淺談煤礦綜合自動化系統的建設與應用

宋志亮

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 沁水 048214）

為積極響應國家大力發展煤礦智能化建設、推動煤炭產業升級轉型相關政策，保證煤礦安全高效生產，實現建設高效智慧礦山，打造本質安全型礦井工作理念，玉溪煤礦作為晉城市智慧化礦山建設試點單位，正在逐步將機械化、自動化、信息化研發成果引入煤礦安全生產管理系統，建成以瓦斯抽采、通風排水、主運輸、輔助運輸等為主的8 個子系統集成控制的煤礦監控及自動化平臺，煤礦生產進一步全面智能化，向“安全、高效、綠色”的現代新型煤炭工業體系建設發展。

1 煤礦綜合自動化系統設計原則

煤礦綜合自動化系統設計主要突出先進性和可靠性、適用性和易用性、可視性和可控性、可互聯和可共享、可擴展和可開發等原則，以先進的設計理念為基礎，采用符合未來技術發展的先進技術手段來構架綜合自動化軟件平臺，利用環網系統將礦井的瓦斯抽放泵房監控系統、電力監控系統、皮帶監控系統、壓風機監控系統、主通風機監測系統、泵房自動化系統及各工業現場的視頻監控匯聚，使各自動化子系統數據可進行有效集成和有機整合，實現數據的綜合分析，從而實現系統減人、無人的目的。另外，集控中心、調度室可對井上下施工地點的環節、設備、人員進行實時監控，實現煤礦井上下統一調度。

2 煤礦綜合自動化系統技術路線

2.1 瓦斯抽采系統技術路線

采用PLC 控制系統對瓦斯抽采泵、循環水系統、閥門等進行多方式控制，確保系統高效、可靠、安全的運行，降低工人勞動量，同時對泵站環境參數、管路參數、工況參數、循環水等參數進行實時監測，保障瓦斯抽采系統安全運行。

2.2 供配電系統技術路線

對礦井上下供配電系統進行遠程監測和控制，具備遠程分合閘功能，遙調、遙測、遙信、遙控、遙視功能，同時對主變電所電纜夾層、電纜井進行自動化報警裝置設計，并對電纜較為集中的電纜溝、橋架進行火災告警系統設計，達到遠程操控、無人值守的要求，實現電力系統的遠程自動化。

2.3 主運輸系統技術路線

采用“工業以太網+現場總線”的控制模式，結合皮帶沿線的擴音廣播系統和工業電視系統，實現了逆煤流啟動、順煤流停車功能，采集設備工況，具有控制、信息采集與處理、保護、故障診斷、語音報警、視頻監控和數字擴音等功能，實現煤流系統遠程監測監控的要求。

2.4 其他系統技術路線

除以上三大系統外，還有礦井通風、壓風、排水、工業視頻監控、信息引導及發布等六大系統。礦井通風系統可實現主通風機和局部通風機的集中控制、調速、啟動、反風、倒風等一鍵式操作功能；壓風系統對壓風機排氣壓力、溫度、管道風量、電機電壓、電流及相關閥門進行監測、控制和切換等操作；排水通過“多級控制模式”可進行一鍵啟停、自動輪詢、自動開停泵等操作；工業視頻監控子系統通過高清視頻對工業廣場、地面變電所、瓦斯抽采站、壓風機房、副井提升機房、地面煤流篩分系統、煤流轉載點、井下變電所、排水泵房等重要場所進行自診斷功能、自動報警；信息導引及發布系統實時監控井下環境參數、關鍵設備狀態、區域環境評估、人員分布等常規信息。

煤礦綜合自動化系統通過對井上下大系統常規信息收集、分析、報警、倒換、成圖等功能的自動化，實現各大系統全自動化運行，達到煤礦生產主要系統無人值守的目的，從根本上做到“自動化減人、現場無人”的本質安全。

3 自動化系統的應用

3.1 瓦斯抽采系統應用

瓦斯抽采自動化要實現監測和監控兩個功能，檢測功能的實現通過中心站、顯示控制裝置、檢測傳感器三層結構。中心站負責管理整個瓦斯抽采系統中各設備檢測的數據、抽放監控柜實時數據通訊、統計存儲、屏幕顯示、查詢打印、網絡通訊等任務；顯示控制裝置層（分站）采集現場各傳感器數據、數據計量及操作控制、故障保護、面板操作、現場數據顯示、聲光報警等；傳感器層采集瓦斯抽采系統中的各種參數。

控制功能的實現通過上位機、PLC 可編程控制柜、受控設備三層結構。上位機負責實時監控整個抽放系統所有設備的運行狀態，采集監測數據，判斷控制條件，下發控制指令，共享控制權力（實現網絡遠程控制）；PLC 可編程控制箱集中控制現場所有受控設備，通過儲存的程序指令以條件式地判斷分別精確地實現遠程控制；受控設備包括抽放泵、電動閥等。具體網絡架構如圖1 所示。

圖1 瓦斯抽采自動化系統網絡構架圖

3.2 供配電系統應用

供配電自動化系統已實現遙測、遙信、遙控、遙調和遙視功能，并通過繪圖軟件自行定義各種圖元和動態關聯點，由人機界面程序實現現場情況的動態顯示。當系統運行異常時，顯示圖通過閃爍和語音的方式進行自行報警，操作人員可通過遙控、遙調的方式消除故障；還能夠將歷史和當前數據以曲線、棒圖、餅圖等形式顯示，直觀反應各點數據占比，自動生成各類報表；通過視頻在屏幕上觀察各開關、刀閘位置，線路功率、電流等潮流信息，趨勢曲線信息，從而進行各接線圖切換，對各畫面放大、縮小、導航、分層查看等操作；通過人工置數實現數據設置和在線編輯等功能。如圖2 所示。

圖2 供配電自動化系統網絡構架圖

3.3 其他系統應用

礦井其他系統也都是通過地面監控室監控操作人員對主運輸、通風、壓風、排水、工業視頻監控、信息引導及發布等系統各個地點、設備進行控制。皮帶機的開停、通風機參數的實時監控、壓風機的智能管控、水泵的自動控制、各施工地點的視頻監控等都可在地面監控室完成，并通過礦井上/下光纖工業電視系統、調度通信系統、無線通訊系統和語音廣播系統將信息實時傳送到礦調度指揮中心、跟值班人員手機和礦領導辦公室，并將調度信息通過通訊系統反饋到井上下各施工地點，實現地面統一調度。

4 應用效果

4.1 經濟效益分析

玉溪煤礦正積極推進煤礦綜合自動化系統升級改造，系統建成后地面通風機房、空壓機房、瓦斯發電站、地面變電所、井下水泵房、變電所、皮帶頭能夠基本實現有人巡檢、無人值守，共計減人約64 名。人員年薪按照5 萬元/人核算，每年可減少人工成本投入約320 萬元。具體如表1 所示。

表1 玉溪煤礦自動化減人情況表

綜合自動化系統的運行提高了生產系統設備（主要包括煤流系統、排水系統）開機率，設備運行連續，減少設備空轉時間，節約了大量的電費。根據系統運行故障記錄、報警信息等指導維護人員合理并及時安排設備檢修，實現設備精準維護，降低設備損耗。根據往年設備檢修費用分析，降低設備損耗按照維修費用的20%核算，每年可減少設備維修費用約200 萬元。

4.2 安全效益分析

煤礦綜合自動化系統改變了傳統的生產方式，打破原有各大系統信息“孤島式”管理，實現了礦井信息共享，做到整個礦井統一布局、協同作業，除了帶來一定的經濟效益外，主要解決了煤礦在安全方面的迫切需求。

（1）通過各大系統自動檢測、控制、報警等功能，有效縮短了人工調度出現的時間差，極大提高了礦井應急反應和處置能力。

（2）自動化終端對各大系統關鍵設備運行參數、故障檢修和開?？刂频膶崟r操作，減少了關鍵崗位人員配備，進一步貫徹“無人則安，少人則安”、“建設高效智慧礦山，打造本質安全型礦井”的煤礦工作理念。

5 結論

通過煤礦綜合自動化系統平臺的建立和實施，實現了生產工藝的全過程自動化控制，改變了傳統生產方式，優化了生產流程，提高了礦井自動化程度，提高了礦井的經濟效益和社會效益。玉溪煤礦建立煤礦綜合自動化系統平臺后，實現了6 大系統13 個地點的無人操作，減少64 人，人工和設備維修費用約每年節約520 萬元。通過煤礦自動化系統平臺的實施，礦井還實現安全生產動態管理、集中管控和預警聯動，為專家決策和大數據應用分析等智慧礦山的建設打下了堅實基礎。