露天矿山无人值守泵站系统设计

莫州寒，占霆钧，王 努，逄 昀，刘 杰，陈炎桂

（江西铜业集团有限公司 城门山铜矿，江西 九江 332100）

1 引言

随城门山铜矿采矿场担负着露天采场排水和全矿生产、生活供水任务。目前，采矿场排水泵站3处，中间泵站1处，疏干泵站2处，供水泵站2处。各泵站均以传统的人工手动控制方式，实现供、排水。该方式存在人工投入成本高，安全系数低，效率低等缺点。为改变传统的供、排水方式，根据城门山铜矿智能化建设的总体要求，结合城门山铜矿各泵站的实际需求，设计了露天矿山无人值守泵站系统［3]，可以完全实现泵站的自动控制，提高水泵的利用率和效率，提高安全生产系数，减少生产成本。

2 系统总体架构

露天矿山无人值守泵站系统集水泵各数据监测、运行状态监测、故障报警、故障自诊断与自恢复、自动化控制、远程数据传输等功能于一体。该系统结构设计成泵站监控系统、通讯系统、远程监控系统三部分。其系统结构图如图1所示。

2.1 泵站监控系统

泵站监控系统［5]是露天矿山无人值守泵站系统的最底层，主要是对泵站水仓水位，水泵、电机、排水闸阀、潜水泵引水、注水阀及排气阀、配电设备及启动柜等进行监控，并通过可编程逻辑控制器（PLC）采集控制，实现水泵的自动控制［1]等功能。其主要监测的参数有：

图1 露天矿山无人值守泵站系统结构图

（1）电量监测：主电机运行电流、电压、功率等；

（2）流量监测：单泵流量或单管流量；

（3）液位监测：泵站水池水位；

（4）压力监测：水泵出口压力及管路压力；（5）温度监测：水泵轴承温度；（6）振动监测：水泵轴承振动；（7）pH值监测：排水的pH值；（8）浊度监测：排水浑浊度；

（9）设备状态：主水泵、主电机、排水闸阀、潜水泵注水及排气阀、配电设备及启动柜等设备的工作状态；

（10）保护信息：设备的各种保护事件与保护定值等。

泵站的自动化控制，是使用PLC控制器，通过各数字量、模拟量的输入输出，并进行逻辑编程，实现对现场各执行机构的自动控制。其主要控制的执行机构有：

（1）小潜水泵控制：对小潜水泵启、停控制，实现水泵的灌引水；

（2）闸阀控制：对管路上各闸阀开、关控制，实现对水流的控制；

（3）电机控制：对供、排水电机的启、停控制，实现水泵自动运行。

2.2 通讯系统

无人值守泵站通讯主要分为两部分：现场监测、控制信号与PLC之间的通讯；PLC与调度中心上位机之间的通讯。

城门山铜矿泵站是通过软启动器与变频器实现水泵的启动，并且具备485通讯［6]接口。电流电压的采集可通过485通讯模块实现采集。现场液位、温度等监测和电机、闸阀等控制与信号采集控制柜之间是通过PLC输入输出模拟实现采集控制。信号采集控制柜与PLC控制柜通过光纤传输实现通讯。

城门山铜矿各泵站均已实现光纤的铺设。现场PLC控制柜与调度中心上位机之间通过光纤传输实现通讯。无人值守泵站还包括现场视频监控，该监控的信号传输也是通过光纤传输实现。

为保障光纤通讯中断时，调度中心仍能够采集现场运行数据。结合城门山铜矿4G无线网络系统建设项目，实现PLC控制柜与调度中心上位机之间的无线通讯。该通讯方式作为一种备用方式，确保对各泵站的不间断监控。主要实现方式为：在各泵站现场安装EG860 CPE（宽带无线路由器），与矿区内的基站连接完成系统组网，PLC系统可通过网口有线方式或WiFi无线方式接入到该LTE无线网络，最终可实现PLC与上位机之间的无线通讯。

2.3 远程监控系统

远程监控系统设置在采矿场调度中心［4]，并配置两台工业计算机和服务器，通过光纤通讯和4G无线网络通讯，并且基于组态软件Intouch软件平台，对PLC控制器内相关数据进行实时采集，发出控制命令并监控系统的整体运行。组态软件能充分的利用其强大的图形编辑功能，以动画的方式直观的显示监控设备的运行状态，方便的构成了监控画面和实现控制功能等。

3 泵站自动控制系统设计

根据城门山铜矿采矿场的现状，确定对10#坑泵站、+20固定泵站、+30固定泵站、疏干泵站和W泵站作为无人值守泵站的改造对象。因各泵站的硬件设施、控制逻辑方式基本相同，本次以10#坑排水泵站为例进行自动控制系统的设计。

3.1 排水泵站现状

10号坑排水泵站［2]由2台单级离心泵、2条排水管路及相应辅助系统组成。水泵等相关设施安装在浮筏上，并置于水仓中。水泵吸水管安装DN300底阀，出水管安装DN150、PN16闸阀，泵组法兰为DN150，PN25尺寸。10号坑管路采用DN400钢丝管骨架复合管铺设，排水至+20泵站，全程约800m，现场低压配电室至水泵距离约为300m，水泵采用变频器控制。

3.2 排水泵站自动控制系统硬件改造

为实现泵站的自动控制，现有设备不满足需求，需要对硬件进行改造。具体如下：

在浮筏边安装一台潜水泵，用于水泵灌引水；水泵前端安装补水球阀和排气闸阀，排气闸阀上安装流量开关，用于灌引水排除水泵空气及检测空气是否排空；水泵出水口更换成电动闸阀；在水泵出水口管路与排水管出水口管路附近分别安装压力传感器、流量计，用于监测排水管道的压力与流量，通过数据差值判断管道是否泄露；在水仓中安装液位计、浊度仪和pH计，分别用于监测水位、水质和水仓的酸碱度，并进行判断是否可以排水；在电机上安装温度传感器和震动传感器，用于判断电机运行是否正常；在控制柜上安装485通讯模块，用于采集变频器电压、电流。

另外，为方便水泵等现场控制和监测信号的采集，在水泵周边安装一台信息采集柜，PLC控制柜放置在低压配电室内。信息采集柜与PLC控制柜之间采用光纤通讯。

3.3 PLC逻辑控制设计

（1）水泵正常启停逻辑控制流程：水仓水位到达设置上限→开启补水球阀和排气球阀→开启潜水泵→监测流量开关有水流出→关闭补水球阀、停止潜水泵和排气球阀→开启水泵、打开出水口电动闸阀→水仓水位到达指定下限→关闭出水口电动闸阀、停止水泵运行；

（2）管路泄露逻辑控制：检测前后管道压力差异常或检测前后管道流量差异常→判断管道泄露→停止水泵或禁止水泵启动；

（3）监测参数异常逻辑控制：电机运行温度、震动、电流、电压、流量、压力、水质等监测数据出现异常→立即关闭闸阀并停止水泵电机运行或者禁止电机启动，同时进行报警→自诊断，判断故障→检修模式。

4 实现的功能

（1）泵站自动控制功能：通过对各泵站执行机构的逻辑控制，实现各泵站的自动控制；

（2）管道泄露检测功能：通过对管道压力差和流量差进行实时监控，低于系统设定值时自动报警，实现管道泄露监测；

（3）节能功能：对两台水泵运行时间进行均衡调配，保证水泵均衡使用，延长泵组的使用寿命；保证移峰填谷节能措施，在保证安全供排水的情况下，系统自动选择用电平谷期进行供排水；

（4）安全功能：拥有远端控制和就地控制两种模式，满足现场操作的需要，当出现信号中断后，系统会发出报警，自动转入自动控制；全方位监测供排水各环节，对系统出现异常提前给出预警；严格按照水泵启停的逻辑顺序进行正常供排水。

5 结语

随着城门山铜矿智能化矿山建设的不断推进，无人值守泵站建设对矿山的发展有着重大的意义，改变了现有泵站的管理与运行模式，增强了设备的安全性、可靠性，降低了工人的劳动强度，创造了节能降耗的经济价值。露天矿山无人值守系统主要利用了组态软件、PLC控制、4G无线网络、视频监控、安全经济运行与管理等关键技术。该矿智能化矿山建设一期项目设备与工艺智能化组无人值守泵站的系统设计充分考虑了矿山的现状及需求，克服了地形及距离的影响。该系统能够实现水泵各数据监测、运行状态监测、故障报警、故障自诊断与自恢复、自动化控制、远程数据传输等功能。在系统后期建设和运行的过程中，不断进行系统功能的完善与优化，摸索自动控制系统的运行与管理经验，最终实现泵站的无人值守。