礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在煤礦中的建設(shè)與應(yīng)用

樊亞輝

摘 要：隨著科技的發(fā)展，煤礦引入自動(dòng)化控制系統(tǒng)勢(shì)在必行，這樣不但能夠降低人為操作所帶來(lái)的不安全因素，而且能夠提高煤礦自動(dòng)化運(yùn)行水平。筆者結(jié)合工作實(shí)踐，主要對(duì)其進(jìn)行研究，所取效果比較顯著，以期為類似煤礦的推廣和應(yīng)用提供幫助。

關(guān)鍵詞：綜合自動(dòng)化;目標(biāo);原則;經(jīng)濟(jì)效益

中圖分類號(hào)：TD67文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）02-0071-03

Abstract： With the development of science and technology， it is imperative to introduce automatic control system into coal mine， which can not only reduce the unsafe factors caused by human operation， but also improve the automatic operation level of coal mine. In combination with work practice， the author mainly researches it， and the results are significant， with a view to providing help for the promotion and application of similar coal mines.

Keywords： integrated automation;objectives;principles;economic benefits

某煤礦地處鄭州市境內(nèi)，屬于現(xiàn)代化礦井，已經(jīng)安裝很多獨(dú)立的操作系統(tǒng)，如主副井提升系統(tǒng)、自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)、主扇控制系統(tǒng)和電力監(jiān)控系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)相互獨(dú)立，沒(méi)有充分利用通信資源，使得調(diào)度仍舊比較困難。伴隨信息自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，很多煤礦都已應(yīng)用自動(dòng)化控制技術(shù)，同時(shí)鑒于安全生產(chǎn)需要，煤礦構(gòu)建和應(yīng)用綜合自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)。

1 當(dāng)前煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用概況

1.1 安全監(jiān)控系統(tǒng)

從現(xiàn)在煤礦開(kāi)采情況來(lái)看，主要用的監(jiān)控系統(tǒng)由兩部分組成，其一是開(kāi)采安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其二是生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)控傳感器通常分布在光纖傳輸主干、綜采工作面、礦井下分站、地面主控機(jī)等處，旨在實(shí)時(shí)監(jiān)控礦井內(nèi)的風(fēng)門(mén)開(kāi)關(guān)、井下溫度、CO含量、風(fēng)速、風(fēng)量、瓦斯等環(huán)境參數(shù)。除此之外，安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)還可以對(duì)機(jī)電設(shè)備的整體工作情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)聯(lián)網(wǎng)來(lái)完成監(jiān)控和管理多個(gè)子系統(tǒng)的任務(wù)[1-3]。該系統(tǒng)極大地提高了煤礦預(yù)警能力，有效監(jiān)控煤礦的生產(chǎn)設(shè)備、內(nèi)部氣體以及生產(chǎn)環(huán)境等，為煤礦安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

1.2 人員定位系統(tǒng)

煤礦設(shè)置該系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)、有效地監(jiān)測(cè)內(nèi)部工作人員的流動(dòng)以及數(shù)量等情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦內(nèi)部人員的定位監(jiān)測(cè)。這是安全生產(chǎn)工作的關(guān)鍵內(nèi)容之一，尤其是煤礦發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，人員定位系統(tǒng)能夠快速協(xié)助救援工作。

1.3 主運(yùn)煤工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

礦井自動(dòng)化系統(tǒng)的主運(yùn)煤工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下部分組成，即礦井下就地單臺(tái)、地面工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)、煤礦開(kāi)采地面集中控制系統(tǒng)和煤礦開(kāi)采集中控制系統(tǒng)等[4-6]。不僅如此，在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，該系統(tǒng)還能夠改成膠帶連續(xù)化運(yùn)輸系統(tǒng)，明顯提高主運(yùn)煤系統(tǒng)的工效。

1.4 主排水自動(dòng)化控制系統(tǒng)

煤礦開(kāi)采時(shí)，主排水自動(dòng)化控制系統(tǒng)不僅能夠以更生動(dòng)、更形象的方式（主要是圖形和圖像）預(yù)測(cè)和反映地下水位的實(shí)際情況，還可以及時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)溫度、地下排水管道的流量參數(shù)，這樣就可以很好地實(shí)現(xiàn)通信模塊和主機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換目標(biāo)。

2 煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)

煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要分為兩部分，一是生產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)，二是視頻監(jiān)控系統(tǒng)。有研究指出，煤礦控制系統(tǒng)必不可少，但是更需要構(gòu)建一個(gè)綜合信息化平臺(tái)，以確保通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、事件處置高效、數(shù)據(jù)傳輸可靠，同時(shí)把相互獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，把煤礦所有生產(chǎn)設(shè)備的具體信息和視頻監(jiān)控統(tǒng)一成一個(gè)整體，由此就能夠在地面實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的監(jiān)控。其優(yōu)勢(shì)還在于能夠把信息及時(shí)反饋給煤礦領(lǐng)導(dǎo)層，為決策提供參考依據(jù)。

3 煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)原則

3.1 采取集成平臺(tái)

集成平臺(tái)能夠把所有信息在一個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行傳輸，通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)完成智能化管理，顯著提高數(shù)據(jù)可靠性和傳輸利用率，降低有可能出現(xiàn)的重復(fù)性投資和建設(shè)，切實(shí)發(fā)揮各種資源的作用。另外，煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的所屬子系統(tǒng)在數(shù)據(jù)接口方面有諸多復(fù)雜協(xié)議，考慮到以后發(fā)展，煤礦應(yīng)當(dāng)從實(shí)際出發(fā)，采取集成平臺(tái)，以便實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和調(diào)度。

3.2 采取自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)

鑒于之前煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的局限性，很多系統(tǒng)沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不能兼容，這在很大程度上影響了廠商設(shè)備的互聯(lián)，降低了系統(tǒng)的傳輸效率，也加大了煤礦管理難度。所以，要想解決該問(wèn)題，人們就必須采取自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)，最好以工業(yè)以太網(wǎng)為主，其具有一系列優(yōu)勢(shì)，如成本低、效率高、擴(kuò)展性好、智能化水平高等，最突出的特點(diǎn)就是具有很強(qiáng)的分散性、可靠性、開(kāi)放性以及操作性，采用TCP/IP全球化標(biāo)準(zhǔn)，兼容性和可擴(kuò)展性都顯著提升。不僅如此，在選擇工業(yè)交換機(jī)時(shí)，最好把成熟的工業(yè)交換機(jī)列入首要選擇，因?yàn)槠淇煽啃愿谩?/p>

3.3 采取MES平臺(tái)

MES平臺(tái)是指生產(chǎn)管控一體化平臺(tái)，它是執(zhí)行操作系統(tǒng)，主要用來(lái)監(jiān)視和診斷煤礦整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。MES平臺(tái)能夠處理系統(tǒng)中包含的煤礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，把信息進(jìn)行分類，按需推送給相關(guān)工作人員，避免之前信息和自動(dòng)化之間出現(xiàn)斷層。

3.4 采取子系統(tǒng)通信和物理接口規(guī)劃

眾所周知，煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)比較復(fù)雜，其內(nèi)部存在很多子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)擔(dān)負(fù)不同的職責(zé)，有著不同的功能，差異較大，如數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)等，它們之間的物理接口都不一樣，需要較多的通信協(xié)議，導(dǎo)致通信規(guī)約較多。煤礦要合理選擇子系統(tǒng)通信規(guī)則和物理接口，科學(xué)規(guī)劃，確保全部子系統(tǒng)能夠并入綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中。

3.5 采取平臺(tái)設(shè)備

煤礦生產(chǎn)屬于一項(xiàng)高危工作，所以，最基本的原則就是以人為本，安全至上，提高煤礦生產(chǎn)的安全性與可靠性，這就對(duì)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的容錯(cuò)能力、冗余性提出了更高要求，其要能夠適應(yīng)煤礦的工作環(huán)境，還要防爆。因此，人們?cè)谶x擇平臺(tái)設(shè)備時(shí)要注意以下幾點(diǎn)。首先，要選擇容錯(cuò)架構(gòu)的服務(wù)器。其次，組建通信線路時(shí)要選擇環(huán)網(wǎng)技術(shù)，連接環(huán)網(wǎng)時(shí)采取耦合冗余連接，光纜鋪設(shè)要采取多芯單模備份的光纖，核心交換時(shí)采取熱備冗余技術(shù)。再次，要采取先進(jìn)的備份以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，方便實(shí)時(shí)備份處理，確保數(shù)據(jù)安全可靠。最后，選擇數(shù)字監(jiān)控技術(shù)來(lái)支持系統(tǒng)后備供電，通過(guò)在線雙變結(jié)構(gòu)解決電壓波動(dòng)、電源干擾、閃電雷擊等問(wèn)題，采取模塊化方式來(lái)設(shè)計(jì)電池組，工業(yè)交換機(jī)構(gòu)最好采取UPS供電方式，效果比較理想。

4 煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)具體建設(shè)情況

該礦現(xiàn)有的系統(tǒng)包括主扇控制系統(tǒng)、泵房自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)、井下高低壓電力監(jiān)控系統(tǒng)、地面主副井提升系統(tǒng)，這些系統(tǒng)處于相互獨(dú)立的狀態(tài)，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)通信資源的充分利用，使得調(diào)度仍舊比較困難。因此，當(dāng)務(wù)之急就是實(shí)現(xiàn)對(duì)地面管理系統(tǒng)的集中控制，具體建設(shè)情況分為以下幾方面。

4.1 煤礦綜合自動(dòng)化控制平臺(tái)

綜合自動(dòng)化平臺(tái)把該礦所有子系統(tǒng)很好地結(jié)合起來(lái)，主扇機(jī)房、主副井提升機(jī)房、中央泵房通過(guò)集控室集中在一起，并且通過(guò)交換機(jī)和光纖，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的交互通信，使煤礦生產(chǎn)各環(huán)節(jié)信息集中在平臺(tái)上，然后針對(duì)眾多數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對(duì)性的挖掘和分析處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)綜合評(píng)估關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、管控一體化的目的。

4.2 站控主單元

該單元具體作用就是采集、通信、處理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，連接不同的硬件通信設(shè)備接口，連續(xù)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)對(duì)配電室的智能設(shè)備、測(cè)控裝置、保護(hù)裝置等設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，把形成的信息發(fā)送至調(diào)度集控中心、遠(yuǎn)程后臺(tái)控制系統(tǒng)。

煤礦下的電力監(jiān)控系統(tǒng)主要安裝在各采區(qū)配電點(diǎn)、各盤(pán)區(qū)變電所以及井下中央變電所，主站系統(tǒng)由監(jiān)控工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、通信服務(wù)器三大硬件構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)四遙功能（遙調(diào)、遙控、遙信、遙測(cè)）。這樣在地面上就能夠修改和調(diào)整井下開(kāi)關(guān)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)以及分合閘，實(shí)時(shí)監(jiān)控開(kāi)關(guān)設(shè)備的動(dòng)作狀態(tài)，也可以對(duì)故障點(diǎn)發(fā)生的故障進(jìn)行及時(shí)報(bào)警和處理。

不管是主、副井提升機(jī)系統(tǒng)，還是主扇機(jī)房系統(tǒng)，都要采取PCS-9700集控站系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由交換機(jī)、以太網(wǎng)、UPS、操作員站、PCS-9700保護(hù)測(cè)控裝置等構(gòu)成。在沒(méi)有屏蔽時(shí)，相應(yīng)配套的間隔級(jí)控制設(shè)備也要具備抗電磁干擾的能力。煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，不論哪一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，都不會(huì)對(duì)其他設(shè)備造成影響，能夠保障主扇風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)主副井提升機(jī)監(jiān)控四遙功能，在集控室通過(guò)多種方式（聯(lián)動(dòng)、手動(dòng)、自動(dòng)）來(lái)遙控主水泵運(yùn)行。

4.3 后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)不但具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、采集、存儲(chǔ)井下數(shù)據(jù)的功能，而且具有操作控制命令下達(dá)和解釋、設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)查詢、緊急事件報(bào)警與記錄、圖表顯示等功能。系統(tǒng)操作界面簡(jiǎn)潔易懂，操作便捷，為工作人員遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警提供了依據(jù)。

5 煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析

該礦在建立綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)后，對(duì)之前的規(guī)章制度和組織管理機(jī)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整和完善，與此同時(shí)制定了新的管理制度，旨在適應(yīng)綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)?，F(xiàn)代化管理方式既提高了管理水平，又提升了工作效率，最重要的是實(shí)現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)效益，主要體現(xiàn)在以下兩方面。

5.1 節(jié)能效益

建立后，綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控中央水泵房，便于削谷填峰，輔助能源綜合管理手段，就可以顯著降低電能消耗，一年就可以節(jié)約近100萬(wàn)元。

5.2 生產(chǎn)效能

自建立綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)后，該煤礦所有設(shè)備具體運(yùn)行情況都能實(shí)現(xiàn)全面的量化，事故發(fā)生之初就可以準(zhǔn)確找出故障位置，然后提醒相關(guān)工作人員及時(shí)處理，把安全隱患消除在萌芽中。此外，提高設(shè)備排查隱患的能力，取平均數(shù)來(lái)算，每月減少事故處理影響時(shí)間6 h，那么一年就是72 h，該礦年生產(chǎn)能力為200萬(wàn)t/a，每小時(shí)大約出200t原煤，一年可多出原煤72×200=14 400 t，以400元/t來(lái)算，每年可增加銷售收入約576萬(wàn)元。

6 結(jié)語(yǔ)

在建立自動(dòng)化控制系統(tǒng)并應(yīng)用后，該煤礦有效集中控制了主扇控制系統(tǒng)、地面主副井提升系統(tǒng)、泵房自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)等，既降低了采煤成本，也提高了煤炭生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)管理水平，為工作人員安全提供了保障，并且確保了煤礦健康持續(xù)發(fā)展。

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