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一、概述
山西原平铁矿开采的矿井水仓排水系统是矿井生产安全生产及保障矿山安全的重要环节，自动化智慧矿井排水系统，可以自动跟踪水仓水位及高压水泵电机的运行及设备状态，矿山的水仓排水事关人命生命财产的安全保障的重要环节。矿山水仓智慧排水管理系统的平台管理系统在矿井安全生产占有非常重要的地位。采用全自动无人值守排水系统是事关矿山安全的重要系统工程。
1.1 工程概述
主、副仓为井下主要排水设施，根据水位将自动排水，主、副水仓一起共7台排水泵，其中主、副仓各3台，主、副仓中间的那台为检修所用。根据铁矿深部开拓的进度和安全生产的要求，根据现场需要设计的矿井下水仓自动排水集成控制系统技术方案。
1.2 基本条件
主水仓
1. 距离井口地面高度228 米
2. 正常涌水量：qvc =918.5 M3/d
3. 最大涌水量： qvmax =42365.3M3/d
4. 实际排水扬程：Hh= 300 米
5. 水质情况 ：一般
6. 水质密度：γ= 1050Kg/M3
7. 环境温度： 23℃
8. 环境压力： 95Kpa
9. 水仓总容积 ：2100M3
副水仓
1. 距离井口地面高度 228 米
2. 正常涌水量：qvc =918.5M3/d
3. 最大涌水量： qvmax =42365.3M3/d
4. 实际排水扬程：Hh= 300米
5. 水质情况：一般
6. 水质密度γ= 1050Kg/M3
7. 环境温度 23℃
8. 环境压力 95Kpa
9. 水仓总容积 ：1540M3
1.3 设备配置
主水仓均有4个10KV450KW的水泵，副水仓有3个10KV450KW的水泵,中间常闭电阀水泵为检修时开启，采用引水罐向泵注水启动水泵，主水仓配备4路排水管路排水，副水仓配备3路排水管路排水。（具体见铁矿井下水仓排水工艺流程图）
铁矿井下主要水仓排水泵设置三台同型号的水泵，完全可以满足井下排水需要，不再设置四台泵，以利于将来实现水仓自动控制和无人值守，最大限度节约成本，降低运行费用。
二、 自动排水的必要性
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》第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，在全面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条推荐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
山西原平皇家庄铁矿智慧矿山井下排水无人值守系统
图1： 水仓自动排水系统总图
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水仓在最大涌水量时的排水要求，达到最佳运行指标。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百分百可靠，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，且每台水泵必须一对一单独配置，井下水仓现场安装条件有限，不利于泵房整洁和美化。4、引水灌必须同时配置潜水泵，因此，管路配置和阀门配置较多，不利于集中控制和操作。
图2： 水仓排水工艺流程图
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。软启动器选优质在线式变频控制器，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优质产品，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。
三、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、功能全面等特点，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
