高小強

（國家能源集團神華神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西 神木 719315）

引言

當前全國煤礦井下采掘及生產(chǎn)輔助系統(tǒng)自動化程度已趨于成熟，但是對地面輔助生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化控制還是一片空白，也容易被礦井管理人員忽視。主要原因是大部分礦井地面輔助生產(chǎn)廠房及設(shè)施布置不集中，設(shè)備較為陳舊，自動化改造費用較大；另一方面是煤礦對礦井廢棄廢渣等有害物質(zhì)排放較為隨意，環(huán)保意識差，監(jiān)管部門對環(huán)境污染監(jiān)管力度不夠。但是近年來隨著國家環(huán)保部門對礦井排放管理力度的不斷加大，企業(yè)也逐步對礦井對地面生產(chǎn)輔助系統(tǒng)加以重視。

大柳塔煤礦活雞兔井井田東西長1.8～10.8 km，南北寬4.2～9.6 km，井田面積約63.8 km2。礦井擁有的煤炭資源儲量約7.34 億t，可采儲量約4.64 億t[1]?；铍u兔井地面各生產(chǎn)輔助系統(tǒng)分布位置較為集中，且該區(qū)域周邊均有村民居住，礦井在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的噪音、廢氣、廢水的排放和對周圍環(huán)境造成的污染，已嚴重影響到周邊居民的正常生活。

因此，本文結(jié)合礦井現(xiàn)有的自動化基礎(chǔ)，設(shè)計出一套礦井地面生產(chǎn)輔助系統(tǒng)的整合改造可行性方案，并將六大生產(chǎn)輔助系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)融合，最終將數(shù)據(jù)全部接入現(xiàn)有的區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)（LCS），形成一個礦井地面輔助生產(chǎn)系統(tǒng)的管控一體化平臺，可實現(xiàn)大柳塔礦調(diào)度指揮中心對該區(qū)域的氣、水、聲等環(huán)境因素排放的實時監(jiān)控。系統(tǒng)融合后也將轉(zhuǎn)變活雞兔井地面生產(chǎn)輔助系統(tǒng)的運營管理模式，達到“減員提效、改善工人作業(yè)環(huán)境”的目的。同時也將補齊礦井生產(chǎn)系統(tǒng)與地面輔助系統(tǒng)集成控制的短板，為下一步礦井管控全礦生產(chǎn)系統(tǒng)電耗、水耗和井下風量、風壓、溫度，以及地面水、氣、聲等排放指標奠定堅實基礎(chǔ)。

1 礦井生產(chǎn)輔助系統(tǒng)的組成及運行現(xiàn)狀

大柳塔煤礦活雞兔井地面生產(chǎn)輔助系統(tǒng)包括主通風機房、壓風機房、熱風爐房、污水處理廠、黃泥注漿站和35 kV 變電站。且該六大系統(tǒng)位置均分布在活雞兔井山上，位置較為集中，通過自動化整合改造，可以形成一個區(qū)域性一體化分控指揮中心。

當前各系統(tǒng)自動化程度及運行現(xiàn)狀如表1 所示，其中主通風機房、壓風機房具備較為完善的自動化系統(tǒng)，數(shù)據(jù)已接入大柳塔礦區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)（LCS），但目前還未完全實現(xiàn)無人值守。35 kV 變電站也具備完善的自動化系統(tǒng)，但由于35 kV 變電站隸屬供電中心管轄，因此只需將供電數(shù)據(jù)讀取到分控中心進行實時監(jiān)測，無需進行控制。礦井地面水處理系統(tǒng)水廠設(shè)備老化，很多儀表及自動化設(shè)備損壞，所有設(shè)備仍以手動方式操作。部分設(shè)備在建設(shè)初期具備過自動化PLC 系統(tǒng)，但是目前已經(jīng)損壞，系統(tǒng)提供廠家也已經(jīng)聯(lián)系不上。熱風爐房每年11 月份至次年4 月份給井下供熱，設(shè)備與黃泥注漿站設(shè)備一樣，均不具備自動化系統(tǒng)，只有就地操作。所以，此項目必須在5—10 月份礦井暖風機停運期間進行整合改造。

表1 各系統(tǒng)自動化程度及運行現(xiàn)狀

2 活雞兔井地面生產(chǎn)輔助系統(tǒng)自動化改造方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)建設(shè)的預期目標

該系統(tǒng)建設(shè)的目標是將活雞兔井上述六大相互獨立的地面生產(chǎn)輔助系統(tǒng)進行整合改造，建成一套技術(shù)先進、系統(tǒng)實用、穩(wěn)定可靠的管控一體化監(jiān)控系統(tǒng)。并將在該區(qū)域建設(shè)一個分控中心，實現(xiàn)各子系統(tǒng)的集中監(jiān)控，進而將轉(zhuǎn)變各系統(tǒng)當前的運行管理模式，達到“減員提效”的目的，同時也將借助自動化手段改善操作與維護崗位人員的作業(yè)環(huán)境。

分控中心所融合的全部數(shù)據(jù)最終將上傳至大柳塔煤礦目前所使用的區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)（LCS），并將在大柳塔礦區(qū)域生產(chǎn)控制指揮中心集中監(jiān)控，從而補齊礦井生產(chǎn)系統(tǒng)與地面輔助系統(tǒng)集成控制的短板。

由于本區(qū)域靠近居民村落，為考慮周圍居民免受礦井生產(chǎn)環(huán)境污染的影響。因此，該項目的另外一個重要目標是實現(xiàn)大柳塔礦調(diào)度指揮中心對該區(qū)域的氣、水、聲等的排放環(huán)境因素實時監(jiān)控，變被動應(yīng)對環(huán)境檢查，轉(zhuǎn)為主動風險管理，真正做到各種排放心中有數(shù)。

2.2 工控網(wǎng)絡(luò)的搭建

在自動化領(lǐng)域中，工控網(wǎng)絡(luò)的組建是工業(yè)自動化控制的基礎(chǔ)，也是設(shè)備自動化系統(tǒng)可靠運行的重要保障。所謂工業(yè)以太網(wǎng)，是將以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制的局域網(wǎng)技術(shù)，其拓撲結(jié)構(gòu)可以是總線、星型、環(huán)型等，組成環(huán)形的工業(yè)以太網(wǎng)叫工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，簡稱工業(yè)環(huán)網(wǎng)[2]。

因此，本項目為積極響應(yīng)國家“兩化融合”的偉大號召，借助當前最先進的互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)控制技術(shù)，搭建一個信息與自動化程度較高的管控一體化工控網(wǎng)絡(luò)，如圖1 所示。在活雞兔井地面六大生產(chǎn)輔助系統(tǒng)中，都將通過設(shè)置PLC 分站進行設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集。并將在分控中心設(shè)一臺PLC 主站，打通六大系統(tǒng)的工控網(wǎng)絡(luò)。最后將在分控中心與調(diào)度指揮中心對各系統(tǒng)進行集中監(jiān)測、監(jiān)控、分析與利用等。

圖1 管控一體化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)功能及方案設(shè)計

分控中心管控一體化系統(tǒng)按照如圖2 所示的功能及體系進行構(gòu)建，涵蓋了底層自動化系統(tǒng)的改造，中間數(shù)據(jù)層的采集、存儲和服務(wù)，以及應(yīng)用層數(shù)據(jù)的展示和利用。

圖2 系統(tǒng)功能及構(gòu)建層級

2.3.1 基礎(chǔ)層

數(shù)據(jù)的準確采集和控制命令的有效執(zhí)行是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以這部分也是整個項目的核心內(nèi)容。本次改造涉及到了傳感器加裝，各種功能性儀器儀表的加裝，各種年久失修執(zhí)行機構(gòu)的改造或者加裝，配電系統(tǒng)的自動化改造等一系列自動化系統(tǒng)的恢復和改造工作。在六大輔助生產(chǎn)系統(tǒng)中，主通風機房、壓風機房和35 kV 變電站均已具備較為完善的自動化系統(tǒng)，只需在PLC 分站中增加部分通訊接口等模塊，即可直接接入系統(tǒng)。污水處理系統(tǒng)、黃泥注漿站、熱風爐房設(shè)備較為陳舊，自動化程度較差。因此需要重點對這三大系統(tǒng)進行升級改造。其具體改造方案如下：

1）污水處理廠改造。污水處理系統(tǒng)一期水廠設(shè)備過于陳舊，考慮此項目投資經(jīng)費緊缺，此次改造對一期水廠暫不計劃自動化改造。二期水廠是本次改造的重點，需在二期水廠監(jiān)控室加裝一套PLC 分站，原則上將恢復現(xiàn)有的各類儀表和傳感器數(shù)據(jù)，使其具備在分控中心集中控制功能。其次，充分利用原來電氣柜的自動化基礎(chǔ)，只改造控制系統(tǒng)，使其符合神東煤炭集團公司自動化系統(tǒng)的技術(shù)要求。最后，在外排至烏蘭木倫河的排水管道上加裝各類傳感器，對最終外排的清水指標數(shù)據(jù)（例如流量、COD 和PH 值等）實時監(jiān)測，跟蹤、記錄，進而主動應(yīng)對環(huán)境污染的風險。另外，在各個工藝環(huán)節(jié)加裝流量計、液位計、濁度儀、超聲波污泥界面儀等，實時監(jiān)測各工藝環(huán)節(jié)的生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)。并將部分手動閥門改造升級為電動閥門，提高水廠的自動化程度。同時在該區(qū)域的幾個水池、加藥區(qū)域布置高清攝像頭，實時監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)。

2）黃泥注漿站改造。在黃泥灌漿站配電室加裝一套PLC 分站，采集注漿站主要設(shè)備（輸送機，制備機，攪拌機，排污泵等）的運行狀態(tài)；加裝流量計，統(tǒng)計每班每天的灌漿量；加裝濃度計實時測量制備的泥漿是否符合要求；加裝電量監(jiān)測儀表，測量注漿站的電量消耗數(shù)據(jù)；加裝流量計測量注漿站的水量消耗數(shù)據(jù)。同時在該上料區(qū)域、注漿區(qū)域布置高清攝像頭，實時監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)。

3）熱風爐房改造。熱風爐操作室加裝一套PLC分站，采集熱風爐的主要運行設(shè)備（引風機、鼓風機、上煤機、刮板機、除塵系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)等）的狀態(tài)和供風的溫度、壓力等數(shù)據(jù)，同時對接環(huán)保部門，讀取環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳到LCS 系統(tǒng)。另外，加裝電量監(jiān)測儀表，測量熱風爐站的電量消耗數(shù)據(jù)；加裝流量計測量熱風爐站的水量（除塵、冷卻、脫硫用水）消耗數(shù)據(jù)。同時在該區(qū)域布置高清攝像頭，監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)。

4）主通風機房改造。在配電室加裝以太網(wǎng)接口設(shè)備，通過以太網(wǎng)將現(xiàn)有的監(jiān)控數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控室PLC 主站。同時在通風機房蝶閥處加裝高清攝像頭，輔助人員監(jiān)控，可以實現(xiàn)遠程切換風機。

5）壓風機房改造。在配電室加裝以太網(wǎng)接口設(shè)備，通過以太網(wǎng)將現(xiàn)有的監(jiān)控數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控室PLC主站。同時在壓風機房加裝高清攝像頭，輔助人員監(jiān)控，可以實現(xiàn)遠程的壓風機控制。

6）35 kV 變電站改造在變電站加裝工業(yè)以太網(wǎng)及電力協(xié)議轉(zhuǎn)換器，將35 kV 電力數(shù)據(jù)讀取到PLC主站，最終集成至LCS 系統(tǒng)，形成礦井從地面35 kV至井下低壓1 140 V、660 V 和127 V 全系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)的集中監(jiān)控。

2.3.2 數(shù)據(jù)層

各種傳感器、儀器儀表和自動化系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)在進行最終利用時需要對其處理。數(shù)據(jù)層的主要作用是按照不同的種類和用途進行歸納整理轉(zhuǎn)化成每個應(yīng)用層功能模塊需要的數(shù)據(jù)接口和格式。在這個層面中，需要配備合適交換機、服務(wù)器、和與之匹配的各種軟件，例如組態(tài)軟件、OPC 傳輸軟件，數(shù)據(jù)庫分析軟件和數(shù)據(jù)報表服務(wù)軟件等。同時數(shù)據(jù)層還要為分控中心和大柳塔煤礦區(qū)域生產(chǎn)控制指揮中心提供準確穩(wěn)定的運行數(shù)據(jù)，便于應(yīng)用層數(shù)據(jù)的有效利用，見上頁圖2。

2.3.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層包括基礎(chǔ)應(yīng)用、高級應(yīng)用和移動應(yīng)用三種。基礎(chǔ)應(yīng)用即是基本的自動化SCADA 人機一體化監(jiān)控界面，滿足監(jiān)控人員可實時準確掌握整個場區(qū)各個系統(tǒng)的運行情況，以及各系統(tǒng)日常的生產(chǎn)操作，例如遠程控制，報警管理，歷史數(shù)據(jù)查詢等。高級應(yīng)用主要是生成逐級的統(tǒng)計分析報表，對整個場區(qū)的電耗，水耗，排放數(shù)據(jù)等消耗內(nèi)容進行統(tǒng)計和分析，實現(xiàn)精細化生產(chǎn)管理的要求。移動應(yīng)用主要是針對該場區(qū)生產(chǎn)人員巡視工作繁多，場區(qū)距離管理人員所在地較遠等問題開發(fā)的手機或PAD 等移動終端的監(jiān)控畫面，使各系統(tǒng)巡視人員和管理人員能夠隨時隨地了解生產(chǎn)運行狀況，同時對一些排放超標、風機停機等重要事件能夠及時通過手機微信、短信等報警的形式獲悉。

2.4 工業(yè)視頻及無線對講系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場情況，場區(qū)周邊有村民居住，場區(qū)基本處于開放狀態(tài)，周邊村落無關(guān)人員或牲畜的闖入將會對場區(qū)各個系統(tǒng)的安全運行造成隱患，同時污水處理場還有各種污水池等，對闖入人員的人身安全造成極大的安全隱患。所以，該項目還需考慮構(gòu)建一套工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，既起到場區(qū)安防和闖入報警的作用，又可通過視頻實時監(jiān)控關(guān)鍵設(shè)備的運行狀態(tài)，形成一個既有數(shù)據(jù)信號顯示，又有視頻輔助的完備自動化生產(chǎn)系統(tǒng)。

此外，分控中心建成后，將形成由分控中心調(diào)度與系統(tǒng)巡視相結(jié)合的方式值班。因此，有必要在該區(qū)域配置無線對講系統(tǒng)，有助于分控中心調(diào)度人員與現(xiàn)場崗位巡視人員及時通訊。

2.5 分控中心軟硬件配置

分控中心是該項目六大系統(tǒng)集中監(jiān)控和調(diào)度的集中點，因此對分控中心位置的選擇至關(guān)重要。為考慮礦井通風安全，計劃將分控中心設(shè)計在主通風機房旁邊，這樣即使出現(xiàn)無計劃停風等事故，分控中心值班人員可及時趕赴現(xiàn)場排查風機的故障，從而保證井下主通風機給井下可靠供風。

由于分控中心所集成的數(shù)據(jù)最終都將接入?yún)^(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)（LCS），因此只需在分控中心值班室配置一套LCS 系統(tǒng)工位機和三塊顯示屏，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控；其次，為實時監(jiān)控廠區(qū)及設(shè)備運行狀態(tài)，還需在操作工位前配置兩臺75 寸高低可調(diào)節(jié)的液晶屏顯示器。最后，還需配置一臺辦公用電腦，完成一些日常值班記錄或報表的制作等，其分控中心設(shè)計效果如下頁圖3 所示。

2.6 建成后系統(tǒng)的管控措施

該項目六大系統(tǒng)整合后，為保證新建系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行，此項目計劃從管理和技術(shù)兩方面進行管控。

1）管理方面。加強人員的崗位職責和技術(shù)能力的培訓，使其盡快熟悉新系統(tǒng)的內(nèi)容、操作和故障處理流程。建立各系統(tǒng)重要故障發(fā)生后的應(yīng)急處理預案，在故障發(fā)生后，崗位人員能夠第一時間按照流程進行處理。建立崗位巡查制度，保證崗位巡查落到實處，同時也將提高巡查質(zhì)量。

圖3 分控中心設(shè)計效果圖

2）技術(shù)方面。梳理每個系統(tǒng)的關(guān)鍵報警，通過建立完善和多維度的自動化系統(tǒng)報警功能，實現(xiàn)報警的各級崗位推送。例如出現(xiàn)主扇停機等事故，除了在監(jiān)控系統(tǒng)上報警，還可通過短信等方式及時推送給管理人員。并可自動統(tǒng)計各系統(tǒng)出現(xiàn)頻次較高的報警，工作人員可針對性地檢修設(shè)備，從而減少系統(tǒng)報警次數(shù)，降低設(shè)備故障率。

3 大數(shù)據(jù)的利用展望

1）節(jié)能減排，合理排放。礦井生產(chǎn)系統(tǒng)與地面輔助系統(tǒng)集成后，將實現(xiàn)各系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)分析。從全局角度管控礦井生產(chǎn)系統(tǒng)電耗、水耗和井下風量、風壓、溫度，以及地面水、氣、聲等排放指標，并以此作為礦井生產(chǎn)管理的輔助決策依據(jù)，進而更科學地組織生產(chǎn)，達到“節(jié)能減排”的目標。

2）無人化運行，減員提效。本文對各系統(tǒng)整合的效益主要在于實現(xiàn)集中監(jiān)測監(jiān)控，對各分系統(tǒng)要實現(xiàn)真正的無人化還有一定差距。因此，對于集控系統(tǒng)未來的應(yīng)用價值還在于對系統(tǒng)中所有設(shè)備都能達到可靠控制，從而真正實現(xiàn)無人化運行，達到“減員提效”的目的。

3）閉環(huán)調(diào)節(jié)，智能化控制。各系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合后，地面生產(chǎn)輔助系統(tǒng)可與井下生產(chǎn)系統(tǒng)進行智能聯(lián)動控制。例如通過讀取井下關(guān)鍵位置的溫度數(shù)據(jù)，可合理調(diào)節(jié)地面熱風爐的輸出溫度；通過讀取井下壓風管路壓力，合理調(diào)節(jié)壓風的出口壓力；通過讀取井下風速、風量傳感器數(shù)據(jù)，可合理調(diào)節(jié)主通風機風門風速及風量；通過讀取井下排水管道壓力和流量傳感器數(shù)據(jù)，可提前調(diào)整污水處理進度；通過讀取井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可隨時調(diào)整地面變電站供電參數(shù)，保障礦井供電線路的穩(wěn)定運行等。