柿竹园矿山控制系统就地及远程操控方案研究

2022-07-12何斌全马崇振王振伦肖辉勇

湖南有色金属 2022年3期

何斌全，马崇振，王振伦，李红，肖辉勇，熊伟

（1.湖南柿竹园有色金属有限责任公司，湖南郴州 423037；2.长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南长沙 410012）

矿业的发展已经步入一种新常态，其发展背景随着国家经济结构的深度调整，“三低一高”成为当前的新常态，低增长、低效益、低价格、高压力等迫使矿企去改变，在观念、管理、技术等各方面想方设法实现创新与突破。

随着新一代的信息技术“互联网+”时代的来临，工业物联网、大数据、GIS的大潮已经来袭［1］，世界各国伴随着新一代信息技术带动智慧矿山体系的不断发展，为矿企提供了崭新的可持续发展契机。因此将矿山中各系统进行改造整合，进而实现各自动化系统的就地及远程控制，如风机远程控制系统、供电系统、井下排水系统、计量系统、矿石运输控制系统、井下压风系统等，达到提高生产管控水平、强化安全管理、提升生产指挥能力的目标［2，3］。

1 就地和远程多级控制

1.1 控制级别

湖南柿竹园有色金属有限责任公司综合监控系统分为三级监控：集控平台、区域管控中心、就地控制。

当柿竹园综合监控系统在集控平台全部不能监控，系统将在区域管控中心提供硬线或独立完整的控制通道，操作员可直接向关键的子系统发出重要的监控命令，以保证设备的正常、安全运营。

1.1.1 权限分配

综合监控系统通过集中权限管理实现全线的权限管理一致性。系统将根据用户运营的最终需求定义用户权限表。对每类用户，权限表定义了该权限对应的综合监控系统主要设备类、子系统的权限类型［4］。

集控平台位于控制中心，主要服务对象是控制中心的各种专业调度人员。中央级综合监控系统HMI启动后默认为浏览级状态。默认浏览级可以对各个专业状态和报警进行浏览，不能进行任何的设定、控制操作。

区域集控中心级综合监控系统位于采矿场/选矿厂/尾矿库，主要服务对象是采矿场/选矿厂/尾矿库值班员。区域集控中心级综合监控系统HMI启动后默认为浏览级状态。

1.1.2 用户权限级别管理

操作人员登录系统后，系统根据操作员级别对应专业的权限，开放对应的界面和操作。安全控制必须经过授权，只有具备相应权限的人才能执行相应的控制。

系统管理员能够在线给其他用户分配操作权限。综合监控系统允许赋予各专业特别的权限类型，允许他们在线修改模拟量的上下限。

1.2 控制权限移交设计

综合监控系统大部分控制操作是分布式的：每个区域集控中心有一对实时服务器用来管理所有区域集控中心子系统，集控平台另有一对实时服务器用于处理重大操作。少数子系统仅需一个控制点。但从安全性和可用性角度考虑，大多数子系统只能被本地区域集控中心和集控平台控制。

1.3 详细功能描述

1.3.1 控制权限移交

集控平台/区域集控中心的控制权限移交状态转移逻辑如图1所示［5，6］。

图1 集控平台/区域集控中心的权限移交状态转移图

手动移交权限时，由具有控制权的一方发起权限移交请求，接收方需确认接受控制权限后才发生权限移交，如果接收方拒绝则不发生权限移交。

集控平台具有对区域集控中心、PLC控制柜的强制取回权限，区域集控中心具有对PLC控制柜的强制取回权限（紧急情况下）。对于PLC控制柜，综合监控系统中将它们看做一体。若设备的控制位置在就地或现场操作平台，则具有较高的控制优先级。

1.3.2 权限移交条件

如设备控制被屏蔽，控制权限手动移交时系统自动给出“XX开关被屏蔽”的提示信息，操作员需解除屏蔽后再进行权限移交；控制权限自动移交时，系统不提示开关被屏蔽的信息；控制权限自动移交后，保持原来的屏蔽状态。

如设备控制被挂牌，控制权限手动移交时系统自动给出“XX开关被挂牌”的提示信息，操作员需解除挂牌后再进行权限移交；控制权限自动移交时，系统不提示开关被挂牌的信息；控制权限自动移交后，保持原来的挂牌状态。

2 应用实践

2.1 采场自动控制现状

2.1.1 风机控制系统

目前的风机控制系统，仅能实现对三个主扇进行远程合闸、启停和变频调速的操作控制，同时可对主扇及其电机的运行状态、故障信号、电压、电流、频率、功率等数据进行实时监控和相关历史数据查询。

2.1.2 供电系统

采矿场10 kV高压配电室，配置了高压后台电力监控系统，已具备遥测、遥信、遥控、遥调功能，可实时监测由综合保护器提供的供电系统的电压、电流、有功功率、电量等电力参数；可实时反映开关的分、合闸状态，包括开关运行参数、正常、事故遥信变位；可实现系统相关回路的开关断路器的遥控分、合闸操作。

2.1.3 井下排水系统

采矿场排水系统，具备一定程度的自动化，可在中控室对井下集水池2台主水泵及1台备用泵及外围开关阀门进行远程控制，具备一键启停功能，但还有许多功能待完善。

2.1.4 井下压风系统

压风系统通常由空气压缩机、送气管路、阀门、汽水分离器、压风自救装置等组成。当发生灾害或有灾害预兆时，井下逃生人员可利用压风自救装置，实现自救。目前采矿场压风机房设置在490和620中段，现场设备未见预留对外通讯的通讯接口，操作通过设备触摸屏面板实现。

井下采掘面通道放置有移动式空气压缩机，电控部分为继电器控制，未设计PLC控制器，通过手动按钮操作。整个坑口的供风均由上述两个压风机房提供，压风自救系统与生产压风系统共用管道，送气管网已建设完毕。

2.1.5 矿石运输系统

采场出矿后经铲运机运输至溜井放矿，经井下矿用汽车运输至井下破碎车间矿仓，破碎后再由皮带运输至选厂。设备的控制通过现场手动实现起停控制。皮带运输系统采用了西门子PLC控制系统，在井上控制室可远程控制运输系统的启停及运行数据监测。

2.2 多级控制设计方案

多级控制设计方案的主要内容为：优化完善各子系统的检测控制功能；完善各系统进行数据通讯的软硬件接口；各子系统能够在采场中实现控制室远程监控与操作；各子系统能够稳定良好的与集控平台系统进行实时数据通讯。

2.2.1 风机远程控制系统

通过将矿井风机的运行状态采集与计算机处理，对矿井通风实现智能检测与控制，实现以机电控制技术、计算机技术和网络信息技术进行控制，改善风机的正常运行和井下通风系统稳定，保证通风系统的可靠性和稳定性。在远程控制模式下，远程监控平台可以操作风机启动、停止，指定每台风机变频或工频运行，可以指定变频运行下的运行频率，监控风机的运行状态［7］。

系统功能：

1.系统具备多种控制模式：远程自动、远程手动、就地手动三种系统操作模式。

2.集控平台系统关于通风系统应具备东波多金属采矿场和柴山采矿场现有风机远程控制系统的所有检测和控制功能。

3.对系统内压力、温度、振动、电量、频率等仪表信号具有记录、报警、曲线、查询等功能。

4.实现通风系统的集中监控与集中管理。

2.2.2 供电系统

采矿场10 kV高压配电室位于井下，采场现场无高压后台电力监控系统，但在矿部调度监控中心可以实现遥测、遥信、遥控功能，因此在柴山采矿场中控室增加高压后台电力监控系统，以方便值班操作人员在井上控制室远程集中监控与操作。

系统功能：

1.监控中心能够监控所有电力线路的实时数据、运行状态和故障记录情况。

2.监控中心可以对变电所每台开关的遥控分、合闸进行整定操作和定值读取，实现“五遥”功能。

3.实现对电力系统报表、历史曲线、故障信息等进行综合查询。

4.实现对电力系统的集中监控与集中调度管理。

2.2.3 井下排水系统

针对采矿场的井下排水系统，通过对现有的水泵控制系统进行改造，运用PLC控制技术、在线监测、智能管控技术，实现主排水泵的运行监测、智能控制、远程监控等功能，达到主排水泵安全高效运行和无人值守的目的［8］。

系统功能：

1.系统具备远程自动、远程手动、就地自动、就地手动四种系统操作模式。

2.系统具备声光报警、联锁控制、一键启停等控制功能。

3.系统具备HMI人机界面展示与操作，运行数据、故障信息记录与查询等功能。

2.2.4 井下压风系统

目前各台设备操作分散，无法集中监控各台设备的运行状况，现场操作环境噪声较大，不利于长时间值守。因此，设计在中控室增加操作站，采用集控平台系统，下位机利用设备现有PLC控制器，将各台设备的检测与控制功能统一集成到系统平台上来，实现集中监控与操作，另外，压风控制子系统预留好与集控平台系统进行数据通讯的软硬件接口。

系统功能：

1.系统具备多种控制模式。

2.设备远程集中监视控制，设备运行状态信息显示。

3.空气压缩机系统压力、温度、流量等仪表检测信号的记录、报警、曲线、查询等。

4.远程设置参数的遥调功能。

5.系统HMI人机界面展示与操作。

2.2.5 矿石运输系统

采场出矿后经铲运机运输至溜井放矿，经井下矿用汽车运输至井下破碎车间矿仓，经颚式破碎机破碎后，经皮带输送至选矿厂。针对采矿场井下粗碎车间，设计增加PLC自动化控制系统，对车间内振动放矿机、颚式破碎机、收尘器等设备进行远程控制，实现就地和井上远程集中监视控制，同时预留好与集控平台进行数据通讯的软硬件接口。