井下中央泵房智能無人值守設(shè)計及應(yīng)用

關(guān)鍵詞：中央泵房；自動化；機(jī)器人巡檢

中圖分類號：TD636 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）04-0081-06

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2025.04.023

Intelligent Unattended Design and Application of Underground Central Pump House

ZHANG Dong，DAI Changchang，LYU Chao，WANGJialiang （Baixiangshan Mining Branch of Magang Mining Resources Group，Ma'anshan 2431Oo， China）

Abstract：Asetofintelligentsystemshasbeendesigned toaddress theproblemsofloweficiency，highrisk，andeliance on manual inspectionandon-siteoperationof thecentral pumproomand central substation inunderground mines.The systemachievesremoteautomationoperationof thepumpromthroughoneclicksurfacecontrol，anduses inspectionrobots tocompleteintellgentinspectiontasksofthesubstation，efectivelyimprovingoperationaleffciencyandsafety，educing theneed for manual intervention，realizingthe intelligenceofunmanned operationof the pumproom，greatly improving the intrinsicsafetyleveloftheundergroundcentralpumproom，andefectivelypromotingtheunmannedandintelligent construction of fixed underground positions.

Keywords： central pump room; automation; robot inspection system

在某井下礦山生產(chǎn)系統(tǒng)中，起著至關(guān)重要作用的是中央泵房和中央變電所。因此，中央泵房和中央變電所經(jīng)營狀況直接影響著整個煤礦的生產(chǎn)安全及經(jīng)營效益。然而，該井下中央泵房的運(yùn)維模式仍依賴傳統(tǒng)的人工操作與巡檢，存在一些問題。例如，受限于井下作業(yè)環(huán)境的特殊性，如空間狹窄、地質(zhì)條件的復(fù)雜性以及安全風(fēng)險的多發(fā)性，人工操作面臨較高的安全風(fēng)險；受人力資源和生理條件的制約，人工巡檢存在監(jiān)測頻率低、間隔周期長等問題，難以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中的異常情況，從而導(dǎo)致故障預(yù)警滯后，易引發(fā)嚴(yán)重的生產(chǎn)安全事故。因此，設(shè)計一套中央泵房自動控制系統(tǒng)及機(jī)器人巡檢系統(tǒng)，對提升礦山生產(chǎn)安全與效率具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義。

1中央泵房自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)工作模式設(shè)計

在某井下礦山中央泵房的自動控制系統(tǒng)中，采用了分層控制架構(gòu)，成功實現(xiàn)了一鍵遠(yuǎn)程啟停連鎖控制、水倉液位自動反饋控制、單機(jī)遠(yuǎn)程控制以及本地現(xiàn)場手動控制4種可切換的工作模式。通過在控制柜上配置轉(zhuǎn)換開關(guān)，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定切換自動、手動以及檢修3種工作狀態(tài)，從而保障運(yùn)行的靈活性與穩(wěn)定性。

1.2系統(tǒng)功能實現(xiàn)

該系統(tǒng)集成了多種先進(jìn)的監(jiān)控和控制功能：一是實現(xiàn)了水位、流量等模擬量的實時可視功能；二是基于液位傳感器的實時數(shù)據(jù)采集和處理，實現(xiàn)水泵的智能化啟停控制，并通過人機(jī)界面（HumanMachineInterface，HMI）對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行動態(tài)顯示；三是構(gòu)建了分層故障診斷機(jī)制，依據(jù)故障嚴(yán)重程度觸發(fā)相應(yīng)級別的報警，并在嚴(yán)重故障情況下執(zhí)行閉鎖停機(jī)保護(hù)；四是實現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)測，一旦檢測到電流過載、溫度異常或水泵故障，系統(tǒng)就會立即觸發(fā)聲光報警并執(zhí)行保護(hù)性停機(jī)；五是通過多參數(shù)融合分析（流量、壓力、真空度等），實現(xiàn)了水泵啟動狀態(tài)的智能化判斷與異常預(yù)警；六是采用標(biāo)準(zhǔn)化通信接口設(shè)計，確保與礦井一體化自動化信息系統(tǒng)無縫融合。

1.3系統(tǒng)硬件架構(gòu)

該系統(tǒng)采用分散式控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）技術(shù)，構(gòu)建分布式控制架構(gòu)。在中央水泵房配電站部署了基于S7-1500H的冗余控制主站和輸入輸出（Input/Output，I/O）子站，地面控制中心實現(xiàn)了生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)的采集、處理與設(shè)備控制功能。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

硬件系統(tǒng)由可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）控制柜、電動閘閥、高精度監(jiān)控儀表、高壓軟起動器、現(xiàn)場按鍵控制箱，壓力、流量、溫度等傳感器網(wǎng)絡(luò)等部分組成。

1.4控制邏輯與組態(tài)設(shè)計

1.4.1 系統(tǒng)的控制流程

該系統(tǒng)的具體控制流程如圖2所示。一是通過水倉水位感應(yīng)器實時監(jiān)控水位數(shù)據(jù)；二是當(dāng)水位達(dá)到預(yù)先設(shè)定的排水水位時，由PLC依次執(zhí)行開啟電磁閥和啟動真空泵的指令；三是根據(jù)水泵吸水管水倉水位與中心高度差得出真空度數(shù)值，并與實際測量值的負(fù)壓傳感器進(jìn)行比較分析；四是一旦達(dá)到真空，PLC隨即啟動水泵；五是利用正壓傳感器驗證系統(tǒng)壓力，確認(rèn)壓力達(dá)到預(yù)設(shè)閾值后，電動閘閥隨即開啟，從而完成啟動程序；六是當(dāng)水倉水位升至預(yù)設(shè)的停泵水位時，PLC關(guān)閉電動閘閥，停止排水作業(yè)。整個過程由PLC進(jìn)行實時監(jiān)控。

1.4.2 系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計

系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計采用模塊化架構(gòu)，HMI接口實現(xiàn)了如下功能：一是以生動形象地展現(xiàn)生產(chǎn)過程為目的，對工藝流程進(jìn)行動態(tài)仿真展示；二是實時監(jiān)控設(shè)備，保證裝備處于最佳狀態(tài)；三是歷史資料的儲存與分析，為生產(chǎn)管理提供數(shù)據(jù)支撐；四是故障信息的可視化呈現(xiàn)，便于對問題進(jìn)行快速定位并采取有效的措施。

顯示元素采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，通過填充、趨勢曲線、旋轉(zhuǎn)動畫、狀態(tài)閃爍、顏色編碼等多種形式，實現(xiàn)信息的直觀表達(dá)。系統(tǒng)基于Windows7或Windows10平臺開發(fā)。該系統(tǒng)主畫面如圖3所示。

1.5控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

中央泵房自動控制系統(tǒng)采用 3+2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即由三層設(shè)備和兩層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

三層裝置具體包括執(zhí)行層、控制層以及經(jīng)營層。執(zhí)行層涵蓋了現(xiàn)場設(shè)備，如機(jī)電一體化大型設(shè)備的傳感器、執(zhí)行器和PLC智能界面；控制層包括控制器等控制設(shè)備；管理層涉及人員操作設(shè)備，包括操作員站（Operator Station）和工程師站（Engine Station）。

兩個網(wǎng)絡(luò)具體包括對網(wǎng)絡(luò)的控制以及對網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視。網(wǎng)絡(luò)的控制是現(xiàn)場設(shè)備與控制器溝通的橋梁，該系統(tǒng)設(shè)計了傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，TCP/IP）接口和MODBUS-RTU接口，以便與第三方設(shè)備、PLC、智能測量儀表以及智能電氣設(shè)備進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)交換；網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視旨在實現(xiàn)控制設(shè)備與管理層操作設(shè)備的通信連接，采用百兆以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，確保信息數(shù)據(jù)高效與準(zhǔn)確的傳輸。通信網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

2機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的建設(shè)

2.1 機(jī)器人本體

在本次井下中央泵房項目中，軌道式巡檢機(jī)器人（見圖5）構(gòu)成了巡檢系統(tǒng)的核心。該機(jī)器人主要負(fù)責(zé)中央泵房區(qū)域內(nèi)的巡檢任務(wù)以及現(xiàn)場的應(yīng)急處理。其關(guān)鍵組成部分涵蓋了車體、驅(qū)動電機(jī)、控制箱、避障傳感器、攝像頭、紅外熱成像、發(fā)光二極管（LightEmittingDiode，LED）照明燈具、溫度探頭、濕度探頭、氣體傳感器以及拾音器等。這些部件確保了機(jī)器人能夠高效、準(zhǔn)確地執(zhí)行巡檢任務(wù)，及時發(fā)現(xiàn)并上報潛在風(fēng)險，從而保障了泵房的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2充電單元

巡檢機(jī)器人采用大容量鋰電池組供給動力，且每個巡檢機(jī)器人配備一套充電樁。充電樁設(shè)置位置在機(jī)器人巡檢路徑的始端位置。巡檢機(jī)器人在完成巡檢任務(wù)后，能夠自動尋找充電樁并完成充電操作。機(jī)器人內(nèi)部配備了電池電壓檢測電路，可實時監(jiān)測電量狀態(tài)，并允許用戶自定義電量報警閾值。一旦電量低于設(shè)定閾值，機(jī)器人將自動停止當(dāng)前巡檢任務(wù)，啟動警報機(jī)制，通過內(nèi)置的導(dǎo)航系統(tǒng)尋找充電樁位置并自主行駛至充電樁附近，完成與充電樁的精準(zhǔn)對接，隨后啟動充電功能，確保設(shè)備隨時處于待命狀態(tài)。

2.3通信平臺

機(jī)器人巡檢系統(tǒng)通過構(gòu)建區(qū)域性的無線局域網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與后臺服務(wù)器的實時通信與控制。在應(yīng)用現(xiàn)場，沿著軌道分布無線路的路由器接入點（AccessPoint，AP），通過無線路將機(jī)器人巡檢系統(tǒng)接入路由器局域網(wǎng)，實時傳輸圖像數(shù)據(jù)和控制命令。機(jī)器人通信網(wǎng)絡(luò)部署如圖6所示。

2.4機(jī)器人本體控制系統(tǒng)

機(jī)器人本體的控制系統(tǒng)如圖7所示。該系統(tǒng)由內(nèi)置高性能高級精簡指令的計算機(jī)（AdvancedReducedInstructionSetComputerMachines，ARM）完成，采用模塊化分層設(shè)計，確保外部接口的完備。其中，驅(qū)動層用于控制機(jī)器人的移動以及各種傳感器的連接和收集；業(yè)務(wù)層用于處理機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)控、任務(wù)調(diào)度、圖像識別、巡檢數(shù)據(jù)的匯總分析以及告警判斷等業(yè)務(wù)邏輯；應(yīng)用層基于瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）架構(gòu)，實現(xiàn)跨平臺的統(tǒng)一用戶交互和數(shù)據(jù)應(yīng)用程序接□（ApplicationProgramming Interface，API）對外接口。

3機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的功能分析

3.1識別并讀取表計數(shù)值

在巡檢機(jī)器人系統(tǒng)中，利用自主研發(fā)的高精度圖像識別算法，由機(jī)器人上的可見光攝像頭智能分析和處理視頻數(shù)據(jù)內(nèi)容，并在偵測到異常情況后，自動向后臺發(fā)出報警提示。該視頻識別功能目前可精確識別并自動讀取值室內(nèi)各種表計（儀表、壓板、開關(guān)、指示燈、設(shè)備外觀等）數(shù)據(jù)，全面感知站內(nèi)電力設(shè)備和環(huán)境的狀態(tài)信息。

3.2 可見光視頻監(jiān)控

機(jī)器人安裝的可見光攝像機(jī)會實時監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)，后臺人員可以通過后臺系統(tǒng)利用可見光視頻流查看設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。另外，對于特定關(guān)注的設(shè)備，可利用機(jī)器人設(shè)置的巡檢點對特定設(shè)備錄制約10s的圖像，便于后臺的查看分析。

3.3 紅外檢測與診斷

巡檢機(jī)器人系統(tǒng)由紅外圖像采集設(shè)備、紅外圖像處理模塊、圖像顯示、存儲、查詢及報表生成模塊組成，其主要功能包括3個方面。一是實時測溫，基于紅外熱成像測量配電柜表面溫度，可與預(yù)先設(shè)定的設(shè)備溫度閾值進(jìn)行對比，如果有異常，則自動執(zhí)行異常檢測并發(fā)出預(yù)警信號。二是熱圖分析，將紅外圖像與可見光圖像相結(jié)合，展示關(guān)鍵部位的溫度梯度分布圖，從而實現(xiàn)對潛在局部放電點的智能識別。三是智能統(tǒng)計，可自動生成某一時刻的多設(shè)備溫度曲線圖和某一設(shè)備在一定歷史時間內(nèi)的時間-溫度曲線圖。

3.4環(huán)境信息監(jiān)測

機(jī)器人巡檢本體上帶有溫度傳感器、濕度傳感器，以及可測量一氧化碳、甲烷、氧氣、硫化氫氣體的氣體傳感器，巡檢時能夠?qū)崟r收集機(jī)器人巡檢區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并在機(jī)器人后臺顯示界面進(jìn)行可視化展示。如果檢測到的環(huán)境參數(shù)中任何一個參數(shù)超過預(yù)先設(shè)定的閾值，后臺將會執(zhí)行對應(yīng)的報警程序。

3.5語音對講

機(jī)器人本體配備語音對講模塊，工作人員在后臺能夠利用語音對講功能與現(xiàn)場工作人員進(jìn)行實時交流，現(xiàn)場工作人員無須執(zhí)行額外操作，即可在機(jī)器人旁做出回應(yīng)。

3.6機(jī)器人巡檢功能

機(jī)器人巡檢功能具有自動化程度高、智能性強(qiáng)的特點，可自主執(zhí)行全覆蓋區(qū)域內(nèi)的巡檢工作，從而代替人力巡視。自動巡視模式有綜合巡視、常規(guī)巡視、特殊巡視、自定義巡視以及可以相互切換的人工控制運(yùn)行巡視等多種模式。機(jī)器人可以按照事先定義好的規(guī)則，以預(yù)先設(shè)定好的巡視模式執(zhí)行巡視任務(wù)并完成自動巡視。

3.7任務(wù)管理

機(jī)器人控制系統(tǒng)的任務(wù)可分為即時任務(wù)、定時任務(wù)、循環(huán)任務(wù)3個類別。巡檢可以采用多種模式，包括綜合巡檢、日常巡檢、指定巡檢、特殊巡檢以及定制巡檢，能夠根據(jù)不同條件生成相應(yīng)的任務(wù)。任務(wù)可以手動下發(fā)也可以自動按計劃下發(fā)。

3.8巡檢報告展示

每完成一項巡視任務(wù)，機(jī)器人就會生成一份巡視報告，對任務(wù)執(zhí)行情況進(jìn)行詳細(xì)的展示和說明。這份報告支持按時間段檢索和查詢。

3.9數(shù)據(jù)查詢與分析

后臺系統(tǒng)可對設(shè)備溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史趨勢分析，可以查詢單臺設(shè)備的數(shù)據(jù)，也可以對多臺設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，并繪制出設(shè)備溫度曲線，以圖形化形式進(jìn)行展示。

3.10 智能告警

機(jī)器人能夠分析并判斷采集到的數(shù)據(jù)，對超出閾值的指標(biāo)發(fā)出告警，如高溫、環(huán)境指標(biāo)越限等。如果本體出現(xiàn)異常，機(jī)器人會發(fā)出警報，便于運(yùn)維人員盡快對故障進(jìn)行定位，提高運(yùn)行維護(hù)率。警種包含警情偵辦、環(huán)境偵辦、系統(tǒng)偵辦以及警情綜合偵辦等類別。巡視點的告警規(guī)則可以自定義，同時可以根據(jù)需要將一般告警和嚴(yán)重告警分級告警管理。

3.11 實時地圖顯示

機(jī)器人的后臺地圖模塊實時更新機(jī)器人的地圖信息，包括地圖路徑和射頻識別（RadioFrequencyIdentification，RFID）內(nèi)容。包括RFID、充電樁、機(jī)器人巡檢點的位置以及機(jī)器人當(dāng)前的實時位置等元素。

3.12 機(jī)器人自檢

機(jī)器人搭載主要檢測設(shè)備在前端，作為巡檢系統(tǒng)的主體，采集各種資料信息。自檢程序主要是對機(jī)器人進(jìn)行紅外熱成像設(shè)備的檢查，對機(jī)器人的高清攝像、電機(jī)、云臺、內(nèi)部存儲器以及各種傳感器等關(guān)鍵部件進(jìn)行檢查，如果元件有異常，就會進(jìn)行非正常的狀態(tài)報警，并將異常數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控后臺。因此，對于機(jī)器人出現(xiàn)的異常，運(yùn)維人員能夠及時發(fā)現(xiàn)并處理，縮短故障處時間。

3.13 自主避障

機(jī)器人系統(tǒng)配備有超聲波傳感器，可以實現(xiàn)前、后和下方向安全防碰。當(dāng)機(jī)器人出現(xiàn)障礙物或人員時，機(jī)器人會自動停止運(yùn)行，并會有語音提示警報，當(dāng)障礙物或人員離開后，機(jī)器人會自動返回執(zhí)行前序任務(wù)。

4結(jié)論

針對井下礦山中央泵房和變電所人工巡檢存在的效率低、風(fēng)險高、穩(wěn)定性不足等問題，設(shè)計了中央泵房自動控制系統(tǒng)及機(jī)器人巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用分層控制架構(gòu)，實現(xiàn)了泵房的遠(yuǎn)程啟停、液位自動反饋、單機(jī)遠(yuǎn)程控制及本地手動控制，顯著提升了運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。同時，系統(tǒng)配備軌道式巡檢機(jī)器人，負(fù)責(zé)實時采集和分析數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)并上報潛在風(fēng)險。此外，系統(tǒng)集成了實時監(jiān)測與可視化、故障診斷與保護(hù)、多參數(shù)融合分析等功能，確保泵房運(yùn)行的安全性和可靠性。應(yīng)用效果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了泵房無人值守，大幅提高了本質(zhì)安全水平，降低了人工巡檢的頻率和安全風(fēng)險，有效推進(jìn)了井下固定崗位的無人化和智能化建設(shè)。該智能無人值守系統(tǒng)為礦山行業(yè)的智能化發(fā)展提供了重要參考，具有廣闊的應(yīng)用前景。未來，將進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)功能，提高智能化水平，為礦山生產(chǎn)安全與效率的提升提供更有力的保障。

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