鐵礦深部開(kāi)采礦井排水自動(dòng)控制

張曉淼 ，楊成財(cái) ，吳東 ，修德江

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 鞍山 114004；2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)弓長(zhǎng)嶺有限公司燈塔分公司，遼寧 遼陽(yáng) 111312；3.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司眼前山分公司，遼寧 鞍山 114044）

向地球深部進(jìn)軍是近期和未來(lái)我國(guó)科技創(chuàng)新的重要方向。目前，地球淺部礦產(chǎn)資源已逐漸枯竭，資源開(kāi)發(fā)不斷走向地球深部，深部資源開(kāi)采已成為常態(tài)，現(xiàn)有的大部分露天礦山也將陸續(xù)轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采。地下深部開(kāi)采需要修建大量礦井，并在井下修建大量巷道。由于降水與地下水的滲透，礦井及巷道會(huì)聚集大量礦水，不僅影響生產(chǎn)，還威脅著井下工作人員的健康和安全。礦井排水系統(tǒng)主要是將礦山井下涌出的礦井水及時(shí)、可靠、安全地排至地面，是礦井必不可少的主要生產(chǎn)系統(tǒng)之一，其可靠性至關(guān)重要，是井下人員安全工作和機(jī)械、電氣設(shè)備良好運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障。

為了保證鐵礦地下深部開(kāi)采的安全，實(shí)現(xiàn)排水泵高效率、安全可靠的自動(dòng)化運(yùn)行，設(shè)計(jì)了一種智能高效的礦井排水自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用避峰填谷的用電控制方式，能夠自動(dòng)判斷和優(yōu)化控制水泵的運(yùn)行狀態(tài)，本文對(duì)此做一介紹。

1 礦井排水自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

礦井井下的涌水量與很多因素有關(guān)，如天氣、地質(zhì)、工藝因素等。排水系統(tǒng)要根據(jù)礦山開(kāi)采的具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，影響礦井排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)包括礦井的正常涌水量和最大涌水量、礦井水密度、礦井深度等，這些都是原始數(shù)據(jù)。礦井排水自動(dòng)控制系統(tǒng)由礦井排水系統(tǒng)和礦井排水控制系統(tǒng)組成。

（1）礦井排水系統(tǒng)是由水倉(cāng)、排水泵、電機(jī)、排水管、閥門等組成的蓄水、排水管道網(wǎng)絡(luò)。

（2）礦井排水控制系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控中心、井下PLC控制中心和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)三部分組成。采用的設(shè)備包括：① 地面監(jiān)控中心采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)MK610、PLC編程軟件博途V15.1、計(jì)算機(jī)畫面組態(tài)軟件KingView7.0等設(shè)備；② PLC采用S7-1200系列，包括CPU1215C、SM1221數(shù)字量輸入模塊、SM1222數(shù)字量輸出模塊、SM1231模擬量輸入模塊等設(shè)備；③ 數(shù)據(jù)采集采用電流傳感器WB1414S01、振動(dòng)溫度傳感器TE/VE-101f、電磁流量傳感器7ME5610-6FB15-1AA1、超聲波液位計(jì) 7ML51-10-1GD07-4AF3、壓力變送器7MF4033-1DY00-2AB6。

礦井排水自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件組成架構(gòu)見(jiàn)圖1。系統(tǒng)主要采用PLC控制技術(shù)，并結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)，對(duì)井下4組排水泵進(jìn)行無(wú)人值守自動(dòng)控制。在利用觸摸屏對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、控制及報(bào)警的同時(shí)，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)將相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到地面監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)該控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及調(diào)度。系統(tǒng)通過(guò)液位傳感器采集水倉(cāng)水位，并綜合其他相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)度4組水泵進(jìn)行輪流工作，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況決定水泵的啟動(dòng)組數(shù)。水泵的運(yùn)行狀態(tài)及傳感器的檢測(cè)數(shù)值通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸回地面的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 礦井排水自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture Diagram for Automatic Control System of Mine Drainage

2 系統(tǒng)控制方式和功能

礦井排水自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)PLC自動(dòng)化控制排水系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控各組水泵的各種工況參數(shù)，包括水倉(cāng)液位、水泵軸承溫度、泵座振動(dòng)、泵口壓力、排水管道流量、電機(jī)電流、電機(jī)繞組溫度等，并按照設(shè)定的程序?qū)崿F(xiàn)水泵的自動(dòng)啟停和故障報(bào)警。

本控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)3種控制方式：自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制和本地手動(dòng)。

（1）自動(dòng)控制。采用該方式時(shí)無(wú)需人工操作，通過(guò)將各傳感器采集到的狀態(tài)信息傳輸給PLC控制中心，由PLC控制器按照設(shè)定的程序，產(chǎn)生控制指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制排水系統(tǒng)的啟停、水泵機(jī)組的調(diào)度、工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障報(bào)警等功能。

（2）遠(yuǎn)程控制。通過(guò)上位機(jī)的動(dòng)態(tài)畫面監(jiān)控排水系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視、報(bào)警，數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和打印，以及歷史數(shù)據(jù)記錄等功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)排水系統(tǒng)水泵機(jī)組的遠(yuǎn)程調(diào)控。

（3）本地手動(dòng)。操作人員可以在本地操作臺(tái)直接控制排水系統(tǒng)的運(yùn)行，并通過(guò)操作臺(tái)觸摸屏上的人工界面實(shí)時(shí)檢測(cè)排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

3 系統(tǒng)控制過(guò)程

礦井排水自動(dòng)系統(tǒng)由4組排水泵組成，在地面監(jiān)控中心上位機(jī)上設(shè)有組態(tài)畫面，組態(tài)畫面上可實(shí)時(shí)顯示4組水泵和電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、各個(gè)閥門的開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及各個(gè)傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)。在所有傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)中，水倉(cāng)液位數(shù)據(jù)最為重要，在水倉(cāng)的不同位置分別設(shè)置兩個(gè)液位傳感器，在狀態(tài)畫面中以圖形和數(shù)字實(shí)時(shí)準(zhǔn)確顯示液位的變化趨勢(shì)和速度，并對(duì)液位所在的液位段改變顏色和閃爍突出。對(duì)于各種設(shè)備故障和超限報(bào)警，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄所產(chǎn)生的設(shè)備故障或超限種類、等級(jí)、產(chǎn)生的時(shí)間等歷史數(shù)據(jù)，并形成報(bào)表。報(bào)警部位以紅色閃爍警示相關(guān)人員進(jìn)行處理，以免發(fā)生事故，造成損失。系統(tǒng)的組態(tài)畫面通過(guò)模擬仿真功能，可實(shí)時(shí)直觀反映整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程，并以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反映現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行工況。

控制系統(tǒng)采用避峰填谷的用電控制方案，當(dāng)系統(tǒng)為自動(dòng)控制模式時(shí)，主要依據(jù)水倉(cāng)的液位信息及其他相關(guān)參數(shù)確定4組排水泵啟?？刂品桨浮８鶕?jù)礦井生產(chǎn)工藝要求，設(shè)定5級(jí)水倉(cāng)液位限值，分別為下限值H、一級(jí)啟動(dòng)值H、二級(jí)啟動(dòng)值H、三級(jí)啟動(dòng)值 H、超限啟動(dòng)值 H，且 H＜H＜H＜H＜H。 PLC 讀取水倉(cāng)液位值，計(jì)算液位上升到下一級(jí)啟動(dòng)值的時(shí)間，并與達(dá)到用電低谷時(shí)段的時(shí)間比較，以確定水泵啟動(dòng)的數(shù)量。設(shè)t為液位上升到H的時(shí)間，t為達(dá)到低谷時(shí)段的時(shí)間。礦井排水自動(dòng)控制系統(tǒng)流程見(jiàn)圖2。由圖2看出，此系統(tǒng)可有效地將排水時(shí)間安排在用電低谷時(shí)間段，降低用電量，節(jié)約生產(chǎn)成本；同時(shí)盡可能減少水泵的啟停次數(shù),降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖2 礦井排水自動(dòng)控制系統(tǒng)流程Fig.2 Flow Chart for Automatic Control System of Mine Drainage

4 結(jié)語(yǔ)

隨著淺層資源的不斷枯竭，礦井開(kāi)采的深度也在不斷增加，投入建設(shè)和生產(chǎn)的超千米深礦井也越來(lái)越多，部分深礦井涌水量較大，排水費(fèi)用巨大。應(yīng)用鐵礦深部開(kāi)采礦井排水自動(dòng)控制系統(tǒng)，并采用避峰填谷的用電控制方案，按用電的峰谷時(shí)段對(duì)排水系統(tǒng)的工作進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)科學(xué)計(jì)算，有效的將排水時(shí)間安排在用電的低谷時(shí)間段，可使排水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)，降低用電量，減少排水泵的啟停次數(shù)，降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。