锰矿井下排水系统自动化控制研究

2019-01-11刘鹏

中国锰业 2019年1期

刘鹏

(首都医科大学附属北京康复医院基建科，北京 100144)

对于矿山来说，安全是重中之重的头等大事，关系到矿产企业的可持续发展，更关系到职工的利益和生命安全。但在现实工作中，矿产企业仍不断发生一些或大或小的安全事故，如何进行安全生产成为矿山安全稳定发展的首要任务。影响锰矿井下安全的因素很多、很复杂，但最为重要的一个原因就是井下渗水，井下一旦发生透水事故，不仅会影响开矿的进度，造成经济效益的损失，甚至还会威胁井下工作人员的生命安全[1]。作为锰矿生产六大系统之一的井下排水系统，承担着排除积水的重大责任。现在我国锰矿中使用的排水系统大多还是陈旧的、由人工进行操作的排水系统，存在着很大的安全隐患，基本上已经很难适应现代锰矿井下生产的需求，随着科学技术的快速发展，信息技术慢慢融入到各个作业环节，自动化控制技术广泛应用于各个领域。在锰矿井下排水系统中，也得到了广泛应用，在保证矿井生产效率和生产质量的同时，提高了锰矿井下作业安全。

1 锰矿井下排水系统自动化控制应用的必要性

1.1 传统排水系统的特点及存在的问题

过去，锰矿井下的水泵房中多使用传统的排水方式，主要是采用离心式的水泵系统进行抽水。这种水泵主要是通过叶轮的旋转，使水产生离心力进行工作。输送水的能力很强，但产生的压力比较低，并且不稳定，会随着流量的变化而变化。因此泵站开启和停止的时间，完全依靠工人以往的工作经验和总结出来的操作规程，存在极大的不确定性。根据离心式水泵的工作原理，当水仓里的水量达到设定的高度时，工人要及时打开真空泵，让水泵呈真空状态，这时要立即察看真空表的数值，真空度达到规定的数值时，启动运转水泵机组，当水泵出水口的压力值达到要求的数值时，开启水闸的阀门，让积水排出，同时关闭真空泵。反之，当水仓里的水量降至设定的最低水位时，要先把水闸的阀门关闭，再关停水泵机组[2]。

这样的操作存在很大的问题：第一，工人人数多，劳动强度大。每一个水泵房不间断都要有人值班，事关安全的大事，一刻也不能疏忽，一旦发生异常情况，马上要进行检修。工人在工作期间，精神高度集中，劳动强度大，开关水闸阀门的工作，劳动量也很大，这是一个需要耗费大量人力的工作。第二，工作效率低下，可靠性低。水泵的操作全部由人来完成，对水位的高低、水流量的大小完全由工人根据以往的经验进行判断，很容易产生较大的误差，作业过程比较复杂，对工人的专业、责任心要求都很高，一不小心就会酿成重大责任事故。为了解决这些问题，要引进新的、先进的信息技术系统，将自动化控制技术应于于锰矿井下排水系统中，优化设计控制系统，提高矿井的生产效率。

1.2 井下排水系统自动化控制应用的优势

1)安全可靠

锰矿井下排水自动化控制系统既可以在当场控制，也可以进行远程控制，也可以结合使用。根据锰矿井下具体的环境与要求，选择最合适的方式进行控制。如果遇到意外情况，通讯被中断，可以自动转化控制模式，可靠性更高，可对不同区域的启动装置、电机、水泵、真空系统等进行全面的监督、控制，在系统发生故障前进行预警通告。

2)先进稳定

现有锰矿井下排水系统采用的自动化控制系统多为可编程逻辑控制系统，该系统使用的是光纤环网通讯技术，与传统的总线传输技术相比更先进，可以大大提升数据传输的速度，稳定性也有很大的提升。在编程技术上，采用新的组态软件控制技术，这种技术稳定性强，与其他技术的兼容性也高，为系统将来进行二次开发奠定了很好的基础，扩容更容易，费用也比较低廉。

3)高效经济

自动化控制系统让水泵的能量消耗处于最少、最合适的状态，自动记录每一次启动水泵的时间，找出用时最少的水泵，积累水泵运行时间数据，平衡水泵的磨损程度，避免重复、多次使用同一设备，提高水泵使用效率。在水仓中，提前设置好启动、报警、停机等操作的不同水位，在保证水仓安全，保证水位符合预设要求的前提下，减少水泵的使用次数，延长水泵的使用周期，更具经济性。

2 排水自动化系统的功能

2.1 自动化控制

锰矿井下排水系统自动化控制主要是为了保证系统可以正常、平稳的运行，进而保障锰矿井下能够安全生产，水位的设置在自动化管理中是很重要的一环，为了确保不出现失误，一般系统会在水仓设置两套水位传感器，系统接收到水量数据，按标准分成不同的水位段，并计算出单位时间内各区域水位上涨的速率，掌握矿井正常的通过水量。自动化控制系统还可以测算井下的电流数值，计算用电负荷率。系统根据矿井通过的水量和用电额的具体情况，对水泵的开关加以控制，在保证效率的同时，达到节约能源的目标[3]。

2.2 故障停泵

水泵在自动控制的状态下运行，一旦发生故障，电脑系统会依照预设的程序停止水泵的运行。水泵在检修的时候运行，如果突然发生故障，要停止水泵，首先要同时关上管道手动的阀门，在阀门关闭之后，再停止电机的运转。不论水泵用哪种方式运转，在发生故障需要停止水泵运行时，一定要按下紧急停止的开关。停止之后，要仔细排查故障发生的原因，并及时修理，修好以后，要及时按下故障复位键，使系统恢复状态，使水泵能更好的重新启动。

3 排水自动化系统主要结构的设计及实现

3.1 主控中心及站点

自动化系统的主控中心也是地面的监控中心站点，主要有显示设备、工作站、二十四小时不间断的电源系统、语音设施等，利用监控站的这些设施，对锰矿井下所有的水泵房进行全方位的监控。锰矿井下的主站是整个系统的关键所在，可以实时进行通讯联系，与每个水泵分站的网关联系，进行总线通讯，主站与分站之间可以进行实时的、双向的数据传输。还能够接受工程师站所下发的各种参数设置和各项指令，及时反馈收集到的数据，利用井下的集中控制系统，主控站发布各项操作命令，在集中操作的相关控制平台上显示各类信息，详细执行整个流程。锰矿井下的水泵房里单独设置井下专用的、防爆的、可以编程的主控站点，这些排水系统自动化控制呈一种分布式排列，另外还配备了锰矿专用的集中控制的操作设备，可以对各个水泵房的设备进行集中的控制。每台泵机都要接入锰矿专用的网关，在地面还要设立工程师站点，对所有系统和设备进行远程监控，收集到的数据实时清晰的显示出来。对发生的系统故障和警报进行及时报备，并记录全部存储，方便以后进行查询[4]。

3.2 井下水泵控制系统

水泵控制系统依照预先设定的程序标准，根据实际情况，自动启用相应的水泵。当水位上升至预设的高度，需要启用水泵时，先启动运行状况良好且停止时间最长的正常水泵，如果需要使用到备用的水泵，停止时间最长且没有故障的水泵将被最先启动。因为水泵系统是在高压情况下进行输送，当达到数值最高峰时，存在很大的压力，所以在输送过程中要进行减压处理，自动化控制系统根据管道压力的大小，自动开启阀门，消除多余的压力。

3.3 自动化监控系统

监控系统在锰矿井下大体主要应用于3个方面：一是井下排水自动化监控系统；二是水泵房的监控系统；三是井下进行生产的其他机器设备监控系统。

1)排水自动化监控系统大多选用可编程控制器，接口是按标准化来进行设计制作的，可以与其他机器设备更好的兼容，总线采用分布式的通讯设计，随着监控系统的正式应用，可以及时掌握井下排水情况，对相关数据进行收集、整理、分析，依据操作命令，进行实时控制，顺利完成排水工作，保证锰矿井下的生产安全[5]。

2)水泵房的监控系统主要有传感器、信号收集设备和监控分站，主控中心是井下控制系统进行通讯的关键，使监控分站收集到的信息可以与地面监控中心站点的信息进行及时交换，还可以应用各个现场的显示器，帮助井下的工作人员了解相关系统运行的整体情况。中央主水泵房系统要加以控制，其中电控柜拥有测量仪器、辅助设备和综合保护电器，整体信息系统在每个水泵处都设置了分站。地面控制中心站点的各项命令通过光纤迅速传递到各通信主站和分站，控制水泵作出相应的措施。

3)井下进行生产的其他机器设备监控系统。对其他机械设备进行监控，并将数据传输到监控中心，对整个锰矿井下生产状况进行了解，确保井下的排水工作有条不紊的自动运行。

3.4 视频检查系统

视频检查系统有摄影仪器、专业轨道、驱动电机以及主要控制设备等。工作人员可以实时控制摄影仪器，依据事先设置好的目标，按计划进行移动拍摄，远距离传递图像，进行监控并加以储存；也可以提前设置编辑好程序，让摄影仪器自动拍摄需察看的目标，对监控目标进行全方面的察看；还可以显示摄影仪器当时所处的位置、环境等信息资料。

3.5 语音系统

语音系统主要用来进行预警，分别包括水泵房和控制中心的语音系统。水泵房的语音系统是根据自身的实际情况和具体要求，提前录制语音播报的内容，主控中心对收集到的数据进行分类，并根据需求进行分门别类的判断，快速进行甄别，根据相应的程序要求，设置好与语音报警内容相对应的条件，通过系统制定的程序对报警的内容进行启动。控制中心的语音系统除了单独报警以外，还可以控制整个系统，对站点的语音报警设备进行启动。