劉 鵬

(首都醫(yī)科大學(xué) 附屬北京康復(fù)醫(yī)院基建科，北京 100144)

對于礦山來說，安全是重中之重的頭等大事，關(guān)系到礦產(chǎn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，更關(guān)系到職工的利益和生命安全。但在現(xiàn)實工作中，礦產(chǎn)企業(yè)仍不斷發(fā)生一些或大或小的安全事故，如何進行安全生產(chǎn)成為礦山安全穩(wěn)定發(fā)展的首要任務(wù)。影響錳礦井下安全的因素很多、很復(fù)雜，但最為重要的一個原因就是井下滲水，井下一旦發(fā)生透水事故，不僅會影響開礦的進度，造成經(jīng)濟效益的損失，甚至還會威脅井下工作人員的生命安全[1]。作為錳礦生產(chǎn)六大系統(tǒng)之一的井下排水系統(tǒng)，承擔(dān)著排除積水的重大責(zé)任?，F(xiàn)在我國錳礦中使用的排水系統(tǒng)大多還是陳舊的、由人工進行操作的排水系統(tǒng)，存在著很大的安全隱患，基本上已經(jīng)很難適應(yīng)現(xiàn)代錳礦井下生產(chǎn)的需求，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，信息技術(shù)慢慢融入到各個作業(yè)環(huán)節(jié)，自動化控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在錳礦井下排水系統(tǒng)中，也得到了廣泛應(yīng)用，在保證礦井生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的同時，提高了錳礦井下作業(yè)安全。

1 錳礦井下排水系統(tǒng)自動化控制應(yīng)用的必要性

1.1 傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的特點及存在的問題

過去，錳礦井下的水泵房中多使用傳統(tǒng)的排水方式，主要是采用離心式的水泵系統(tǒng)進行抽水。這種水泵主要是通過葉輪的旋轉(zhuǎn)，使水產(chǎn)生離心力進行工作。輸送水的能力很強，但產(chǎn)生的壓力比較低，并且不穩(wěn)定，會隨著流量的變化而變化。因此泵站開啟和停止的時間，完全依靠工人以往的工作經(jīng)驗和總結(jié)出來的操作規(guī)程，存在極大的不確定性。根據(jù)離心式水泵的工作原理，當(dāng)水倉里的水量達到設(shè)定的高度時，工人要及時打開真空泵，讓水泵呈真空狀態(tài)，這時要立即察看真空表的數(shù)值，真空度達到規(guī)定的數(shù)值時，啟動運轉(zhuǎn)水泵機組，當(dāng)水泵出水口的壓力值達到要求的數(shù)值時，開啟水閘的閥門，讓積水排出，同時關(guān)閉真空泵。反之，當(dāng)水倉里的水量降至設(shè)定的最低水位時，要先把水閘的閥門關(guān)閉，再關(guān)停水泵機組[2]。

這樣的操作存在很大的問題：第一，工人人數(shù)多，勞動強度大。每一個水泵房不間斷都要有人值班，事關(guān)安全的大事，一刻也不能疏忽，一旦發(fā)生異常情況，馬上要進行檢修。工人在工作期間，精神高度集中，勞動強度大，開關(guān)水閘閥門的工作，勞動量也很大，這是一個需要耗費大量人力的工作。第二，工作效率低下，可靠性低。水泵的操作全部由人來完成，對水位的高低、水流量的大小完全由工人根據(jù)以往的經(jīng)驗進行判斷，很容易產(chǎn)生較大的誤差，作業(yè)過程比較復(fù)雜，對工人的專業(yè)、責(zé)任心要求都很高，一不小心就會釀成重大責(zé)任事故。為了解決這些問題，要引進新的、先進的信息技術(shù)系統(tǒng)，將自動化控制技術(shù)應(yīng)于于錳礦井下排水系統(tǒng)中，優(yōu)化設(shè)計控制系統(tǒng)，提高礦井的生產(chǎn)效率。

1.2 井下排水系統(tǒng)自動化控制應(yīng)用的優(yōu)勢

1)安全可靠

錳礦井下排水自動化控制系統(tǒng)既可以在當(dāng)場控制，也可以進行遠程控制，也可以結(jié)合使用。根據(jù)錳礦井下具體的環(huán)境與要求，選擇最合適的方式進行控制。如果遇到意外情況，通訊被中斷，可以自動轉(zhuǎn)化控制模式，可靠性更高，可對不同區(qū)域的啟動裝置、電機、水泵、真空系統(tǒng)等進行全面的監(jiān)督、控制，在系統(tǒng)發(fā)生故障前進行預(yù)警通告。

2)先進穩(wěn)定

現(xiàn)有錳礦井下排水系統(tǒng)采用的自動化控制系統(tǒng)多為可編程邏輯控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用的是光纖環(huán)網(wǎng)通訊技術(shù)，與傳統(tǒng)的總線傳輸技術(shù)相比更先進，可以大大提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋€(wěn)定性也有很大的提升。在編程技術(shù)上，采用新的組態(tài)軟件控制技術(shù)，這種技術(shù)穩(wěn)定性強，與其他技術(shù)的兼容性也高，為系統(tǒng)將來進行二次開發(fā)奠定了很好的基礎(chǔ)，擴容更容易，費用也比較低廉。

3)高效經(jīng)濟

自動化控制系統(tǒng)讓水泵的能量消耗處于最少、最合適的狀態(tài)，自動記錄每一次啟動水泵的時間，找出用時最少的水泵，積累水泵運行時間數(shù)據(jù)，平衡水泵的磨損程度，避免重復(fù)、多次使用同一設(shè)備，提高水泵使用效率。在水倉中，提前設(shè)置好啟動、報警、停機等操作的不同水位，在保證水倉安全，保證水位符合預(yù)設(shè)要求的前提下，減少水泵的使用次數(shù)，延長水泵的使用周期，更具經(jīng)濟性。

2 排水自動化系統(tǒng)的功能

2.1 自動化控制

錳礦井下排水系統(tǒng)自動化控制主要是為了保證系統(tǒng)可以正常、平穩(wěn)的運行，進而保障錳礦井下能夠安全生產(chǎn)，水位的設(shè)置在自動化管理中是很重要的一環(huán)，為了確保不出現(xiàn)失誤，一般系統(tǒng)會在水倉設(shè)置兩套水位傳感器，系統(tǒng)接收到水量數(shù)據(jù)，按標(biāo)準(zhǔn)分成不同的水位段，并計算出單位時間內(nèi)各區(qū)域水位上漲的速率，掌握礦井正常的通過水量。自動化控制系統(tǒng)還可以測算井下的電流數(shù)值，計算用電負荷率。系統(tǒng)根據(jù)礦井通過的水量和用電額的具體情況，對水泵的開關(guān)加以控制，在保證效率的同時，達到節(jié)約能源的目標(biāo)[3]。

2.2 故障停泵

水泵在自動控制的狀態(tài)下運行，一旦發(fā)生故障，電腦系統(tǒng)會依照預(yù)設(shè)的程序停止水泵的運行。水泵在檢修的時候運行，如果突然發(fā)生故障，要停止水泵，首先要同時關(guān)上管道手動的閥門，在閥門關(guān)閉之后，再停止電機的運轉(zhuǎn)。不論水泵用哪種方式運轉(zhuǎn)，在發(fā)生故障需要停止水泵運行時，一定要按下緊急停止的開關(guān)。停止之后，要仔細排查故障發(fā)生的原因，并及時修理，修好以后，要及時按下故障復(fù)位鍵，使系統(tǒng)恢復(fù)狀態(tài)，使水泵能更好的重新啟動。

3 排水自動化系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計及實現(xiàn)

3.1 主控中心及站點

自動化系統(tǒng)的主控中心也是地面的監(jiān)控中心站點，主要有顯示設(shè)備、工作站、二十四小時不間斷的電源系統(tǒng)、語音設(shè)施等，利用監(jiān)控站的這些設(shè)施，對錳礦井下所有的水泵房進行全方位的監(jiān)控。錳礦井下的主站是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，可以實時進行通訊聯(lián)系，與每個水泵分站的網(wǎng)關(guān)聯(lián)系，進行總線通訊，主站與分站之間可以進行實時的、雙向的數(shù)據(jù)傳輸。還能夠接受工程師站所下發(fā)的各種參數(shù)設(shè)置和各項指令，及時反饋收集到的數(shù)據(jù)，利用井下的集中控制系統(tǒng)，主控站發(fā)布各項操作命令，在集中操作的相關(guān)控制平臺上顯示各類信息，詳細執(zhí)行整個流程。錳礦井下的水泵房里單獨設(shè)置井下專用的、防爆的、可以編程的主控站點，這些排水系統(tǒng)自動化控制呈一種分布式排列，另外還配備了錳礦專用的集中控制的操作設(shè)備，可以對各個水泵房的設(shè)備進行集中的控制。每臺泵機都要接入錳礦專用的網(wǎng)關(guān)，在地面還要設(shè)立工程師站點，對所有系統(tǒng)和設(shè)備進行遠程監(jiān)控，收集到的數(shù)據(jù)實時清晰的顯示出來。對發(fā)生的系統(tǒng)故障和警報進行及時報備，并記錄全部存儲，方便以后進行查詢[4]。

3.2 井下水泵控制系統(tǒng)

水泵控制系統(tǒng)依照預(yù)先設(shè)定的程序標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實際情況，自動啟用相應(yīng)的水泵。當(dāng)水位上升至預(yù)設(shè)的高度，需要啟用水泵時，先啟動運行狀況良好且停止時間最長的正常水泵，如果需要使用到備用的水泵，停止時間最長且沒有故障的水泵將被最先啟動。因為水泵系統(tǒng)是在高壓情況下進行輸送，當(dāng)達到數(shù)值最高峰時，存在很大的壓力，所以在輸送過程中要進行減壓處理，自動化控制系統(tǒng)根據(jù)管道壓力的大小，自動開啟閥門，消除多余的壓力。

3.3 自動化監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)在錳礦井下大體主要應(yīng)用于3個方面：一是井下排水自動化監(jiān)控系統(tǒng)；二是水泵房的監(jiān)控系統(tǒng)；三是井下進行生產(chǎn)的其他機器設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。

1)排水自動化監(jiān)控系統(tǒng)大多選用可編程控制器，接口是按標(biāo)準(zhǔn)化來進行設(shè)計制作的，可以與其他機器設(shè)備更好的兼容，總線采用分布式的通訊設(shè)計，隨著監(jiān)控系統(tǒng)的正式應(yīng)用，可以及時掌握井下排水情況，對相關(guān)數(shù)據(jù)進行收集、整理、分析，依據(jù)操作命令，進行實時控制，順利完成排水工作，保證錳礦井下的生產(chǎn)安全[5]。

2)水泵房的監(jiān)控系統(tǒng)主要有傳感器、信號收集設(shè)備和監(jiān)控分站，主控中心是井下控制系統(tǒng)進行通訊的關(guān)鍵，使監(jiān)控分站收集到的信息可以與地面監(jiān)控中心站點的信息進行及時交換，還可以應(yīng)用各個現(xiàn)場的顯示器，幫助井下的工作人員了解相關(guān)系統(tǒng)運行的整體情況。中央主水泵房系統(tǒng)要加以控制，其中電控柜擁有測量儀器、輔助設(shè)備和綜合保護電器，整體信息系統(tǒng)在每個水泵處都設(shè)置了分站。地面控制中心站點的各項命令通過光纖迅速傳遞到各通信主站和分站，控制水泵作出相應(yīng)的措施。

3)井下進行生產(chǎn)的其他機器設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。對其他機械設(shè)備進行監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，對整個錳礦井下生產(chǎn)狀況進行了解，確保井下的排水工作有條不紊的自動運行。

3.4 視頻檢查系統(tǒng)

視頻檢查系統(tǒng)有攝影儀器、專業(yè)軌道、驅(qū)動電機以及主要控制設(shè)備等。工作人員可以實時控制攝影儀器，依據(jù)事先設(shè)置好的目標(biāo)，按計劃進行移動拍攝，遠距離傳遞圖像，進行監(jiān)控并加以儲存；也可以提前設(shè)置編輯好程序，讓攝影儀器自動拍攝需察看的目標(biāo)，對監(jiān)控目標(biāo)進行全方面的察看；還可以顯示攝影儀器當(dāng)時所處的位置、環(huán)境等信息資料。

3.5 語音系統(tǒng)

語音系統(tǒng)主要用來進行預(yù)警，分別包括水泵房和控制中心的語音系統(tǒng)。水泵房的語音系統(tǒng)是根據(jù)自身的實際情況和具體要求，提前錄制語音播報的內(nèi)容，主控中心對收集到的數(shù)據(jù)進行分類，并根據(jù)需求進行分門別類的判斷，快速進行甄別，根據(jù)相應(yīng)的程序要求，設(shè)置好與語音報警內(nèi)容相對應(yīng)的條件，通過系統(tǒng)制定的程序?qū)缶膬?nèi)容進行啟動?？刂浦行牡恼Z音系統(tǒng)除了單獨報警以外，還可以控制整個系統(tǒng)，對站點的語音報警設(shè)備進行啟動。

3.6 線路

水泵房的單個水泵、顯示設(shè)備、現(xiàn)場操作設(shè)備、主控設(shè)備之間主要通過現(xiàn)場的線路進行連接，對所有的數(shù)據(jù)進行及時、有效、高速的傳輸，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

在錳礦井下，排水系統(tǒng)自動化控制具有十分重要的作用，為提高錳礦現(xiàn)代化水平，進行信息化、數(shù)據(jù)化管理提供了保障，在保證錳礦生產(chǎn)安全的同時，提高了錳礦整體的工作效率和工作質(zhì)量。因此，錳礦井下排水系統(tǒng)自動化控制受到越來越多的關(guān)注，更多的研究人員加入到研究與改進該系統(tǒng)的行列，使自動化控制發(fā)揮更大的作用。