鐵礦排水系統(tǒng)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)與技術(shù)改造

摘 要：針對(duì)石人溝鐵礦排水系統(tǒng)自動(dòng)化水平低，露天泵站、-60水泵房、-180水泵房和-210水泵房等排水站點(diǎn)均采用人員崗位值守的問題，對(duì)各個(gè)排水站點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)控制改造，實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)無人值守，取得在地表調(diào)度中心集中監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制水泵啟停的效果。

關(guān)鍵詞：排水系統(tǒng)；PLC控制；無人值守；自動(dòng)化

石人溝鐵礦水文地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單—中等類型，現(xiàn)有排水系統(tǒng)包括露天泵站、-60水泵房、-180水泵房和-210水泵房等排水站點(diǎn)。露天泵站將露天采場(chǎng)積水排放至河套、-60水泵房將涌水排放至地表高位水池，為直接排水；-210水泵房將涌水排放至-180m水平水倉，為分段排水；-180水泵房將涌水排放至地表高位水池，為集中排水。存在排水設(shè)備分布廣、數(shù)量多、功率大、耗電量高等特點(diǎn)，以上排水系統(tǒng)均配置崗位人員，依靠人工手動(dòng)控制泵啟停，不能實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

1.研究背景

（1）石人溝鐵礦經(jīng)多年開采后，已形成長(zhǎng)約2800 m，寬約230 m，深約120 m的南北向露天采礦場(chǎng)，露天坑底設(shè)有一套排水系統(tǒng)，排出露天坑底積水，坑底裝備潛水泵3臺(tái)，型號(hào)為WQ150-45/2-37，排水能力為150m3/h，泵站裝備多級(jí)泵3臺(tái)，型號(hào)為200D43*3，排水能力為288m3/h，泵站旁安裝一座120m3儲(chǔ)水罐，采用一階梯潛水泵、二階梯離心泵的兩層階梯式排水，泵坑積水由3臺(tái)潛水泵抽至儲(chǔ)水罐，再經(jīng)泵站內(nèi)3臺(tái)多級(jí)泵將儲(chǔ)水罐內(nèi)的水排至河套[1]。自開采由露天轉(zhuǎn)為地下后，露天泵站為周邊最低點(diǎn)，每逢汛期降雨后，周邊降雨匯聚于此，需要操作人員在露天泵站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行崗位值守，排水不及時(shí)將會(huì)給井下生產(chǎn)帶來很大隱患，同時(shí)，人員值守也存在安全隱患。

（2）-210 m水平為井下生產(chǎn)最低中段，布置兩組相互獨(dú)立的水倉，水倉有效容積為1646.28 m3，能夠滿足井下7.1 h排水量。井下-210m水平共設(shè)-210m水泵房和9穿兩處排水站點(diǎn)，-210m水泵房安裝3臺(tái)MD280-43*2型離心泵，排水能力280m3/h，正常水量時(shí)1臺(tái)工作，1臺(tái)備用，1臺(tái)檢修，最大水量時(shí)2臺(tái)工作，1臺(tái)備用，能夠滿足-210 m中段的排水要求；-210m水平9穿排水點(diǎn)安裝2臺(tái)WQ150-50-37型號(hào)潛水泵，排水能力150m3/h，負(fù)責(zé)-210m水平北區(qū)排水任務(wù)。兩處排水站點(diǎn)均排放至-180m水倉，兩處排水點(diǎn)均為手動(dòng)人工控制，-210水泵房為人員值守崗位，四班三運(yùn)轉(zhuǎn)，-210m水平9穿處排水為定期巡檢抽排，由于井下涌水量波動(dòng)大，造成人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，且涌水不能有效控制，易發(fā)生涌水漫入巷道的情況。

（3）-180m水平中央水泵房安裝6臺(tái)D450-60*7型離心泵，排水能力450m3/h，揚(yáng)程420m，功率800kW，電壓6kV，正常水量時(shí)3臺(tái)工作，2臺(tái)備用，1臺(tái)檢修，最大水量時(shí)5臺(tái)工作，1臺(tái)備用。崗位人員配額8名，四班三運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）-60m水泵房安裝3臺(tái)200D43*6型離心泵，排水能力288m3/h，揚(yáng)程258m，功率800kW，電壓6kV，正常水量時(shí)1臺(tái)工作，1臺(tái)備用，1臺(tái)檢修，最大水量時(shí)2臺(tái)工作，1臺(tái)備用，崗位人員配額8名，四班三運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改造方案

2.1 露天泵站無人值守改造

通過加裝自動(dòng)控制系統(tǒng)、新建泵坑、備用排水管路安裝和增設(shè)2臺(tái)高壓潛水泵等一系列舉措，滿足《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》GBl6423—2020要求，實(shí)現(xiàn)露天泵站的無人值守改造。

2.1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)

下位機(jī)采用PLC對(duì)露天泵站多級(jí)離心泵和潛水泵及監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)參數(shù)傳至地表調(diào)度中心上位機(jī)中，在可視化的人機(jī)界面上，形象直觀的反映水泵工作狀態(tài)以及泵坑和儲(chǔ)水罐水位、管道壓力等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)啟停控制與監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)集監(jiān)控、顯示、控制和通信為一體的無人值守系統(tǒng)。

2.1.1.1 工作原理

在露天泵站配電室安裝一臺(tái)自動(dòng)控制柜，采用PLC控制器控制，通訊協(xié)議支持TCP/IP協(xié)議，并接入到工業(yè)以太網(wǎng)中[2]。數(shù)據(jù)采集與控制主要由PLC實(shí)現(xiàn)，PLC模擬量輸入模塊通過液位傳感器監(jiān)測(cè)泵坑和儲(chǔ)水罐水位，依據(jù)水位高低，來判斷泵坑水量大小，控制排水泵的啟停。電壓、電流、排水管壓力等傳感器與變送器，主要用于監(jiān)測(cè)供電、水泵、電機(jī)的運(yùn)行狀況。

2.1.1.2 運(yùn)行方式

就地手動(dòng)工作方式時(shí)，根據(jù)泵坑水位和儲(chǔ)水罐水位狀態(tài)，在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制水泵的啟停。遠(yuǎn)程手動(dòng)工作時(shí)，由調(diào)度室值班人員監(jiān)控人機(jī)界面，通過觀察兩個(gè)水位情況控制水泵的啟停；遠(yuǎn)程自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，PLC依據(jù)采集的泵坑、儲(chǔ)水罐水位、管道壓力等數(shù)據(jù)，按照設(shè)定好的啟停水位上下限，在合理的管道壓力下，自動(dòng)控制啟停相應(yīng)水泵。以上三種工作模式，可通過現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制柜進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.1.1.3 PLC硬件控制系統(tǒng)

選用西門子公司PLC控制系統(tǒng)，經(jīng)詳細(xì)計(jì)算需求模擬量輸入點(diǎn)4個(gè)，數(shù)字量輸入點(diǎn)34個(gè)，數(shù)字量輸出點(diǎn)24個(gè)，核心控制器選用S7-200 SMART SR40型PLC，擴(kuò)展2個(gè)DR16數(shù)字量模塊和1個(gè)AE04模擬量模塊?，F(xiàn)場(chǎng)液位傳感器選用HSTL-18型投入式液位變送器，壓力傳感器選用HSTL-800T擴(kuò)散式壓力傳感器，現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面選用威綸通MT8150IE，電壓電流信號(hào)選用智能數(shù)顯電表，采用RS485通訊利用DP接頭接入到PLC中，進(jìn)行信號(hào)輪詢通信。I/O地址分配表見圖1，PLC外部接線圖和設(shè)備材料選型清單見圖2、表1：

2.1.1.4 調(diào)度室人機(jī)界面

人機(jī)界面選用威綸通CMT-HDMI加32寸液晶屏，通過Easybuild pro軟件進(jìn)行編程，顯示內(nèi)容包括三臺(tái)潛水泵和三臺(tái)離心泵的開停狀態(tài)、啟停操作按鈕、手（自）動(dòng)選擇旋鈕、遠(yuǎn)程就地控制選擇等數(shù)字量信號(hào)，同時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行電壓和電流、泵坑水位、儲(chǔ)水罐水位和管道壓力等模擬量數(shù)據(jù)，可在人機(jī)界面上設(shè)定潛水泵和離心泵的啟動(dòng)高限與停止低限，在遠(yuǎn)程自動(dòng)模式中，實(shí)現(xiàn)泵的自動(dòng)啟停。具有每臺(tái)潛水泵、離心泵運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)功能和泵坑液位值、儲(chǔ)水罐液位值、壓力值等數(shù)據(jù)的變化顯示，便于報(bào)表分析，以此均衡各設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1.2 沉淀池與泵坑建設(shè)

在露天采場(chǎng)最低處建設(shè)沉淀池和泵坑，四周圍墻和泄洪孔用于攔截污物與積水進(jìn)入，沉淀池用于沉淀周邊匯聚積水中的泥沙和安裝新增的2臺(tái)高壓水泵，泵坑用于安裝3臺(tái)潛水泵。

2.1.3 第二路排水管路安裝

從水泵房出口至充填站邊坡底部新增一路排水管，積水由水泵房經(jīng)管路排放至廠區(qū)，經(jīng)水溝排放至河套。

2.1.4 應(yīng)急高壓水泵安裝

在沉淀池內(nèi)部安裝2臺(tái)高壓水泵，型號(hào)為BQ725-159/6-600，排水能力725m3/h，揚(yáng)程159m，功率600kW，電壓6kV，用于出現(xiàn)超預(yù)期降雨或是突發(fā)事件造成的水量增加情況。

2.2 -210水泵房和9穿潛水泵遠(yuǎn)程自動(dòng)控制

對(duì)-210水泵房安裝2臺(tái)WQ150-50-37型號(hào)潛水泵和1套自動(dòng)控制裝置，對(duì)-210m水平9穿排水點(diǎn)安裝1套自動(dòng)控制裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)水倉水位和潛水泵運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并依據(jù)設(shè)定水位高低限進(jìn)行自動(dòng)啟停，可通過調(diào)度室內(nèi)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)定啟停水位。由于兩處自動(dòng)控制原理相同，故以-210水泵房為例進(jìn)行介紹。

2.2.1 工作原理

在配電室內(nèi)安裝一面自動(dòng)控制柜，采用PLC控制器控制，通訊協(xié)議支持TCP/IP協(xié)議，并接入到工業(yè)以太網(wǎng)中。數(shù)據(jù)采集與控制主要由PLC實(shí)現(xiàn)，PLC模擬量輸入模塊通過液位傳感器檢測(cè)水倉水位，依據(jù)水位高低，來判斷水倉水量大小，控制排水泵的啟停。

2.2.2 運(yùn)行方式

就地手動(dòng)工作方式時(shí)，根據(jù)水倉水位情況，在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制水泵的啟停。遠(yuǎn)程手動(dòng)工作方式時(shí)，由調(diào)度室值班人員通過人機(jī)界面，觀察兩個(gè)水位情況控制水泵的啟停；遠(yuǎn)程自動(dòng)工作方式時(shí)，PLC依據(jù)采集的水倉水位數(shù)據(jù)，按照設(shè)定好的啟停水位上下限，自動(dòng)控制啟停相應(yīng)水泵[3]。以上三種工作模式，可在現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制柜切換。

2.2.3 PLC硬件控制系統(tǒng)

選用西門子公司PLC控制系統(tǒng)，經(jīng)詳細(xì)計(jì)算需求模擬量輸入點(diǎn)3個(gè)，數(shù)字量輸入點(diǎn)16個(gè)，數(shù)字量輸出點(diǎn)10個(gè)，核心控制器選用S7-200 222型PLC，擴(kuò)展1個(gè)EM223數(shù)字量模塊和1個(gè)EM231模擬量模塊。現(xiàn)場(chǎng)液位傳感器選用GUS10礦用本安型超聲波液位傳感器，壓力傳感器選用礦用本安型壓力傳感器。

2.2.4 調(diào)度室人機(jī)界面

-210m排水系統(tǒng)與露天泵站人機(jī)界面共用，可在顯示界面上進(jìn)行切換，顯示內(nèi)容包括每臺(tái)潛水泵運(yùn)行狀態(tài)、遠(yuǎn)控近控選擇、遠(yuǎn)程就地選擇，水位傳感器、電流電壓表等數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與控制，存在故障報(bào)警顯示，并能遠(yuǎn)程故障復(fù)位?？稍谌藱C(jī)界面上設(shè)定潛水泵的啟動(dòng)高限與停止低限，在遠(yuǎn)控自動(dòng)模式中，實(shí)現(xiàn)泵的自動(dòng)啟停。對(duì)每臺(tái)潛水泵運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，便于報(bào)表分析，以此均衡設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)每臺(tái)潛水泵顯示運(yùn)行參考電流，當(dāng)電流異常時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理。

2.3 -180水泵房無人值守改造

-180水泵房安裝一臺(tái)控制柜，采用美國(guó)OPTO公司DCS冗余控制系統(tǒng)，采用兩個(gè)SNAP-PAC-S1作為控制器，一備一用，配置一套冗余表決器，工作原理是由DCS作為核心控制單元，DCS模擬量輸入模塊通過液位傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)吸水井水位，依據(jù)持續(xù)的水位變化信號(hào)計(jì)算出不同時(shí)段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量大小，控制排水泵的啟停數(shù)量。系統(tǒng)配套電機(jī)電壓和電流、水泵軸溫、電機(jī)溫度和排水管流量等數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，用于監(jiān)測(cè)水泵、電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)；具有超限報(bào)警功能，當(dāng)運(yùn)行顯示超過預(yù)設(shè)范圍值時(shí)，進(jìn)行警告或停機(jī)，避免水泵和電機(jī)損壞。數(shù)字量輸入模塊將每臺(tái)水泵的各種開關(guān)量信號(hào)采集到DCS中，用于狀態(tài)顯示與控制排水泵的啟停[4]。

2.4 -60水泵房無人值守改造

通過對(duì)-60水泵房加裝一套潛水泵、管路和自動(dòng)控制系統(tǒng)，液位傳感器安裝在吸水井內(nèi)，依據(jù)水位控制潛水泵啟停，當(dāng)水位達(dá)到高限后，潛水泵啟動(dòng)，等待啟動(dòng)一段時(shí)間，管路灌滿水后自動(dòng)停止，并依靠-60m至-180m水平之間的高差自流至-180m水倉，直至水被抽干，實(shí)現(xiàn)-60m水泵房的無人值守。原理是自動(dòng)控制配電箱內(nèi)部安裝以太網(wǎng)I/O模塊，用于采集、處理和傳輸水位模擬量信號(hào)，依據(jù)設(shè)定的水位數(shù)據(jù)輸出數(shù)字量信號(hào)控制潛水泵的啟停，連接至礦內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)取數(shù)據(jù)并監(jiān)測(cè)。

3.改造后的效果

經(jīng)過對(duì)排水系統(tǒng)的一系列改造，實(shí)現(xiàn)了露天泵站、-210水泵房、-60水泵房的現(xiàn)場(chǎng)無人值守，減少了崗位人員值守，也確保了排水質(zhì)量，滿足了安全生產(chǎn)需求。改造完成后，在作業(yè)區(qū)的控制室內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)露天泵站、-210水泵房和-60水泵房的統(tǒng)籌管控，同時(shí)，利用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)與控制手段，降低了排水系統(tǒng)的維護(hù)工作量：一方面，通過使用可靠性高的傳感器采集、記錄設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，替代人工定時(shí)巡檢、聽聲判斷，有效降低了日常點(diǎn)檢的工作量；另一方面，機(jī)器在精力和機(jī)械化任務(wù)的執(zhí)行效率上遠(yuǎn)高于人，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的記錄、運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視可以做到近乎于實(shí)時(shí)，在設(shè)備發(fā)生異常的時(shí)候，能第一時(shí)間做出反映并制定切實(shí)的檢修方案[5]。

4.結(jié)語

石人溝鐵礦排水系統(tǒng)自動(dòng)控制改造的成功建設(shè)，節(jié)省了很多的重復(fù)性投資，減少了維修量，在指導(dǎo)參與井下現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)后，通過作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無人化，井下作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的安全事故率明顯降低，井下安全生產(chǎn)的管理能力大幅提高，為石人溝鐵礦的安全生產(chǎn)工作起到了保障作用，在同類礦山中具有很好的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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作者單位：河鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦