向偉華

(河鋼集團礦業(yè)公司石人溝鐵礦，河北 遵化 064200)

0 引言

石人溝鐵礦位于河北省唐山市遵化市興旺寨鄉(xiāng)，三期工程設計礦石產量為200萬t/a，巖石產量為36萬t/a，開拓方式為主副豎井-輔助斜坡道。其中三期主井提升機型號為JKM-3.5×6(Ⅲ)E型多繩提升機，提升主導輪直徑3 500 mm，電機功率2 000 kW，電壓750 V，提升機設計提升高度493 m，最大運行速度9.89 m/s。通風系統(tǒng)采用對角雙翼抽出式通風，共建有三級通風機站，其中第三級通風機站設置在地表，第二級通風機站設置在-60 m水平，第一級通風機站在-180 m水平。新鮮風流經三期副井和斜坡道進入井下，經過-180 m井底車場、-180 m雙軌運輸平巷和斜坡道各中段等進入地下生產各作業(yè)面，流經工作面后的污風通過回風井到達-60 m水平回風平巷，最后通過南、北風井排至地表，所有通風機均為現場手動控制。中央水泵房設置在井下-180 m水平，水泵房內共配置8臺D450-60×7型泵離心泵，所有水泵均為現場手動控制。

1 各關鍵工序自動化系統(tǒng)存在的問題

1.1 提升系統(tǒng)存在的問題

石人溝鐵礦主要井下出礦通道有2個，一是通過三期主井提升機箕斗出礦，二是通過斜坡道無軌車輛運輸出礦，其中三期主井出礦能力占85%左右，斜坡道出礦能力占15%左右。但是三期主井出礦能力已達到設計能力，基本滿負荷運轉，滿足不了礦石提升量要求，并且三期主井設計時自動化程度不高，需要人為參與控制，提升機的穩(wěn)定性、安全性和經濟性都未達到最佳。如何通過對三期主井提升系統(tǒng)進行升級改造，優(yōu)化提升機運行參數，以提高三期主井的出礦量及自動化控制水平，是當前必須解決的問題。

1.2 通風系統(tǒng)存在的問題

石人溝鐵礦通風系統(tǒng)分為三級通風機站，各級機站風機均為現場手動控制，無法實現遠程集中控制，各類通風參數遠程無法監(jiān)控，并且通風機均為工頻運轉，無法根據井下通風需要進行頻率調節(jié)，實現節(jié)能運行。

1.3 排水系統(tǒng)存在的問題

-180 m水平中央水泵房為有人值守，所有水泵均為現場手動控制，水泵工勞動強度特別大，并且在井下突發(fā)透水事故時，水泵工需要堅守崗位，對其人身安全造成很大的威脅。

2 各系統(tǒng)的優(yōu)化設計與改造

2.1 提升系統(tǒng)工藝優(yōu)化設計與改造

三期主井提升系統(tǒng)工藝及技術優(yōu)化改造是在不違背提升系統(tǒng)相關安全檢測檢驗標準的前提下進行的。改造后提升機操作室設在三樓，與卸載站合并，減少崗位人員8人，同時通過優(yōu)化提升機各項運行參數，提高了提升機箕斗的出礦效率，由原設計提升能力的11斗/h增加至15斗/h。

一是對提升設備的運行參數進行優(yōu)化，縮短提升機箕斗的上行及下行的運行時間，從而提高提升效率。原設計提升機單程提升時間為117 s，對運行參數優(yōu)化后，提升機單程運行時間縮短到97 s。原設計提升機采用七階段非對稱速度圖，提升運動學計算結果見表1,原設計提升機速度運行曲線見圖1。

表1 提升運動學計算表

圖1 原設計提升機速度運行曲線

運行參數優(yōu)化后提升機采用七階段非對稱速度圖，優(yōu)化后提升運動學計算結果見表2,優(yōu)化后提升機速度運行曲線見圖2。

圖2 優(yōu)化后提升機速度運行曲線

表2 運行參數優(yōu)化后提升運動學計算表

二是對井下-336 m裝載站溜槽進行改造，由原來的活動式溜槽改造成為固定式溜槽，節(jié)省了每次裝料時打開溜槽與關閉溜槽的時間，此項改造可節(jié)省時間15 s。三期主井提升系統(tǒng)經過以上兩項工藝優(yōu)化改造后，提升能力從原來的11斗/h增加至15斗/h。

三是在保留原有全部設備和全部安全保護功能的前提下，在三樓信號間新增一臺卷揚操作平臺，將八樓卷揚操作工轉移至三樓信號操作間內，與信號工同崗操作。在原有各項安全保護裝置不變的基礎上，將提升機控制系統(tǒng)由半自動模式升級為全自動模式，并增加了一系列實時監(jiān)測保護裝置，全面提升設備安全運行水平[1]。同時對設備的運行參數進行優(yōu)化，縮短提升機箕斗的上行及下行的運行時間，從而提高提升效率。

2.2 通風系統(tǒng)無人值守設計與改造

2.2.1 PLC遠程控制自動通風原理

采用西門子S7-200系列PLC系統(tǒng),充分利用該系統(tǒng)在集散自動化系統(tǒng)中強大功能，代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器的簡單控制。通過PLC模擬量模塊和數字量模塊，采集變頻器、電動機及風機運行參數，將電流、電壓、軸承及繞組溫度、振動等信號，通過網絡傳輸到遠程集控中心，實現了各級風機站風機的遠程控制與監(jiān)測[2]。

2.2.2 主要改造內容

一是對通風機控制柜進行改造，選用變頻控制柜代替原來的自耦降壓啟動柜。這樣改造后通過調節(jié)電動機運行頻率，可實現通風機變速運行，根據井下通風質量隨時調節(jié)運行頻率，在保證井下通風正常的條件下，最大限度的節(jié)能運行。

二是對每臺風機現場安裝一套西門子S7-200PLC控制柜，在礦調度室安裝一臺上位機進行集中監(jiān)控。在現場安裝各類傳感器，采集風機運行時的電壓、電流、頻率等信號傳輸到S7-200PLC控制柜，為實現遠程集中控制提供必要的基礎條件。

三是各級通風機站均實現了遠程監(jiān)測監(jiān)控功能。改造新增一套監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，通過在現場安裝風速、風壓、開停、軸承溫度等傳感器，可將風機運行的各類參數傳輸到礦調度室，遠程可監(jiān)測風機運行的各類數據。并且新增一套視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將一、二、三級風站現場視頻畫面全部引入到中控室，在遠程可隨時監(jiān)控現場環(huán)境情況。

2.2.3 運行方式

改造后通風機具有兩種運行方式：就地手動控制和遠程手動控制方式。

就地手動控制時，由通風工在現場對水泵進行啟停操作，此種方式主要用于平常點檢通風設備及檢修維護通風設備的短時間試運行[3]。

遠程手動控制時,礦調度室值班工人員及時根據井下通風質量，調節(jié)各級風機站運行頻率，實現最大限度的節(jié)能運行。

2.3 中央水泵房無人值守設計與改造

2.3.1 DCS遠程控制自動排水原理

采用美國OPTO公司DCS控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)裝備兩套SNAP-PAC-S1控制器，一用一備，在運行過程中實時監(jiān)測控制器的情況，對備用控制器參數能按照流程要求實時同步計算運行。將現場DCS控制柜和地面礦調度室控制中心上位機通過網絡進行連接，DCS模擬量輸入模塊通過各類傳感器采集水倉水位、吸水管真空度、水泵出水口壓力、電動閥、電動機、水泵工作狀態(tài)的數據，DCS的數字量輸入模塊采集各種開關量信號，各類數據通過DCS現場控制單元FCU運算，實現對排水泵的遠程自動控制[4]。

2.3.2 主要改造內容

一是普通閥門全部更換成電動調節(jié)閥。由于-180m水泵房是多級離心泵，每次啟動水泵時均需對水泵進水側進行抽真空，故需要將原來的手動閥門全部換成電動閥門。

二是新增一套OPTO22型DCS控制系統(tǒng)，主要包括一個DCS集中控制柜、各類電動閥、各類壓力表、投入式液位計、軸承溫度傳感器等。同時在礦調度室設置遠程集中控制系統(tǒng)上位機，調度室值班人員可設置水泵運行的各項參數，遠程控制水泵的啟停，并且可實時監(jiān)測水泵運行各種情況。

2.3.3 運行方式

改造后水泵具有三種運行方式：就地手動控制、遠程手動控制和遠程自動控制方式。

就地手動控制時，由水泵工在現場對水泵進行啟停操作，此種方式主要用于平常點檢設備及檢修維護設備的短時試運行。

遠程手動控制時,礦調度室值班工人員及時觀察水倉水位，水位較高時在上位機上進行操作啟動水泵，水位較低時在上位機上進行操作停止水泵。

遠程自動控制時，現場的DCS控制系統(tǒng)實時采集水倉水位，并根據水倉水位設定情況，自動控制水泵的啟停。自動運行狀態(tài)下，DCS控制系統(tǒng)可根據涌水量的情況判斷需要運行的水泵臺數。當啟動1臺水泵排水后，水位繼續(xù)上漲時，會自動啟動第二臺泵進行排水，以此類推，在水倉水位降到停泵點時，會自動停止水泵運行，全程不需要人工參與，并且在上位機突發(fā)故障時，下位機仍可正常運行。

3 改造后的效果

3.1 三期主井提升系統(tǒng)實現了提速增效

三期主井提升系統(tǒng)經過工藝技術優(yōu)化改造后，減少了人工操作內容，降低了人為穩(wěn)定因素，提高并改善了卷揚機安全性及可靠性，增強了設備檢測傳感的自動化操作功能，精確性得到了提高，增強了提升系統(tǒng)的高可靠性，更主要的是提升能力從原來的每小時11斗增加到每小時15斗，為石人溝鐵礦完成每年的生產任務提供了堅實保障。

3.2 三級通風機站實現了無人值守

三級通風機站經過改造后，實現了各級風機站風機的遠程控制啟停，同時完善了通風質量監(jiān)測系統(tǒng)，通過使用高可靠性的傳感器采集、記錄設備的運行參數，監(jiān)測風機的運行狀況，可通過調整通風機電機運行頻率實時調節(jié)電機轉速，實現最大程度節(jié)能運行。

3.3 -180m中央水泵房實現了無人值守

水泵排水自動控制系統(tǒng)采用DCS控制，水泵啟動可實現一鍵啟動，能夠減少崗位人員頻繁操作步驟。同時根據程序設置，水泵運行嚴格執(zhí)行避峰填谷措施，始終處于最經濟運行狀態(tài)，同時水泵房實現了無人值守，節(jié)省崗位工8人。

4 結語

石人溝鐵礦經過對關鍵工序的自動化系統(tǒng)進行升級改造，大幅度提高了數字礦山建設水平，并達到國家安全總監(jiān)局部門“機械化換人，自動化減人”科技強安專項行動要求，對國內傳統(tǒng)老舊礦山自動化及無人值守改造具有示范引領作用，同時為行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展積累了寶貴的經驗。