活鸡兔井地面辅助生产系统自动化整合改造方案设计

高小强

（国家能源集团神华神东煤炭集团大柳塔煤矿，陕西 神木 719315）

引言

当前全国煤矿井下采掘及生产辅助系统自动化程度已趋于成熟，但是对地面辅助生产系统的自动化控制还是一片空白，也容易被矿井管理人员忽视。主要原因是大部分矿井地面辅助生产厂房及设施布置不集中，设备较为陈旧，自动化改造费用较大；另一方面是煤矿对矿井废弃废渣等有害物质排放较为随意，环保意识差，监管部门对环境污染监管力度不够。但是近年来随着国家环保部门对矿井排放管理力度的不断加大，企业也逐步对矿井对地面生产辅助系统加以重视。

大柳塔煤矿活鸡兔井井田东西长1.8～10.8 km，南北宽4.2～9.6 km，井田面积约63.8 km2。矿井拥有的煤炭资源储量约7.34 亿t，可采储量约4.64 亿t[1]。活鸡兔井地面各生产辅助系统分布位置较为集中，且该区域周边均有村民居住，矿井在生产过程中产生的噪音、废气、废水的排放和对周围环境造成的污染，已严重影响到周边居民的正常生活。

因此，本文结合矿井现有的自动化基础，设计出一套矿井地面生产辅助系统的整合改造可行性方案，并将六大生产辅助系统进行数据融合，最终将数据全部接入现有的区域煤矿集中控制系统（LCS），形成一个矿井地面辅助生产系统的管控一体化平台，可实现大柳塔矿调度指挥中心对该区域的气、水、声等环境因素排放的实时监控。系统融合后也将转变活鸡兔井地面生产辅助系统的运营管理模式，达到“减员提效、改善工人作业环境”的目的。同时也将补齐矿井生产系统与地面辅助系统集成控制的短板，为下一步矿井管控全矿生产系统电耗、水耗和井下风量、风压、温度，以及地面水、气、声等排放指标奠定坚实基础。

1 矿井生产辅助系统的组成及运行现状

大柳塔煤矿活鸡兔井地面生产辅助系统包括主通风机房、压风机房、热风炉房、污水处理厂、黄泥注浆站和35 kV 变电站。且该六大系统位置均分布在活鸡兔井山上，位置较为集中，通过自动化整合改造，可以形成一个区域性一体化分控指挥中心。

当前各系统自动化程度及运行现状如表1 所示，其中主通风机房、压风机房具备较为完善的自动化系统，数据已接入大柳塔矿区域煤矿集中控制系统（LCS），但目前还未完全实现无人值守。35 kV 变电站也具备完善的自动化系统，但由于35 kV 变电站隶属供电中心管辖，因此只需将供电数据读取到分控中心进行实时监测，无需进行控制。矿井地面水处理系统水厂设备老化，很多仪表及自动化设备损坏，所有设备仍以手动方式操作。部分设备在建设初期具备过自动化PLC 系统，但是目前已经损坏，系统提供厂家也已经联系不上。热风炉房每年11 月份至次年4 月份给井下供热，设备与黄泥注浆站设备一样，均不具备自动化系统，只有就地操作。所以，此项目必须在5—10 月份矿井暖风机停运期间进行整合改造。

表1 各系统自动化程度及运行现状

2 活鸡兔井地面生产辅助系统自动化改造方案设计

2.1 系统建设的预期目标

该系统建设的目标是将活鸡兔井上述六大相互独立的地面生产辅助系统进行整合改造，建成一套技术先进、系统实用、稳定可靠的管控一体化监控系统。并将在该区域建设一个分控中心，实现各子系统的集中监控，进而将转变各系统当前的运行管理模式，达到“减员提效”的目的，同时也将借助自动化手段改善操作与维护岗位人员的作业环境。

分控中心所融合的全部数据最终将上传至大柳塔煤矿目前所使用的区域煤矿集中控制系统（LCS），并将在大柳塔矿区域生产控制指挥中心集中监控，从而补齐矿井生产系统与地面辅助系统集成控制的短板。

由于本区域靠近居民村落，为考虑周围居民免受矿井生产环境污染的影响。因此，该项目的另外一个重要目标是实现大柳塔矿调度指挥中心对该区域的气、水、声等的排放环境因素实时监控，变被动应对环境检查，转为主动风险管理，真正做到各种排放心中有数。

2.2 工控网络的搭建

在自动化领域中，工控网络的组建是工业自动化控制的基础，也是设备自动化系统可靠运行的重要保障。所谓工业以太网，是将以太网应用于工业控制的局域网技术，其拓扑结构可以是总线、星型、环型等，组成环形的工业以太网叫工业以太环网，简称工业环网[2]。

因此，本项目为积极响应国家“两化融合”的伟大号召，借助当前最先进的互联网与工业控制技术，搭建一个信息与自动化程度较高的管控一体化工控网络，如图1 所示。在活鸡兔井地面六大生产辅助系统中，都将通过设置PLC 分站进行设备的基础数据采集。并将在分控中心设一台PLC 主站，打通六大系统的工控网络。最后将在分控中心与调度指挥中心对各系统进行集中监测、监控、分析与利用等。

图1 管控一体化系统网络架构图

2.3 系统功能及方案设计

分控中心管控一体化系统按照如图2 所示的功能及体系进行构建，涵盖了底层自动化系统的改造，中间数据层的采集、存储和服务，以及应用层数据的展示和利用。

图2 系统功能及构建层级

2.3.1 基础层

数据的准确采集和控制命令的有效执行是整个系统的基础，所以这部分也是整个项目的核心内容。本次改造涉及到了传感器加装，各种功能性仪器仪表的加装，各种年久失修执行机构的改造或者加装，配电系统的自动化改造等一系列自动化系统的恢复和改造工作。在六大辅助生产系统中，主通风机房、压风机房和35 kV 变电站均已具备较为完善的自动化系统，只需在PLC 分站中增加部分通讯接口等模块，即可直接接入系统。污水处理系统、黄泥注浆站、热风炉房设备较为陈旧，自动化程度较差。因此需要重点对这三大系统进行升级改造。其具体改造方案如下：

1）污水处理厂改造。污水处理系统一期水厂设备过于陈旧，考虑此项目投资经费紧缺，此次改造对一期水厂暂不计划自动化改造。二期水厂是本次改造的重点，需在二期水厂监控室加装一套PLC 分站，原则上将恢复现有的各类仪表和传感器数据，使其具备在分控中心集中控制功能。其次，充分利用原来电气柜的自动化基础，只改造控制系统，使其符合神东煤炭集团公司自动化系统的技术要求。最后，在外排至乌兰木伦河的排水管道上加装各类传感器，对最终外排的清水指标数据（例如流量、COD 和PH 值等）实时监测，跟踪、记录，进而主动应对环境污染的风险。另外，在各个工艺环节加装流量计、液位计、浊度仪、超声波污泥界面仪等，实时监测各工艺环节的生产运行数据。并将部分手动阀门改造升级为电动阀门，提高水厂的自动化程度。同时在该区域的几个水池、加药区域布置高清摄像头，实时监控设备的运行状态。

2）黄泥注浆站改造。在黄泥灌浆站配电室加装一套PLC 分站，采集注浆站主要设备（输送机，制备机，搅拌机，排污泵等）的运行状态；加装流量计，统计每班每天的灌浆量；加装浓度计实时测量制备的泥浆是否符合要求；加装电量监测仪表，测量注浆站的电量消耗数据；加装流量计测量注浆站的水量消耗数据。同时在该上料区域、注浆区域布置高清摄像头，实时监控设备的运行状态。

3）热风炉房改造。热风炉操作室加装一套PLC分站，采集热风炉的主要运行设备（引风机、鼓风机、上煤机、刮板机、除尘系统、脱硫系统等）的状态和供风的温度、压力等数据，同时对接环保部门，读取环境监测系统的数据上传到LCS 系统。另外，加装电量监测仪表，测量热风炉站的电量消耗数据；加装流量计测量热风炉站的水量（除尘、冷却、脱硫用水）消耗数据。同时在该区域布置高清摄像头，监控设备的运行状态。

4）主通风机房改造。在配电室加装以太网接口设备，通过以太网将现有的监控数据传至监控室PLC 主站。同时在通风机房蝶阀处加装高清摄像头，辅助人员监控，可以实现远程切换风机。

5）压风机房改造。在配电室加装以太网接口设备，通过以太网将现有的监控数据传至监控室PLC主站。同时在压风机房加装高清摄像头，辅助人员监控，可以实现远程的压风机控制。

6）35 kV 变电站改造在变电站加装工业以太网及电力协议转换器，将35 kV 电力数据读取到PLC主站，最终集成至LCS 系统，形成矿井从地面35 kV至井下低压1 140 V、660 V 和127 V 全系统供电网络的集中监控。

2.3.2 数据层

各种传感器、仪器仪表和自动化系统收集的数据在进行最终利用时需要对其处理。数据层的主要作用是按照不同的种类和用途进行归纳整理转化成每个应用层功能模块需要的数据接口和格式。在这个层面中，需要配备合适交换机、服务器、和与之匹配的各种软件，例如组态软件、OPC 传输软件，数据库分析软件和数据报表服务软件等。同时数据层还要为分控中心和大柳塔煤矿区域生产控制指挥中心提供准确稳定的运行数据，便于应用层数据的有效利用，见上页图2。

2.3.3 应用层

应用层包括基础应用、高级应用和移动应用三种。基础应用即是基本的自动化SCADA 人机一体化监控界面，满足监控人员可实时准确掌握整个场区各个系统的运行情况，以及各系统日常的生产操作，例如远程控制，报警管理，历史数据查询等。高级应用主要是生成逐级的统计分析报表，对整个场区的电耗，水耗，排放数据等消耗内容进行统计和分析，实现精细化生产管理的要求。移动应用主要是针对该场区生产人员巡视工作繁多，场区距离管理人员所在地较远等问题开发的手机或PAD 等移动终端的监控画面，使各系统巡视人员和管理人员能够随时随地了解生产运行状况，同时对一些排放超标、风机停机等重要事件能够及时通过手机微信、短信等报警的形式获悉。

2.4 工业视频及无线对讲系统设计

根据现场情况，场区周边有村民居住，场区基本处于开放状态，周边村落无关人员或牲畜的闯入将会对场区各个系统的安全运行造成隐患，同时污水处理场还有各种污水池等，对闯入人员的人身安全造成极大的安全隐患。所以，该项目还需考虑构建一套工业视频监控系统，既起到场区安防和闯入报警的作用，又可通过视频实时监控关键设备的运行状态，形成一个既有数据信号显示，又有视频辅助的完备自动化生产系统。

此外，分控中心建成后，将形成由分控中心调度与系统巡视相结合的方式值班。因此，有必要在该区域配置无线对讲系统，有助于分控中心调度人员与现场岗位巡视人员及时通讯。

2.5 分控中心软硬件配置

分控中心是该项目六大系统集中监控和调度的集中点，因此对分控中心位置的选择至关重要。为考虑矿井通风安全，计划将分控中心设计在主通风机房旁边，这样即使出现无计划停风等事故，分控中心值班人员可及时赶赴现场排查风机的故障，从而保证井下主通风机给井下可靠供风。

由于分控中心所集成的数据最终都将接入区域煤矿集中控制系统（LCS），因此只需在分控中心值班室配置一套LCS 系统工位机和三块显示屏，实现数据的实时监控；其次，为实时监控厂区及设备运行状态，还需在操作工位前配置两台75 寸高低可调节的液晶屏显示器。最后，还需配置一台办公用电脑，完成一些日常值班记录或报表的制作等，其分控中心设计效果如下页图3 所示。

2.6 建成后系统的管控措施

该项目六大系统整合后，为保证新建系统可靠稳定运行，此项目计划从管理和技术两方面进行管控。

1）管理方面。加强人员的岗位职责和技术能力的培训，使其尽快熟悉新系统的内容、操作和故障处理流程。建立各系统重要故障发生后的应急处理预案，在故障发生后，岗位人员能够第一时间按照流程进行处理。建立岗位巡查制度，保证岗位巡查落到实处，同时也将提高巡查质量。

图3 分控中心设计效果图

2）技术方面。梳理每个系统的关键报警，通过建立完善和多维度的自动化系统报警功能，实现报警的各级岗位推送。例如出现主扇停机等事故，除了在监控系统上报警，还可通过短信等方式及时推送给管理人员。并可自动统计各系统出现频次较高的报警，工作人员可针对性地检修设备，从而减少系统报警次数，降低设备故障率。

3 大数据的利用展望

1）节能减排，合理排放。矿井生产系统与地面辅助系统集成后，将实现各系统间的关联数据分析。从全局角度管控矿井生产系统电耗、水耗和井下风量、风压、温度，以及地面水、气、声等排放指标，并以此作为矿井生产管理的辅助决策依据，进而更科学地组织生产，达到“节能减排”的目标。

2）无人化运行，减员提效。本文对各系统整合的效益主要在于实现集中监测监控，对各分系统要实现真正的无人化还有一定差距。因此，对于集控系统未来的应用价值还在于对系统中所有设备都能达到可靠控制，从而真正实现无人化运行，达到“减员提效”的目的。

3）闭环调节，智能化控制。各系统数据融合后，地面生产辅助系统可与井下生产系统进行智能联动控制。例如通过读取井下关键位置的温度数据，可合理调节地面热风炉的输出温度；通过读取井下压风管路压力，合理调节压风的出口压力；通过读取井下风速、风量传感器数据，可合理调节主通风机风门风速及风量；通过读取井下排水管道压力和流量传感器数据，可提前调整污水处理进度；通过读取井下生产数据，可随时调整地面变电站供电参数，保障矿井供电线路的稳定运行等。