時監(jiān)測，保障瓦斯抽采系統(tǒng)安全運行。

2.2 供配電系統(tǒng)技術(shù)路線

對礦井上下供配電系統(tǒng)進行遠程監(jiān)測和控制，具備遠程分合閘功能，遙調(diào)、遙測、遙信、遙控、遙視功能，同時對主變電所電纜夾層、電纜井進行自動化報警裝置設(shè)計，并對電纜較為集中的電纜溝、橋架進行火災(zāi)告警系統(tǒng)設(shè)計，達到遠程操控、無人值守的要求，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的遠程自動化。

2.3 主運輸系統(tǒng)技術(shù)路線

采用“工業(yè)以太網(wǎng)+現(xiàn)場總線”的控制模式，結(jié)合皮帶沿線的擴音廣播系統(tǒng)和工業(yè)電視系統(tǒng)，實現(xiàn)了逆煤流啟動、順煤流停車功能，采集設(shè)備工況，具有控制、信息采集與處理、保護、故障診斷、語音報警、視頻監(jiān)控和數(shù)字擴音等功能，實現(xiàn)煤流系統(tǒng)遠程監(jiān)測監(jiān)控的要求。

2.4 其他系統(tǒng)技術(shù)路線

除以上三大系統(tǒng)外，還有礦井通風(fēng)、壓風(fēng)、排水、工業(yè)視頻監(jiān)控、信息引導(dǎo)及發(fā)布等六大系統(tǒng)。礦井通風(fēng)系統(tǒng)可實現(xiàn)主通風(fēng)機和局部通風(fēng)機的集中控制、調(diào)速、啟動、反風(fēng)、倒風(fēng)等一鍵式操作功能；壓風(fēng)系統(tǒng)對壓風(fēng)機排氣壓力、溫度、管道風(fēng)量、電機電壓、電流及相關(guān)閥門進行監(jiān)測、控制和切換等操作；排水通過“多級控制模式”可進行一鍵啟停、自動輪詢、自動開停泵等操作；工業(yè)視頻監(jiān)控子系統(tǒng)通過高清視頻對工業(yè)廣場、地面變電所、瓦斯抽采站、壓風(fēng)機房、副井提升機房、地面煤流篩分系統(tǒng)、煤流轉(zhuǎn)載點、井下變電所、排水泵房等重要場所進行自診斷功能、自動報警；信息導(dǎo)引及發(fā)布系統(tǒng)實時監(jiān)控井下環(huán)境參數(shù)、關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)、區(qū)域環(huán)境評估、人員分布等常規(guī)信息。

煤礦綜合自動化系統(tǒng)通過對井上下大系統(tǒng)常規(guī)信息收集、分析、報警、倒換、成圖等功能的自動化，實現(xiàn)各大系統(tǒng)全自動化運行，達到煤礦生產(chǎn)主要系統(tǒng)無人值守的目的，從根本上做到“自動化減人、現(xiàn)場無人”的本質(zhì)安全。

3 自動化系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 瓦斯抽采系統(tǒng)應(yīng)用

瓦斯抽采自動化要實現(xiàn)監(jiān)測和監(jiān)控兩個功能，檢測功能的實現(xiàn)通過中心站、顯示控制裝置、檢測傳感器三層結(jié)構(gòu)。中心站負責(zé)管理整個瓦斯抽采系統(tǒng)中各設(shè)備檢測的數(shù)據(jù)、抽放監(jiān)控柜實時數(shù)據(jù)通訊、統(tǒng)計存儲、屏幕顯示、查詢打印、網(wǎng)絡(luò)通訊等任務(wù)；顯示控制裝置層（分站）采集現(xiàn)場各傳感器數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)計量及操作控制、故障保護、面板操作、現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示、聲光報警等；傳感器層采集瓦斯抽采系統(tǒng)中的各種參數(shù)。

控制功能的實現(xiàn)通過上位機、PLC 可編程控制柜、受控設(shè)備三層結(jié)構(gòu)。上位機負責(zé)實時監(jiān)控整個抽放系統(tǒng)所有設(shè)備的運行狀態(tài)，采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷控制條件，下發(fā)控制指令，共享控制權(quán)力（實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠程控制）；PLC 可編程控制箱集中控制現(xiàn)場所有受控設(shè)備，通過儲存的程序指令以條件式地判斷分別精確地實現(xiàn)遠程控制；受控設(shè)備包括抽放泵、電動閥等。具體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 瓦斯抽采自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖

3.2 供配電系統(tǒng)應(yīng)用

供配電自動化系統(tǒng)已實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)和遙視功能，并通過繪圖軟件自行定義各種圖元和動態(tài)關(guān)聯(lián)點，由人機界面程序?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場情況的動態(tài)顯示。當(dāng)系統(tǒng)運行異常時，顯示圖通過閃爍和語音的方式進行自行報警，操作人員可通過遙控、遙調(diào)的方式消除故障；還能夠?qū)v史和當(dāng)前數(shù)據(jù)以曲線、棒圖、餅圖等形式顯示，直觀反應(yīng)各點數(shù)據(jù)占比，自動生成各類報表；通過視頻在屏幕上觀察各開關(guān)、刀閘位置，線路功率、電流等潮流信息，趨勢曲線信息，從而進行各接線圖切換，對各畫面放大、縮小、導(dǎo)航、分層查看等操作；通過人工置數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)設(shè)置和在線編輯等功能。如圖2 所示。

圖2 供配電自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖

3.3 其他系統(tǒng)應(yīng)用

礦井其他系統(tǒng)也都是通過地面監(jiān)控室監(jiān)控操作人員對主運輸、通風(fēng)、壓風(fēng)、排水、工業(yè)視頻監(jiān)控、信息引導(dǎo)及發(fā)布等系統(tǒng)各個地點、設(shè)備進行控制。皮帶機的開停、通風(fēng)機參數(shù)的實時監(jiān)控、壓風(fēng)機的智能管控、水泵的自動控制、各施工地點的視頻監(jiān)控等都可在地面監(jiān)控室完成，并通過礦井上/下光纖工業(yè)電視系統(tǒng)、調(diào)度通信系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)和語音廣播系統(tǒng)將信息實時傳送到礦調(diào)度指揮中心、跟值班人員手機和礦領(lǐng)導(dǎo)辦公室，并將調(diào)度信息通過通訊系統(tǒng)反饋到井上下各施工地點，實現(xiàn)地面統(tǒng)一調(diào)度。

4 應(yīng)用效果

4.1 經(jīng)濟效益分析

玉溪煤礦正積極推進煤礦綜合自動化系統(tǒng)升級改造，系統(tǒng)建成后地面通風(fēng)機房、空壓機房、瓦斯發(fā)電站、地面變電所、井下水泵房、變電所、皮帶頭能夠基本實現(xiàn)有人巡檢、無人值守，共計減人約64 名。人員年薪按照5 萬元/人核算，每年可減少人工成本投入約320 萬元。具體如表1 所示。

表1 玉溪煤礦自動化減人情況表

綜合自動化系統(tǒng)的運行提高了生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備（主要包括煤流系統(tǒng)、排水系統(tǒng)）開機率，設(shè)備運行連續(xù)，減少設(shè)備空轉(zhuǎn)時間，節(jié)約了大量的電費。根據(jù)系統(tǒng)運行故障記錄、報警信息等指導(dǎo)維護人員合理并及時安排設(shè)備檢修，實現(xiàn)設(shè)備精準維護，降低設(shè)備損耗。根據(jù)往年設(shè)備檢修費用分析，降低設(shè)備損耗按照維修費用的20%核算，每年可減少設(shè)備維修費用約200 萬元。

4.2 安全效益分析

煤礦綜合自動化系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，打破原有各大系統(tǒng)信息“孤島式”管理，實現(xiàn)了礦井信息共享，做到整個礦井統(tǒng)一布局、協(xié)同作業(yè)，除了帶來一定的經(jīng)濟效益外，主要解決了煤礦在安全方面的迫切需求。

（1）通過各大系統(tǒng)自動檢測、控制、報警等功能，有效縮短了人工調(diào)度出現(xiàn)的時間差，極大提高了礦井應(yīng)急反應(yīng)和處置能力。

（2）自動化終端對各大系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備運行參數(shù)、故障檢修和開?？刂频膶崟r操作，減少了關(guān)鍵崗位人員配備，進一步貫徹“無人則安，少人則安”、“建設(shè)高效智慧礦山，打造本質(zhì)安全型礦井”的煤礦工作理念。

5 結(jié)論

通過煤礦綜合自動化系統(tǒng)平臺的建立和實施，實現(xiàn)了生產(chǎn)工藝的全過程自動化控制，改變了傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，優(yōu)化了生產(chǎn)流程，提高了礦井自動化程度，提高了礦井的經(jīng)濟效益和社會效益。玉溪煤礦建立煤礦綜合自動化系統(tǒng)平臺后，實現(xiàn)了6 大系統(tǒng)13 個地點的無人操作，減少64 人，人工和設(shè)備維修費用約每年節(jié)約520 萬元。通過煤礦自動化系統(tǒng)平臺的實施，礦井還實現(xiàn)安全生產(chǎn)動態(tài)管理、集中管控和預(yù)警聯(lián)動，為專家決策和大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析等智慧礦山的建設(shè)打下了堅實基礎(chǔ)。