许长新　夏夕雯　胡亚军　梁广泉

(1.河钢集团矿业有限公司石人沟铁矿；2.河钢集团矿山设计有限公司；3.河钢集团滦县常峪铁矿有限公司)



石人沟铁矿-180m水平中央水泵房无人值守系统设计与应用

许长新1夏夕雯2胡亚军2梁广泉3

(1.河钢集团矿业有限公司石人沟铁矿；2.河钢集团矿山设计有限公司；3.河钢集团滦县常峪铁矿有限公司)

中央水泵房是地下采矿排水系统的核心，采场各水平涌水以及尾矿充填过程中的析出水等都汇集于此排出。传统生产过程中水泵启停完全依靠人工操作，劳动强度大，且不能科学、合理的调度排水量与排水时间，造成设备利用率低等问题。为此，石人沟铁矿设计并采用DCS控制系统，自动检测水泵运转过程中的各项参数及工作状态，实时反映至上位机，通过千兆以太网将各项参数传至监控中心，并可根据实际情况选择手动控制、远程控制、全自动控制，实现了集监控、显示、通信为一体的无人值守。实践证明，该系统运行稳定可靠，对保障矿山安全生产，降本增效有着重要的意义。

地下采矿中央水泵房无人值守DCS控制系统

矿山排水系统承担着排出井下涌水的重要任务，而其核心就是中央水泵房，排水系统能否安全、可靠、有效地运行，关系到整个矿井的生产与安全[1]。传统排水方式一般依靠人工操作，无法利用排水设备与仓容科学、合理的调配排水量与排水时间，而排水设备一般功率较大，耗电量多，普遍存在能耗大、效率低、生产成本高的问题[2]。石人沟铁矿-180m水平中央水泵房共有D450-60×7型17台离心泵，功率800kW，电压为6kV，水泵流量450m3/h，扬程420m，两泵共有一条排水管路，分内外水仓。为节约排水成本，开展了中央水泵房无人值守系统设计与应用，通过DCS控制系统实现了矿井排水的自动控制和地面远程监控：可根据水仓水位自动起停水泵，合理调配水泵运转，提高水泵利用率；设备运行的监测及故障报警，有效地保护水泵电机等设备，延长使用寿命，减少事故停机时间；改善了操作人员工作环境，提高劳动生产率，大大提高了排水能力，保障了矿井的安全生产；通过调整开停时间，合理避开了电力负荷高峰期，避峰填谷，降本增效[3]。

1　水泵房无人值守系统设计方案

1.1系统组成

本系统通过对中央水泵房排水泵组及其控制柜、真空泵等设备及运行参量的自动检测，以图像、文字、数据等方式，实时反映系统工作状态，包括水仓水位、电机温度、轴承温度、正负压力等参数，并通过千兆以太网将这些数据传至地表调度监控中心，进行系统的实时监测、自动控制及设备报警，实现集监控、显示和通信为一体的无人值守系统[4-5]，系统拓扑图见图1。

(1)构建由DCS控制的中央水泵房主排水系统，实现对设备及运行参量的自动检测与控制。

(2)构建地面调度监控中心，实现对水泵运行各项参数的实时监测及水泵工作运行画面的监控，以及对水泵启停的远程控制，达到中央水泵房无人值守、节能增效的目的[6-7]。

(3)井下DCS控制系统、供电系统双份冗余备份系统。

1.2工作原理

在中央水泵房设一台控制柜，控制器采用DCS控制，支持TCP/IP通讯协议，并可单独或无缝接入扩展到矿山综合自动化环网内。

数据的自动采集主要由DCS实现。通过传感器连续检测水仓水位，DCS的模拟量输入模块将水位变化信号进行转换处理，通过计算不同水位段单位时间内水位的上升速率，判断矿井的涌水量，从而控制排水泵的启停。电机电流、水泵轴温、电机温度、排水管流量等传感器与变送器，主要用于监测水

图1　中央水泵房控制系统拓扑图

泵、电机的运行状况、超限报警，以避免水泵和电机损坏。DCS的数字量输入模块将各种开关量信号采集到DCS中，作为逻辑处理的条件和依据，控制水泵的启停。

1.3运行方式

运行方式为手动控制、远程控制及全自动控制。

①手动控制，根据水仓水位或浮球状态，通过手动控制水泵的启停；②远程控制，通过调度监控中心的计算机控制水泵的启停；③全自动控制时不需要人工操作，系统的井下下位机DCS实时采集水仓水位状态，根据水仓水位情况，自动启停水泵，并根据每台水泵的运行时长合理安排水泵的运转，保证每台水泵的高效利用。下位机在正常运行过程中，脱离上位机的通讯仍能正常运行。

系统运行过程中，不论选择何种运行方式，均可实时将中央水泵房的各种参数、设备状态通过工业以太网传到地面调度监控中心。工作方式可由井下操作箱选择，并采用一键启停功能，见图2、图3。

2　水泵房无人值守DCS硬件控制系统设计

选用美国OPTO公司DCS冗余控制系统两个相同的SNAP-PAC-S1作为控制器，一用一备，每个控制器配备一套24V线性直流电源开关，同时该DCS控制系统有一套冗余表决器，实时监测运行过程中的控制器，并按照流程要求对备用控制器实时参数同步计算运行。该控制系统选用的数字量、模拟量模块均可带电插拔操作，经详细计算模拟量输入点16个，数字量输入点47个，数字量输出点26个，具体所选模块型号见表1。

图2　一键启动流程操作程序

3　水泵房无人值守监控系统设计

该操作界面内容丰富、形象、直观，操作简单、易懂，内容包括工艺流程模拟图、 设备开停状态、相应模拟量数值等，包括离心泵、传感器、执行机构等，同时，对离心泵提供了双层启动确认界面(见图4)。

图3　一键停止流程操作程序

对水仓液位值、温度值、压力值和振动值等进行趋势显示和分析(见图5)；对于班组运行记录、离心泵运行时间进行自动数据统计(见图6)，以便于报表分析。系统调出整幅实时数据画面的响应时间小于5s。

4　效果效益分析

本系统从方案设计、施工图设计、DCS组装、现场改造到系统联动试车，以“不影响矿山排水系统正常运行、不破坏水泵房原手动操作系统、充分利用原有的设备设施节约成本”为原则。该系统调试成功之后，运行稳定可靠，实现了矿井排水手动控制、远程控制、全自动化控制和地面远程监控，水泵启动实现了一键启停，提高了水泵利用率，延长水泵使用寿命；采用避峰填谷措施，可大大减少用电量，每年节约电费约25万元；进入非汛期，排水系统采用“无人值守+定点巡视”方式，可取消岗位人员8人，每年可节约人力成本约40万元。

表1　DCS控制系统模块选型

注：生产厂均为Opto22。

图4　主控界面

5　结　论

(1)采用DCS控制系统控制水泵启停，并自动采集排水泵组及其附属控制柜、真空泵系统以及各运行参量的数据，实时的反映水仓水位、电机温度、轴承温度、正负压力等参数及系统工作状态。

(2)采集数据通过千兆以太网传至地表监控中心，以便实时监测及报警显示。

(3)运行方式为3种，可手动控制、远程控制及全自动运行，水泵启停采用一键启停功能。

图5　趋势变化

图6　数据统计界面

(4)系统经调试成功后，运行稳定可靠，提高了设备利用率，减少了人力资源成本，降本增效显著。

[1]王新环，周飞，张宏伟.一种煤矿井下中央水泵房的自动控制系统[J].煤矿机电，2012(3)：88-92.

[1]程伦新.井下自动排水系统控制策略的研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2012.

[3]张锋.多级水泵房自动化排水控制系统设计[J].工矿自动化，2014，40(12)：108-110.

[4]张浩，武希涛，刘增宝，等.自动化网络化技术在无人值守水泵房的应用[J].信息技术与信息化，2015(5)：112-113.

[5]刘佳.煤矿井下中央水泵房远程无人监控系统[J].机械管理开发，2015，146(4)：61-62.

[6]袁海军.中央水泵房无人值守及远程监控系统改造[J].技术与市场，2014，21(5)：132-133.

[7]朱本超.井下中央水泵房集中控制系统的设计与研究[D].沈阳：沈阳理工大学，2011.

2016-03-18)

许长新(1970—)，男，矿长助理，工程师，064200 河北省遵化市。