智慧矿山系统解决方案

　　矿山井下水仓排水无人值守智能化自动化中控系统，

　　矿主水仓若采用引水罐向泵注水启动水泵，减少了底阀带来的能耗，提高了水泵效率。但负压引水罐缺点明显；主要体现在以下几个方面：1、在实际操作方面，负压引水罐灌注引水不是可靠，有时需要多次反复几次灌水才能把泵开启到正常状态。2、由于南矿井下水仓接收部分充填水，含有部分泥份和砂浆水泥，引水罐经过长期使用后，内部容易结块，而引水罐属于密闭压力容器，清理难度大。3、引水罐体积大，且每台水泵须一对一单独配置，井下水仓现场安装条件有限，不利于泵房整洁和美化。4、引水灌须同时配置潜水泵，因此，管路配置和阀门配置较多，不利于集中控制和操作。

　　（1.基于引水罐目前实际使用情况，现水仓排水系统拟设计使用真空泵，以实现水泵开机自动引水。该装置原理简单易于掌握，机构安装占地面积少，管路及阀门设置少，易于操作和集中控制。每次起泵之前，真空泵会自动抽空水泵进水管路的空气，水泵正常启动比用引水罐可靠度更高。

　　一．矿山顶板岩石松动裂痕无人巡检的紧迫性

　　矿山生产是我们国民经济的运行的重大经济源头，保障矿山安全，提高矿山的整体经济效益，是国家“十五五”战略，国家在“十五五”重要战略中，加大对水利矿山等民生安全减灾的防范，是矿山安全建设的新的突破口。

　　二．矿山顶板岩石松动裂痕无人巡检人工智能装备的先进性

　　2.1水仓自动排水必要性

　　主、副水仓承担着铁矿全部井下涌水的排出和中转的重要任务，是保证矿井安全生产的关键环节。国家安全生产监督管理总局2009年12月1日实施的《矿山防治水规定》118条规定：受水威胁严重的矿井，应当实现井下泵房无人值守和地面远程监控。实现水仓自动排水和远程监控是矿山发展的必然趋势。如果仍然沿用人工排水操作，为确保水泵机组安全运行，1个水仓至少需要配备4名水泵工进行操作，且在水泵机组运行时进行全程守护。矿山排水自动化成功应用后，在实现排水自动化的同时，排水系统原有人工手动控制方式仍然有效。因此，大大提高了井下排水的可靠性，同时也实现了排水工作的简单化，自动化，信息化，无人值守化；大大降低了矿山企业的生产成本，减少人为因素的影响，设备运行维护的盲目性，降低意外事故的风险，可根据生产需要在地面发出指令远程控制，可自动实现“避峰就谷”降低运行成本。《矿山电力设计规范》（GB50070-2009）8.3.3条矿山井下主排水泵采用计算机控制技术和网路技术。

　　水仓自动排水系统包括水泵设备和自动控制二个部分，各水仓自动排水系统见图1总图。

　　2.2自动排水系统目标

　　1.进行排水系统设备（如水泵，引水装置）改造，，保证设备比较高的运行效率和稳定性；

　　2.为排水设备配套先进、可靠的硬件和软件系统，实现自动排水；

　　3.尽可能利用现有网络资源，搭建起工艺和设备检测、数据传输的远程监控平台，减少人工劳动强度，提高全员效率；

　　4.完善工艺和设备检测单元，为自动系统提供扎实基础；

　　5.数据共享，完备的连锁保护功能，提高设备运行安全性，提高对设备故障的分析和判断能力，减少停机概率；

　　6.为提高井下设备自动化管理水平夯实基础，建立矿山主要设备地面监控中心；

　　2.3主要设备配置

　　1.水泵：7台,配450KW、10KV电机；

　　2.高压软启动柜：4套（高压软启柜10KV450KW）其中三套是一个启动柜一控二，一套是一控一方案；

　　3.引水装置：真空泵6台，3用3备；

　　4.井下控制系统：设就地控制数据控制及远程中控控制；

　　5.地面控制中心：上位机1台，上位机控制箱1台；

　　6.网络设备、仪器仪表；

　　7.监视部分

　　三、排水部分

　　3.1排水系统选择

　　各水仓采用直接排水，经2路管道排出，2路排水管1用1备，经过联通手动闸阀进行切换。排水系统包括水泵机组，真空引水箱，真空装置，管道，配套的阀门件，其工艺流程初步设计如图2。

　　3.2水泵选择

　　经计算各水仓选用ZD150-5×50自平衡离心泵，配置160KW-4电机，能满足金属非金属矿山安全规程6.6.4.1安全规程要求，且能效高、运行稳定，有利于实现集中控制和无人值守。

　　3.3电机选择

　　每个水仓配置3套ZD150-5×50自平衡离心泵和350KW-4、380V电机，可满足13、15、26水仓在涌水量时的排水要求，达到运行指标。15中段水仓3#泵目前采用10KV、450KW高压电机配200D43×8水泵

　　3.4引水装置

　　南矿主水仓若采用引水罐向泵注水启动水泵，减少了底阀带来的能耗，提高了水泵效率。但负压引水罐缺点明显；主要体现在以下几个方面：1、在实际操作方面，负压引水罐灌注引水不是可靠，有时需要多次反复几次灌水才能把泵开启到正常状态。2、由于南矿井下水仓接收部分充填水，含有部分泥份和砂浆水泥，引水罐经过长期使用后，内部容易结块，而引水罐属于密闭压力容器，清理难度大。3、引水罐体积大，且每台水泵须一对一单独配置，井下水仓现场安装条件有限，不利于泵房整洁和美化。4、引水灌须同时配置潜水泵，因此，管路配置和阀门配置较多，不利于集中控制和操作。

　　基于引水罐目前实际使用情况，现水仓排水系统拟设计使用真空泵，以实现水泵开机自动引水。该装置原理简单易于掌握，机构安装占地面积少，管路及阀门设置少，易于操作和集中控制。每次起泵之前，真空泵会自动抽空水泵进水管路的空气，水泵正常启动比用引水罐可靠度更高。

　　3.5高压软启柜

　　主、副水仓需新增电机变频器控制柜4套，具备单泵的启停功能；同时具备设备的电流、电压、检测保护、电机线圈温度、水泵轴承温度检测保护。软启动器选在线式变频控制器，该变频器需带有远程复位端子，带以太网通讯以及自定义扩展版，具备远程控制监测功能，有RS485通讯接口，可实现物联网上云等功能。

　　变频器控制柜采用冷板喷塑。柜内主断路器采用国产产品，柜门上装置电压、电流表，。柜内要实现485通讯接口，便于PLC采集信号。

　　四、自动控制部分

　　4.1系统概述

　　自动排水自动控制部分由本地集成控制柜，远程上位机，局域宽带网络，水位、压力、流量、温度等参数检测仪表或传感器和电动阀组成以及系统软件和应用软件组成，完成对排水设备控制，保证运行安全。

　　本地集成控制柜以PLC为核心，触摸屏为显示和主要操作，通过PLC检测水泵设备和传感器等的信号，控制水泵、真空泵等设备和电动阀门、电磁阀等执行器的开启与关闭。

　　PLC模块通过传感器采集现场水位、压力、流量、电压、电流等信号，并显示在上位机上，系统主要包括控制柜、配电柜、传感器和执行器等四部分。

　　水仓自动排水自动控制系统拓扑结构见图3。

　　4.2系统硬件（每个水仓的配置）

　　4.2.1水泵数据采集及控制柜

　　每个水仓配集中控制柜1台，实现现场的数据采集和自动控制，水泵的数据检测、保护、控制、记录，真空引水系统的控制、检测、连锁保护，电动阀门的控制、连锁，现场传感器信号（水仓液位、电机轴承温度、引流真空等）采集、连锁，视频信号采集传输，与上位机系统通讯。

　　PLC采用西门子SIEMENS品牌高性能排水处理运算控制的模块式控制器，该产品具有模块化、结构紧凑、功能等特点，适用于多种应用，能够保障现有投资的长期安全。。

　　就地控制柜安装场所需要干燥、通风良好、温度变化小，便于操作检修。

　　4.2.2上位机

　　上位机选用华为及研华等服务器作为数据处理运算单元，操作系统配Windows XP3，组态软件可选用力控ForceContrl 7.4或组态王或西门子WinCC 7.4来开发上位机监控应用程序，实现与就地控制系统无缝连接，进行数据和命令上传下达。前二种组态2软件内嵌数据库，WinCC需要单独安装西门子SQL数据库。

　　这几种组态软件在国内应用较广也较成熟。

　　4.2.3检测仪表

　　现在国内还国际IT控制装置的性能、可靠性和稳定性等方面，均有满足各个

　　领域的成熟产品供灵活选择，所以，现场检测仪表/执行单元正确选择，现场检测

　　仪表正确检测位置和正确安装，直接决定着自动控制系统的成败。

　　1.电机要配套轴承温度测温：电机前、后轴承温度测量，选用埋入式Pt100铠装温度传感器，精度0.5%。

　　2.压力传感器：真空引水箱采用正负压传感器-0.1-0.15MPa监测泵体内部的真空度，将数据传到PLC内此数据为启动水泵的重要依据。2路排水主管各装1个表压0-6Mpa压力传感器，检测管路压力状况，作为水泵输送能力的辅助参数。压力传感器进度0.5%，二线制，螺纹连接精巧型，外形见图4

　　3.液位传感器：水仓水位是控制水泵的关键参数，液位传感器稳定可靠，方可保证自动控制系统正常工作。考虑到井下水仓环境恶劣和传感器本身的可靠性因素，水仓水位检测采用冗余设计，即每个水仓设计2个液位传感器，PLC对2个液位传感器数据对比和数据变化情况分析，提前判断传感器的好坏，决定能否开机。

　　各水仓液位检测选用1个超声波液位传感器和加1个投入（沉入）式传感器。

　　4.流量计：采用独立屏显的超声波流量传感器监测误差小于2%，优点是安装方便不破坏排水管壁，缺点是维护技术要求高。

　　5.电气参数测量：CMC-LX系列软启动器本身具有测量电流、电压、供电频率、功率电气参数功能，PLC通过RS485总线利用ModBus通信协议读取软起动器相应内部寄存器数据，获得机组电气参数，简化硬件配备，节省投资。配1块电机综合保护器，形成电机三层保护。

　　4.2.4执行单元（控制阀）

　　1.真空控制阀：电磁阀虽然结构简单、安装方便、

　　价格低廉，但可靠性差、寿命短，尤其不适应与井下

　　水仓环境。因此，引水装置真空控制阀选择适应性强、

　　密封性能好、动作可靠、寿命长的低电压电动球阀，供电压24VDC，寿命5万次，防护等级IP54，外形见图5。图4：压力传感器外形图

　　2.电动阀：每台泵配1台电动闸阀用于协调开、停水泵，管路切换采用手动

　　阀人工操作。电动阀380V电源供电，集成阀位正、反限位功能和开、闭无源输出端子，法兰安装，防护等级IP54，通径与管路一致。

　　4.2.5网络平台

　　建设通讯环网，传输介质为光缆，通讯距离20KM；各中段配备10/100M自适应子网，传输介质为光缆或5类双绞电缆。在充分共享现有网络平台前提下，水仓和地面监控中心扩展光端设备和光缆，数据传输使用专用光缆，实现水仓远程监控进而向无人值守迈进，实现与动力厂及公司机关的数据共享。水仓网络平台建设设备如下

　　1.工业光端机2台

　　2.光端终端盒2个

　　3.工业交换机2台

　　4.光纤400m（预估）图5：真空阀外形图

　　4.2.6视频监视系统

　　现场设计网络高清红外摄像头为远程提供水仓入水口、水仓、变压器和启动柜的视频监视图像，作为整个水仓自动控制系统安全保障的辅助措施，让远程监控中心能直观监视现场主要场地和设备状态。配4个摄像头，防护等级IP64，直接连入矿内宽带网络；远程控制中心配网路硬盘刻录机（DH-NVR6032-HD-4K）和监控专用硬盘，用于视频图像切换，视频图像回溯和事故分析。

　　五、软件系统

　　5.1软件体系

　　软件体系基于PLC控制器硬件平台及外围IT设备，软件系统分远程监控软件和现场控制软件两大系统。远程监控软件系统包含操作系统、数据库、人机界面（HMI）开发软件、通讯软件、PC站配置程序和用户程序。现场控制软件包含组态软件包和用户运行程序，下图6是以西门子开发包为平台示例的软件体系，使

　　用其开发包时，内容会有所不同，需要相应修改。

　　5.2软件系统功能

　　5.2.1系统权限

　　◆口令保护：多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。

　　◆安全的操作方式选择开关：操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就能防止误操作。

　　5.2.2实时监视功能

　　无论何时，远程和就地都能通过人机界面实时观测到水仓水位、水泵开停及运行状态和流量、压力、温度、电流等参数，配合视频监视，提供的直观的监视体系。

　　5.2.3高压变频柜

　　由plc控制，可以通过水位机监控，现场也可通过触摸屏监控、故障的报警、存储等功能，加大现场操作人员对泵情况更的认知，增加工作的安全性。

　　5.2.4控制功能

　　◆就地控制：通过现场控制柜按钮进行设备操作，主要用于检修方式。

　　◆就地集中控制：通过现场控制柜触摸屏指挥PLC工作，PLC根据设定参数和检测数据，实施对水泵控制。

　　◆远程控制：远程控制中心根据人机界面信息和视频信息，远程控制现场水泵的运行。

　　◆优化策略：PLC自动系统根据水仓水位、水泵运行时间和状况、涌水量大小和水泵排水能力、引水系统状态和供电峰谷等情况，根据优化策略，调度水泵运行，实现无人值守，节省运行成本。

　　5.2.5保护功能

　　水泵、电机、引水系统、驱动装置和管路出现异常时，能根据情节轻重采取保护措施，并提示故障类型。

　　5.2.6报警功能

　　发生故障时，提供不同等级的声光报警，报警记录可以查询。

　　5.2.7趋势功能

　　提供水位等关键数据的实时趋势和历史趋势，便于进行系统分析和参数整定。

　　5.2.8报表功能和管理功能

　　系统运行过程中自动监测记录所有采集数据，上位机利用数据库，生成水仓指标的日报表、月报表和年报表，具备设备运行、检修和维护管理功能。根据管理需要，可计算出每台水泵的工作时间、排水量，并生成曲线图或报表。可与矿主管人员的手机联网，进行各水仓的远程监控。

　　六、系统优势

　　自动排水系统选用技术先进、质量可靠的产品和装置，科学布局，优化设计，泵房系统更加安全可靠，提高排水能力，降低事故率，减少故障处理时间，提高矿井效益。能够大限度地减少因电控系统故障而造成的事故，提高供电、排水系统的可靠性，节约设备维修费用，延长设备使用寿命。主要优势有：

　　1.控制方式齐全方便，每台水泵设置远控、自动、手动和检修四种工作方式，工作方式可直接在本机上设定或除检修外其他状态可由地面主机设定。当水位达到高位或不在高位而处在用电低谷时间内，将自动启动运行泵，当达到低位或不在高位而处在用电高峰时间内时自动停泵。当水位达到上限水位时，自动启动“运行泵”及“备用泵”，直到水位低于高位时停止“备用泵”只运行“运行泵”，当达到低位或不在高位而处在用电高峰时间内时自动停泵。

　　2.起停操作简单，在井下操作系统和地面调度室可以实现一键起停功能，系统将按设备顺序自动启动自动监测各个设备数值达到自动排水。大大降低了操作难度减小了误操作的发生概率。

　　3.无人值守减员增效，将本机工作方式转为“远程控制”时，各水泵由地面主机控制。达到无人值守。

　　4.故障直观易于维护，在现场触摸屏上可汉字显示各故障信息并报警，在地面控制站上可显示现场单元当前的报警信息以及保存的报警记录当运行的水泵出现轴承超温、高压开关故障、流量不够、正压过低、电流不正常时自动停止运行，并能确切的显示故障位置和类型且有声光报警。

　　5.保护功能齐全，降低水仓风险，提高矿山井下安全水平。

　　七、系统工作步骤

　　自动排水系统工作可概括为以下七个步骤：参数整定与设置、排真空步骤、闸阀操纵步骤、水位自动监控步骤、参数传示步骤、故障保护环节和电动机的自动控制步骤。

　　7.1参数整定和设置

　　初步计算工艺条件进行，根据现场实际检测数据和试验数据，进行理论分析，进行参数整定和设置，并通过系统运行验证和修改，使系统投入运行达到效果优。

　　该步骤在系统定型后，即可省略。

　　7.2排真空步骤

　　水泵只有在其叶轮完全淹没于水中的情况下，泵体内部才能造成必要的真空度实现正常排水。如果真空度不够，泵内有空气存在，将会造成不上水和转动部件烧坏等故障。因此，启动前的排真空是水泵工作的重要操作项目之一。本方案采用真空系统抽真空。由高精度真空传感器监测真空度，压力、流量作为监测真空度的后备。

　　7.3闸阀操纵步骤

　　为了减小启动功率，水泵操作规程规定离心式水泵一定要关闭出水闸阀启动，而当水泵停车时，为了避免水锤事故，须先关闭闸阀，缓慢减小流速，停车。

　　当泵体内充满水后，以启动和停止1＃泵为例，其过程如下：启动时，先启动1＃电机，然后打开相应电动阀（以“轮换工作”原理，根据上次所使用的管路，此次换另一趟管路），停止时，先关电动阀，停1＃电机。

　　7.4水位自动监控步骤

　　水位自动监控环节的任务是根据水位的高低自动准确发出开、停水泵命令。水位传感器的可靠性和准确性直接影响整个控制系统的工作可靠性。为此选用声波液位传感器，它具有高精度、非接触式、非机械型、维护方便、安装容易、标定简单等许多优点。

　　当水位达到水位2时，若处于低计费时段，可以立即启动，若处于高计费段，则暂缓启动。当水位继续上升至水位3时，则不论电网如何，须启动水泵。若水位继续上升至水位4时，则表明一台水泵的排水量已不足于排除矿井出水，须启动二台水泵，两台水泵一齐排水，以矿井的排水能力来排除矿井出水。不论投入几台泵，水位须下降到水位1方可停泵。上述水位1至水位4均由声液位计将模拟信号送入PLC，由PLC通过软件标定。分时计费亦由PLC通过软件标定。

　　7.5参数传示步骤

　　在本地集成控制柜的显示屏上可模拟显示水仓水位、水泵流量、水泵压力及电动机、电磁阀和电动阀的各种工作状态。所有的检测参数及工作状态均可由井下PLC通过传输网络传送给地面计算机，由计算机分析处理，在显示器上模拟显示，并做出曲线、报表，以利于地面管理人员作出正确判断，向井下可编程控制器发出控制命令。

　　7.6故障保护

　　水泵电机容量大，耗电量高，属一级负荷。因此，对排水设备自动控制系统的安全性、可靠性要求较高。本系统设有以下几种保护：

　　◆流量保护：当水泵启动后或正常运行中，如流量达不到正常值，通过流量保护装置使本台水泵停车，转为启动另一台水泵。

　　◆电动机故障：PLC监视水泵电机欠压、过流、短路、超温等故障，由高压开关柜的综合保护器提供，并参与控制。

　　◆电动闸阀故障：由电动机综保监视闸阀电机的主要保护并参与控制。

　　◆故障综合判断：根据启动的设备，电流大小，双水位检测变化的一致性和变化情况，出水流量，管路压力的参数，综合分析，判断故障所在环节，采取相应策略并指示故障原因。

　　7.7电动机的自动控制

　　该环节是排水设备综合自动化控制系统的中心环节。它由PLC、中间继电器、接触器等组成，以上环节都要与本环节配合，根据水位情况自动开停水泵。

　　为了防止因备用泵长期不用而使电机受潮或有其它故障而未被发现，当紧急情况需要投入而不能投入以至影响矿井安全，本环节按“轮换工作制”来控制，以达到有故障早发现、早处理，以免影响矿井安全的目的。系统根据水泵的开启次数自动按一定顺序轮换开启水泵。当某台或其所属阀门故障或检修时，该泵退出轮换，其余各泵仍按轮换工作制运行。

　　八、水仓地面控制中心

　　8.1地面控制中心并入矿调度指挥中心

　　本系统的中控室，设置2000*800*600多媒体机柜一台，机柜内安装有光纤配线架、光网络延续器、上位机、硬盘录像机（DH-NVR6032-HD-4K）等设备。在为确保调度台上规范整洁只安装上位机显示器（23寸）和硬盘录像机显示器机房需要简单装饰。井下现场监控摄像机每个水仓只设置4个监控点，具体配置见概算表。井上同时搭载设备运行的中控软件平台及数据库中心，实现如下功能：

　　8.1.1利用中控平台实现无人值守，实现远程操控水泵及自动引水真空加注功能。

　　8.1.2并对井下设备水泵的启动停止。

　　8.1.3对水位的监视，对电机的温升的及报警显示。

　　8.1.4对电机运行参数采用远程监视及控制。

　　8.1.5同时具备数据保存，历史曲线数据分析。

　　8.1.6历史故障存储，现场水泵及水仓动态画面显示。

　　8.1.7具有动态年度电量分析报表功能，自动计算全年的节电报表。

　　九、经济效益分析

　　9.1人工效益

　　井下水仓地面控制中心并入矿调度指挥中心后，因调度指挥中心工作人员任务繁重，无法兼顾远程监控水仓自动化设备，人员繁重。当水仓实现远程控制及无人值守时，将节省10人的劳动量。

　　9.2能耗效益

　　7台10KV 450KW高压水泵，采用10KV 455KW高压软启动柜，实现无人值守，节省人工每年20万元，实现电机的自动节能运行模式，一台电机一年节省电费无用启动的电费节约费用约为30万元

　　9.3安全效益

　　1、电气保护：具有欠电压、失压、过电流、漏电、过负荷等的电气保护功能。同时通过通讯将电流、功率、电压信号及相应的故障信号送入水泵自动化系统，由系统判断电路的工作状态。

　　2、运行保护:通过引水时间判断真空泵工作是否正常，并自动转换的备用泵。水泵启动后在正常运行过程中，如流量、压力达不到设定值时，系统给出相应判断并转换下一台机组工作。

　　3、可靠的保护模式：自动排水控制系统在实现自动排水的同时，原排水系统的手动控制仍然有效，大大提高排水系统的可靠性，保证排水安全。当自动排水系统的某些部件需要检修、维护保养时，完全可以通过原有的手动控制排水系统来满足排水要求。

　　4、故障直观易于维护：在现场触摸屏上可汉字显示各故障信息并报警，在地面控制站上可显示现场单元当前的报警信息以及保存的报警记录，并能确切的显示故障位置和类型且有声光报警。

　　5、科学、优化的自动排水系统，选用先进、可靠的产品和装置，提高了泵房系统的排水能力，降低事故率，减少故障处理时间，提高矿井效益。能够大限度地减少因电控系统故障而造成的事故，提高供电、排水系统的可靠性，降低了工作人员的劳动强度，节约设备维修费用，延长设备使用寿命。

　　6、减少了井下工作人员的现场出勤率，提高了矿山生产的本质安全。