井下主排水泵遠程控制系統在張莊礦的應用

王 彪 劉建東 韓曉輝 李保健 黃明杰

（安徽馬鋼張莊礦業有限責任公司）

安徽馬鋼張莊礦業有限公司位于安徽省六安市霍邱縣霍邱鐵礦區，設計規模為采選綜合能力500萬t/a，采用地下開采、豎井開拓、兩翼對角式通風。礦區位于淮河平原區，地形低緩，海拔標高為25.10～34.50 m。礦區地處淮河南岸，地形南高北低。綜合各項水文數據，在-480 m水平設計布置了中央水泵房用于井下排水，配置5套高速、大流量、高揚程MD450-60×10型臥式多級離心泵，將井下水直接排至地表。前期為人工現場開泵排水，存在作業環境差、處理應急狀況不及時等問題，計劃通過遠程控制技術解決相關問題。

1 排水系統存在的問題及解決思路

對于井下礦山而言，排水工作十分重要。排水系統安全性、可靠性、經濟性對于礦山安全及生產管理起著重要作用。前期張莊礦井下主排水泵處于就地控制狀態，排水時需工人由地表通過提升機下至-480 m水平水泵房進行現場操作，工人要在高溫、高噪聲的惡劣環境下工作，容易產生安全事故。

另外張莊礦井下水量較少，根據季節及充填情況變化，每24 h水量僅由單臺泵2～6 h即可完成排水工作。若安排人員24 h輪流值班，則嚴重浪費人力資源，若不安排人員值班，對于異常狀況往往不能及時發現，而一旦面臨井下涌水等突發情況時，人員無法及時就位進行處理。

自動化及遠程控制技術的發展為上述問題提供了良好的解決方案。通過PLC控制、在線檢測、智能管控技術，將現場水位等各類檢測數據在集控中心進行顯示，并設置報警功能，這樣不用再安排人員現場值班，并且各類異常情況也能及時發現。另外水泵的開停也在集控中心進行遠程操作，避免了操作人員長時間在高溫、高噪聲的環境下工作，減少了安全事故的發生。通過遠程自動化控制，可以降低人工成本、改善工作環境，實現本質安全［1-5］。

2 解決方案

系統在-480 m中央水泵房現場布置了一套PLC控制柜，用西門子S7-1500作為主控CPU，PLC控制系統用來采集現場水泵、電機的各項數據以及水位、流量等信息，并用以控制現場各閥門及電機的動作來實現開泵排水和停泵的目的。PLC柜的信號及現場視頻監控的信號通過千兆交換機匯聚后由光纜傳輸至地表集控中心，在集控中心布置操作員站，實現遠程監控及遙控或自動化操作。

2.1 現場改造

首先，對管路及相關儀表進行改造。原排水系統的各個閥門均為電動閥門，通過現場控制箱進行操作，改造時保留了原有的操作箱及線路，將對應信號控制線直接并接至PLC控制柜。在自動化系統故障時，現場操作將作為最后的應急手段保證排水。管路上原有的真空表、壓力表等由于不具備遠程讀數的功能，更換為可遠程讀數的儀表。

其次，對于水倉水位、電機溫度、高壓軟起動柜的電流電壓等信息，其現場設備原本具有遠程讀數功能，通過信號線接入PLC柜，以便于CPU對設備及現場狀況進行監測。

另外，根據現場實際使用過程中出現的特殊情況，增加了泵體溫度檢測功能，避免出現打空泵的情況，作為系統自動運行時的最后一道安全監測手段。同時為了在遠程更直觀地觀察現場狀況，在每臺泵旁安裝了400萬像素高清網絡攝像頭，便于泵工排水時觀察現場狀況。

為了統計日常排水量，掌握井下涌水量變化規律，達到監測地下涌水情況的目的。為每條排水管路安裝了超聲波流量計用以統計排水量，并按照日、周、月的統計情況形成報表。

最后，在PLC控制柜內布置1臺工業千兆交換機，負責匯聚S7-1500信號及現場視頻監控的信號，通過光纜傳輸至地表集控中心，在集控中心布置1臺操作員站用來遠程操作和存儲歷史數據。在操作員站旁布置1臺錄像機用來顯示現場畫面及存儲錄像。

2.2 PLC控制

現場PLC控制柜使用西門子S7-1500作為主控CPU，一方面用來讀取現場各設備的狀態及數據，一方面用來控制設備的運行。系統設置了就地/遠程2種操作模式，通過PLC控制柜上選擇按鈕進行切換。就地模式下水泵依然按原有的人工現場操作的方式啟停，為水泵檢修提供方便。并且在此模式下，遠程操作信號無效，保障了現場檢修安全，避免遠程信號的誤操作。

遠程控制模式下操作人員可以通過集控中心的上位機實現遠程遙控、單臺自動、遠程集控3種操作方式。遠程遙控模式下操作員通過鼠標點擊各閥門按鈕，遠程控制各閥門的開停來實現水泵的開停操作，整個過程接近于原有的人工操作模式。單臺自動模式下，操作員通過上位機選擇某臺泵自動開啟后，整個開泵過程由PLC來控制完成，PLC根據采集到的溫度、壓力、流量等信息自動判斷何時開啟對應的閥門，全自動運行無需人工干預（圖1）。遠程集控模式下，控制算法根據水倉水位、水泵健康狀況，按均衡使用的原則并結合避峰就谷來自動決定水泵的啟?？刂?，實現無人自動排水。

3 實施效果

通過對現有的水泵控制系統進行改造，將張莊礦-480 m主排水泵均集成至地表智能集控中心進行遠程控制，運用PLC控制技術、在線監測、智能管控技術，在系統投入運行后，實現主排水泵的運行監測、智能控制、遠程監控等功能，達到主排水泵安全高效運行和無人值守的目的。具體功能如下。

（1）水泵啟停控制。實現水泵就地操作、遠程遙控、單臺自動、遠程集控4種控制模式。

（2）水泵智能控制。根據水倉水位的高、低，波谷電價差異并考慮水泵的“均勻磨損”原則，控制水泵的啟、停數量，保證水泵均衡使用。

（3）排水管智能控制。根據開啟水泵的數量，即總排水量，決定開啟排水管的數量，保證水泵始終處于最佳工況點。

（4）水位監測。通過設置的液位計，實現水位的連續動態監測。

（5）流量監測。通過設置在各管路段的流量計，實現排水量的監測及統計功能。

（6）遠程監控。地面計算機監控系統能夠實時監視液位及水泵運行時的電流、溫度、流量等參數，在超限時報警、故障時自動閃爍，具有故障記錄功能，支持歷史數據查詢。

（7）手動操作。系統在手動操作模式下可以完全脫離PLC進行手動的單步操作。

（8）緊急情況預警及處理。通過檢測水倉水位、涌水量的變化進行預警，在確認進入緊急狀態模式后，系統以最快速度將允許啟動的所有水泵開啟，以最大排水量進行排水。

4 結 論

（1）主排水泵遠程控制系統研發項目完成后，達到了有效降低勞動強度、減少危險作業區域人員數量及實現泵房無人值守的目的。

（2）系統在出現井下涌水等突發情況時，可無需等待操作人員就位，即可進行自動排水，反應速度快，對井下作業人員安全及礦山安全生產起重要作用。