井下主排水泵遠程控制系統(tǒng)在張莊礦的應用

王 彪 劉建東 韓曉輝 李保健 黃明杰

（安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限責任公司）

安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限公司位于安徽省六安市霍邱縣霍邱鐵礦區(qū)，設計規(guī)模為采選綜合能力500萬t/a，采用地下開采、豎井開拓、兩翼對角式通風。礦區(qū)位于淮河平原區(qū)，地形低緩，海拔標高為25.10～34.50 m。礦區(qū)地處淮河南岸，地形南高北低。綜合各項水文數(shù)據(jù)，在-480 m水平設計布置了中央水泵房用于井下排水，配置5套高速、大流量、高揚程MD450-60×10型臥式多級離心泵，將井下水直接排至地表。前期為人工現(xiàn)場開泵排水，存在作業(yè)環(huán)境差、處理應急狀況不及時等問題，計劃通過遠程控制技術解決相關問題。

1 排水系統(tǒng)存在的問題及解決思路

對于井下礦山而言，排水工作十分重要。排水系統(tǒng)安全性、可靠性、經(jīng)濟性對于礦山安全及生產(chǎn)管理起著重要作用。前期張莊礦井下主排水泵處于就地控制狀態(tài)，排水時需工人由地表通過提升機下至-480 m水平水泵房進行現(xiàn)場操作，工人要在高溫、高噪聲的惡劣環(huán)境下工作，容易產(chǎn)生安全事故。

另外張莊礦井下水量較少，根據(jù)季節(jié)及充填情況變化，每24 h水量僅由單臺泵2～6 h即可完成排水工作。若安排人員24 h輪流值班，則嚴重浪費人力資源，若不安排人員值班，對于異常狀況往往不能及時發(fā)現(xiàn)，而一旦面臨井下涌水等突發(fā)情況時，人員無法及時就位進行處理。

自動化及遠程控制技術的發(fā)展為上述問題提供了良好的解決方案。通過PLC控制、在線檢測、智能管控技術，將現(xiàn)場水位等各類檢測數(shù)據(jù)在集控中心進行顯示，并設置報警功能，這樣不用再安排人員現(xiàn)場值班，并且各類異常情況也能及時發(fā)現(xiàn)。另外水泵的開停也在集控中心進行遠程操作，避免了操作人員長時間在高溫、高噪聲的環(huán)境下工作，減少了安全事故的發(fā)生。通過遠程自動化控制，可以降低人工成本、改善工作環(huán)境，實現(xiàn)本質(zhì)安全［1-5］。

2 解決方案

系統(tǒng)在-480 m中央水泵房現(xiàn)場布置了一套PLC控制柜，用西門子S7-1500作為主控CPU，PLC控制系統(tǒng)用來采集現(xiàn)場水泵、電機的各項數(shù)據(jù)以及水位、流量等信息，并用以控制現(xiàn)場各閥門及電機的動作來實現(xiàn)開泵排水和停泵的目的。PLC柜的信號及現(xiàn)場視頻監(jiān)控的信號通過千兆交換機匯聚后由光纜傳輸至地表集控中心，在集控中心布置操作員站，實現(xiàn)遠程監(jiān)控及遙控或自動化操作。

2.1 現(xiàn)場改造

首先，對管路及相關儀表進行改造。原排水系統(tǒng)的各個閥門均為電動閥門，通過現(xiàn)場控制箱進行操作，改造時保留了原有的操作箱及線路，將對應信號控制線直接并接至PLC控制柜。在自動化系統(tǒng)故障時，現(xiàn)場操作將作為最后的應急手段保證排水。管路上原有的真空表、壓力表等由于不具備遠程讀數(shù)的功能，更換為可遠程讀數(shù)的儀表。

其次，對于水倉水位、電機溫度、高壓軟起動柜的電流電壓等信息，其現(xiàn)場設備原本具有遠程讀數(shù)功能，通過信號線接入PLC柜，以便于CPU對設備及現(xiàn)場狀況進行監(jiān)測。

另外，根據(jù)現(xiàn)場實際使用過程中出現(xiàn)的特殊情況，增加了泵體溫度檢測功能，避免出現(xiàn)打空泵的情況，作為系統(tǒng)自動運行時的最后一道安全監(jiān)測手段。同時為了在遠程更直觀地觀察現(xiàn)場狀況，在每臺泵旁安裝了400萬像素高清網(wǎng)絡攝像頭，便于泵工排水時觀察現(xiàn)場狀況。

為了統(tǒng)計日常排水量，掌握井下涌水量變化規(guī)律，達到監(jiān)測地下涌水情況的目的。為每條排水管路安裝了超聲波流量計用以統(tǒng)計排水量，并按照日、周、月的統(tǒng)計情況形成報表。

最后，在PLC控制柜內(nèi)布置1臺工業(yè)千兆交換機，負責匯聚S7-1500信號及現(xiàn)場視頻監(jiān)控的信號，通過光纜傳輸至地表集控中心，在集控中心布置1臺操作員站用來遠程操作和存儲歷史數(shù)據(jù)。在操作員站旁布置1臺錄像機用來顯示現(xiàn)場畫面及存儲錄像。

2.2 PLC控制

現(xiàn)場PLC控制柜使用西門子S7-1500作為主控CPU，一方面用來讀取現(xiàn)場各設備的狀態(tài)及數(shù)據(jù)，一方面用來控制設備的運行。系統(tǒng)設置了就地/遠程2種操作模式，通過PLC控制柜上選擇按鈕進行切換。就地模式下水泵依然按原有的人工現(xiàn)場操作的方式啟停，為水泵檢修提供方便。并且在此模式下，遠程操作信號無效，保障了現(xiàn)場檢修安全，避免遠程信號的誤操作。

遠程控制模式下操作人員可以通過集控中心的上位機實現(xiàn)遠程遙控、單臺自動、遠程集控3種操作方式。遠程遙控模式下操作員通過鼠標點擊各閥門按鈕，遠程控制各閥門的開停來實現(xiàn)水泵的開停操作，整個過程接近于原有的人工操作模式。單臺自動模式下，操作員通過上位機選擇某臺泵自動開啟后，整個開泵過程由PLC來控制完成，PLC根據(jù)采集到的溫度、壓力、流量等信息自動判斷何時開啟對應的閥門，全自動運行無需人工干預（圖1）。遠程集控模式下，控制算法根據(jù)水倉水位、水泵健康狀況，按均衡使用的原則并結合避峰就谷來自動決定水泵的啟停控制，實現(xiàn)無人自動排水。

3 實施效果

通過對現(xiàn)有的水泵控制系統(tǒng)進行改造，將張莊礦-480 m主排水泵均集成至地表智能集控中心進行遠程控制，運用PLC控制技術、在線監(jiān)測、智能管控技術，在系統(tǒng)投入運行后，實現(xiàn)主排水泵的運行監(jiān)測、智能控制、遠程監(jiān)控等功能，達到主排水泵安全高效運行和無人值守的目的。具體功能如下。

（1）水泵啟?？刂?。實現(xiàn)水泵就地操作、遠程遙控、單臺自動、遠程集控4種控制模式。

（2）水泵智能控制。根據(jù)水倉水位的高、低，波谷電價差異并考慮水泵的“均勻磨損”原則，控制水泵的啟、停數(shù)量，保證水泵均衡使用。

（3）排水管智能控制。根據(jù)開啟水泵的數(shù)量，即總排水量，決定開啟排水管的數(shù)量，保證水泵始終處于最佳工況點。

（4）水位監(jiān)測。通過設置的液位計，實現(xiàn)水位的連續(xù)動態(tài)監(jiān)測。

（5）流量監(jiān)測。通過設置在各管路段的流量計，實現(xiàn)排水量的監(jiān)測及統(tǒng)計功能。

（6）遠程監(jiān)控。地面計算機監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)視液位及水泵運行時的電流、溫度、流量等參數(shù)，在超限時報警、故障時自動閃爍，具有故障記錄功能，支持歷史數(shù)據(jù)查詢。

（7）手動操作。系統(tǒng)在手動操作模式下可以完全脫離PLC進行手動的單步操作。

（8）緊急情況預警及處理。通過檢測水倉水位、涌水量的變化進行預警，在確認進入緊急狀態(tài)模式后，系統(tǒng)以最快速度將允許啟動的所有水泵開啟，以最大排水量進行排水。

4 結 論

（1）主排水泵遠程控制系統(tǒng)研發(fā)項目完成后，達到了有效降低勞動強度、減少危險作業(yè)區(qū)域人員數(shù)量及實現(xiàn)泵房無人值守的目的。

（2）系統(tǒng)在出現(xiàn)井下涌水等突發(fā)情況時，可無需等待操作人員就位，即可進行自動排水，反應速度快，對井下作業(yè)人員安全及礦山安全生產(chǎn)起重要作用。