摘要 針對廟溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采過程中現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)備老化，集控中心空間狹小無法滿足礦山井下智能化開采要求等問題，從礦山地面與井下智能化建設(shè)角度出發(fā)，對該礦地表環(huán)網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)、地表風(fēng)機房、井下中央水泵房、破碎系統(tǒng)與電機車遠程駕駛系統(tǒng)進行了智能化建設(shè)研究，形成露天轉(zhuǎn)地下礦山綜合一體化智能建設(shè)體系。礦山智能化建設(shè)完成后，非計劃停工時間大幅降低，設(shè)備操作人員減少了30人，總體經(jīng)濟效益為255萬元，有效提高了開采的綜合管理與安全生產(chǎn)水平。研究成果可為其他露天轉(zhuǎn)地下礦山智能化建設(shè)提供指導(dǎo)與借鑒。

　　關(guān)鍵詞 露天轉(zhuǎn)地下礦山;智能化;破碎系統(tǒng);遠程駕駛系統(tǒng)

　　論文《某露天轉(zhuǎn)地下礦山智能化體系建設(shè)與應(yīng)用》發(fā)表在《現(xiàn)代礦業(yè)》，版權(quán)歸《現(xiàn)代礦業(yè)》所有。本文來自網(wǎng)絡(luò)平臺，僅供參考。

　　引言

　　礦山智能化建設(shè)對于優(yōu)化礦山生產(chǎn)模式與提高礦產(chǎn)資源綜合利用率具有重要作用，也對礦山生產(chǎn)過程中減少人員傷亡與加快和諧礦山的建設(shè)具有顯著意義[1-3]。在礦山智能化建設(shè)研究方面，何斌全等[4]建立了柿竹園智能化建設(shè)總體框架，提出了基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)大數(shù)據(jù)中心、智能管控平臺、智能采選系統(tǒng)等建設(shè)的具體內(nèi)容;戰(zhàn)凱等[5]分析了地下金屬礦智能開采技術(shù)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，認為中國地下金屬礦智能開采領(lǐng)域需要攻克開采連續(xù)化、無人裝備作業(yè)集群化難題;李冬萍[6]提出了構(gòu)建“系統(tǒng)+一網(wǎng)絡(luò)+一平臺+N智能應(yīng)用”的智能化礦山建設(shè)架構(gòu)，作為智能化礦山建設(shè)技術(shù)路線;向軍[7]指出通過智能礦山建設(shè)，實現(xiàn)“少人化、無人化”是安全高效回采的關(guān)鍵舉措，也是提升礦山安全本質(zhì)安全水平的重要路徑。綜合文獻分析，對于金屬礦山智能化建設(shè)主要集中在整體構(gòu)架的建設(shè)及未來發(fā)展趨勢分析方面，而對于露天轉(zhuǎn)地下礦山智能化建設(shè)方面提及較少。以廟溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采為工程背景，從礦山地面與井下智能化建設(shè)角度出發(fā)，對礦山的主要系統(tǒng)進行智能化建設(shè)研究，以實現(xiàn)礦山高效、低成本開采的目標。

　　1 礦山概況

　　廟溝鐵礦經(jīng)過約20a開采，目前已采至-408m標高附近，露天轉(zhuǎn)地下開采工程包括主井礦石提升系統(tǒng)、副井人員及材料提升系統(tǒng)、粉礦回收系統(tǒng)、-80m破碎系統(tǒng)、0m排水系統(tǒng)、-240m放礦及礦巖運輸系統(tǒng)等。除主井工程溜破系統(tǒng)、粉礦回收系統(tǒng)、副井-240m中段放礦機硐室、主副井井塔樓、35kV變電站、皮帶通廊未建設(shè)完成外，其他各系統(tǒng)，如主井、副井、東西回風(fēng)豎井、大小斜坡道斜井、各水平巷道掘進及支護工程已完成施工，陸續(xù)進入設(shè)備安裝階段。目前，礦山現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有待進一步更新，集控系統(tǒng)空間不足，亟需對露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)系統(tǒng)實施智能化建設(shè)研究。

　　2 地表主要設(shè)施智能化建設(shè)

　　2.1 廟溝鐵礦通過在地面構(gòu)建集調(diào)度指揮與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)于一體的智能化中心，為全礦數(shù)據(jù)共享、科學(xué)排產(chǎn)、智能設(shè)備管理、精準能源管控打下良好的基礎(chǔ)。以露天轉(zhuǎn)地下開采工程建設(shè)為契機，需要完成露天轉(zhuǎn)地下開采系統(tǒng)智能化建設(shè)，實現(xiàn)井下生產(chǎn)智能化，以此帶動地表及井下主要生產(chǎn)系統(tǒng)逐步實現(xiàn)智能化升級，完成露天轉(zhuǎn)地下開采工程智能化建設(shè)，并且每年對見效快、實施必要性強的生產(chǎn)系統(tǒng)項目進行自動化改造，逐步完成主干網(wǎng)絡(luò)、風(fēng)機房及各生產(chǎn)系統(tǒng)的整體智慧礦山布局。

　　2.2 環(huán)網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

　　2.2.1 控制環(huán)網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

　　控制環(huán)網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)主要從集控中心內(nèi)的機房出線，沿地表環(huán)網(wǎng)光纖線桿敷設(shè)至大斜坡道，通過掛鉤敷設(shè)至主井0m中央水平環(huán)網(wǎng)交換機，經(jīng)光模塊沿盲提升豎井敷設(shè)至-80m破碎配電硐室環(huán)網(wǎng)交換機與-155m配電硐室控制柜環(huán)網(wǎng)交換機，然后經(jīng)由破碎系統(tǒng)回風(fēng)井回到0m中央水泵房二層核心交換機組成地下控制環(huán)網(wǎng)，再由中央水泵房環(huán)網(wǎng)交換機經(jīng)副井回到地面經(jīng)地表橋架、電纜溝回到集控中心組成環(huán)網(wǎng)，控制環(huán)網(wǎng)拓撲圖如圖1所示。

　　2.2.2 地表視頻監(jiān)測主干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

　　對于視頻監(jiān)測主干網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，主要從集控中心內(nèi)的機房出線，沿電纜溝敷設(shè)至35kV變電站—西風(fēng)井—副井—空壓機站—主井—1#轉(zhuǎn)運站—2#~3#轉(zhuǎn)運站—4#~5#轉(zhuǎn)運站所在位置的POE視頻環(huán)網(wǎng)交換機，最終回到集控中心視頻環(huán)網(wǎng)交換機，東風(fēng)井視頻環(huán)網(wǎng)交換機放射接入集控中心環(huán)網(wǎng)交換機，地表視頻控制網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖2所示。

　　2.3 地表風(fēng)機房智能化建設(shè)

　　地表風(fēng)機房智能化建設(shè)目標為提高通風(fēng)有效利用率，最大限度避免通風(fēng)不足以及過度通風(fēng)情況的發(fā)生，更有效地排出掘進工作面的礦塵及各種有害氣體，在保障安全生產(chǎn)的條件下，降低能耗及人工成本。廟溝鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)主要包括東、西風(fēng)井的風(fēng)機，主機設(shè)備配置應(yīng)基本相同，風(fēng)機電氣系統(tǒng)一次回路采用相同的拓撲結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)功能及配置一致。

　　操作控制系統(tǒng)架構(gòu)采用“視頻監(jiān)控+PLC控制”模式，采用EIC三電合一自動化控制，將變頻器傳動及高低壓配電系統(tǒng)接口信號、切換柜狀態(tài)監(jiān)視信號、風(fēng)機風(fēng)門的操作與監(jiān)視信號、風(fēng)機在線監(jiān)測及保護傳感器信號接入到PLC控制站，集控中心內(nèi)的操作人員可實現(xiàn)風(fēng)機的遠程控制和運行情況監(jiān)控。風(fēng)機控制系統(tǒng)為保證風(fēng)機組能夠滿足邏輯和啟停閉鎖控制的智能化需要，核心元件采用西門子公司S7-1200系列可編程控制器。風(fēng)機房自控系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

　　遠控時，設(shè)備的控制和狀態(tài)顯示、報警均由集控中心后臺監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)，每個風(fēng)機控制站點設(shè)置就地與遠控操作接口;現(xiàn)場操作時，可單獨控制每臺風(fēng)機，實現(xiàn)現(xiàn)場風(fēng)機的啟動、調(diào)頻操作以及遠程單臺風(fēng)機的調(diào)頻正反轉(zhuǎn)操作。任意風(fēng)機故障時，可遠程急停故障風(fēng)機，不影響其他站點風(fēng)機運行，各風(fēng)機房內(nèi)的風(fēng)機均為單獨控制和操作，互不干擾。正常時以遠程操作為主，檢修或故障時可采用就地控制，遠程、就地的優(yōu)先級根據(jù)要求確定，或采用互鎖方式進行。每個風(fēng)機房PLC控制站形成相對獨立控制系統(tǒng)能獨立運行，每臺控制柜盤面設(shè)置人機界面，就地操作時，可顯示系統(tǒng)狀態(tài)。

　　3 井下主要設(shè)施智能化建設(shè)

　　3.1 中央水泵房智能化建設(shè)

　　中央水泵房智能化體系搭建的主要目的在于能夠保證水泵房內(nèi)主要設(shè)備和管路的全方位監(jiān)控，對此采用布設(shè)視頻監(jiān)控的方式來實現(xiàn)，然而攝像頭安裝位置的選擇要充分考慮到監(jiān)控關(guān)鍵區(qū)域，實現(xiàn)水泵本體、主排水管路、泵房內(nèi)環(huán)境及控制柜等所有設(shè)備的狀態(tài)全方位監(jiān)視。單個泵房內(nèi)的視頻信號統(tǒng)一匯總到一個單獨的配電箱，通過光纖傳輸?shù)降孛婕刂行摹Ｅ潆娤鋬?nèi)置攝像頭供電、視頻信號轉(zhuǎn)換及信號傳輸模塊。

　　3.1.1 自控系統(tǒng)架構(gòu)

　　中央水泵房自控系統(tǒng)構(gòu)架如圖4所示。系統(tǒng)架構(gòu)主要由集中監(jiān)控站、PLC控制站、和基本設(shè)備層3個層級組成，對各設(shè)備如主排水泵、引水回路、閘閥、球閥、傳感器、儀表等進行管理和控制，整體布置如下：

　　(1) 監(jiān)控層。形成1個集中監(jiān)控站，排水系統(tǒng)后臺的監(jiān)控系統(tǒng)位于地面集控中心和現(xiàn)場，實現(xiàn)排水泵房的集中操控、狀態(tài)監(jiān)控，PLC分站組態(tài)、程序管理。

　　(2) 控制層。由PLC控制站組成，在中央水泵房有獨立CPU，實現(xiàn)排水系統(tǒng)的控制，對所屬泵房排水設(shè)備的信號采集、啟停控制、邏輯控制、狀態(tài)監(jiān)控等功能。中央水泵房主PLC接入控制環(huán)網(wǎng)，保障網(wǎng)絡(luò)通訊的可靠性。

　　3.1.2 自控系統(tǒng)功能

　　將0m中央水泵房、副井和粉礦回收井井窩水泵、-155m水平排水系統(tǒng)的排水設(shè)備作為整體控制區(qū)，配置PLC自動控制站及配電、操作設(shè)備，實現(xiàn)整個泵房的水泵集中控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測。配套的自動化系統(tǒng)，主要實現(xiàn)以下功能：

　　(1) 負責所有水泵及閥門儀表的啟停控制、保護控制、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)視，提供泵房內(nèi)所有設(shè)備的驅(qū)動回路及控制接口，多種操作方式的實現(xiàn)和轉(zhuǎn)換。

　　(2) 有就地、遠程、手動、自動多種操作控制方式，滿足排水系統(tǒng)無人及檢修、應(yīng)急工況下的操作及控制。

　　(3) 根據(jù)礦山排水系統(tǒng)特點，編制多樣化及適應(yīng)性啟泵排水控制工藝軟件，實現(xiàn)水泵正常、節(jié)能等多種排水方式。

　　(4) 為上級自動化系統(tǒng)平臺提供泵房內(nèi)設(shè)備運行數(shù)據(jù)，接收集控室發(fā)送的調(diào)度指令，實現(xiàn)該泵房內(nèi)所有設(shè)備的控制和狀態(tài)監(jiān)視。

　　3.2 井下破碎系統(tǒng)智能化建設(shè)

　　破碎控制系統(tǒng)為“視頻監(jiān)控+PLC控制”模式，采用EIC三電合一自動化控制。破碎機PLC站完成破碎機、振動放礦機、鏈式閘門、除塵風(fēng)機、各種傳感器、儀表的管理和控制，集控中心監(jiān)控站負責所有設(shè)備的遠程監(jiān)視及集中調(diào)控管理。PLC讀取碎前料倉及碎后料倉料位并上傳，振動放礦機、顎式破碎機、料倉實現(xiàn)聯(lián)鎖控制，逆序啟停。

　　當破碎機(振動放礦機)準備進行工作時，能夠就地、遠程發(fā)送預(yù)警信息，啟動也會有所延遲，目的是對作業(yè)人員實施有效防護。當系統(tǒng)停機后，延時關(guān)閉除塵裝置。振動放礦機采用變頻電機，用于調(diào)節(jié)破碎機的給礦量，實時監(jiān)測破碎腔內(nèi)料位高度，將料位高度送入到PLC中，根據(jù)料位設(shè)定值，實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)振動放礦機變頻器頻率。遠程監(jiān)控站設(shè)置在地表集控中心，PLC控制站由破碎機成套PLC控制柜及破碎系統(tǒng)控制柜組成。破碎機成套PLC位于破碎機啟動柜旁，破碎系統(tǒng)控制柜設(shè)置在破碎配電硐室，配置S7-1200型主控制CPU，柜內(nèi)配置光纖交換機接入控制環(huán)網(wǎng)。破碎系統(tǒng)智能化控制架構(gòu)如圖5所示。

　　3.3 井下電機車遠程駕駛系統(tǒng)智能化建設(shè)

　　3.3.1 遠程駕駛系統(tǒng)邏輯構(gòu)架

　　電機車遠程駕駛系統(tǒng)是以提升運輸效率、降低系統(tǒng)作業(yè)人員數(shù)量及運維成本為目標的礦山生產(chǎn)綜合管理系統(tǒng)，能夠顯著提升采裝與運輸效率，優(yōu)化生產(chǎn)運輸調(diào)度，合理利用資源，降低生產(chǎn)成本，保障生產(chǎn)作業(yè)安全，是建設(shè)智能化、科技化及未來無人化礦山的重要支撐系統(tǒng)，其邏輯架構(gòu)如圖6所示。

　　3.3.2 調(diào)度中心控制系統(tǒng)

　　機車駕駛平臺布置在地表集控中心，為了讓從調(diào)度傳達的信息準確發(fā)送給電機車駕駛?cè)藛T，并及時得到信息反饋，實現(xiàn)一人控制多臺電機車無人駕駛，從而更能保障運輸安全，提高運輸效率，推動實現(xiàn)礦山井下生產(chǎn)及運輸自動化。井上機車駕駛平臺如圖7所示。

　　遠程操作監(jiān)視平臺部署在采礦集控中心，可監(jiān)視自動運行機車狀態(tài)，并借助視頻監(jiān)控信息及系統(tǒng)派配信息，由駕駛?cè)藛T遠程操作控制機車。顯示器上主要包括了圖像、機車遙控及軌道運輸3個監(jiān)測系統(tǒng)。操控人員能夠通過顯示屏幕直接查看電機車運行相關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)以及處于巷道中的其余機車所處的位置和相關(guān)監(jiān)控信息，據(jù)此通過遠程駕駛臺來操作控制機車行駛。

　　3.3.3 多機車控制及反饋監(jiān)視

　　控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多個機車的協(xié)同控制，機車運行過程中，利用系統(tǒng)自動信號切換功能可以實現(xiàn)對機車的有效調(diào)度及控制，通過監(jiān)控畫面能夠觀察電機車運行狀態(tài)及控制模式，一旦發(fā)生故障情況，會觸發(fā)聲光報警，進行及時提醒。機車駕駛平臺支持多種機車控制方式：

　　(1) 遠程駕駛方式。駕駛?cè)藛T通過遠程駕駛平臺，經(jīng)由無線通信網(wǎng)絡(luò)對機車進行實時行駛控制，實現(xiàn)有軌運輸?shù)臒o人化和高效化。

　　(2) 原有操作盤控制方式。遠程駕駛方式控制方式不改變電機車的原有操作盤系統(tǒng)，機車司機仍可手動駕駛機車。

　　3.3.4 電機車檢修預(yù)維護系統(tǒng)

　　通過開發(fā)電機車檢修預(yù)維護系統(tǒng)，解決電機車維修依靠原始人工記錄效率低下問題，系統(tǒng)通過記錄每輛礦車行駛時間，定期檢點車斗弓片、車斗間連接環(huán)等是否有裂痕。確保按時點檢錄入準確信息，當?shù)V車輪對、車斗弓片、車斗間連接環(huán)等達到壽命使用臨界值時，電機車檢修預(yù)維護系統(tǒng)通過系統(tǒng)預(yù)警信息，通知相應(yīng)人員進行設(shè)備更換，建立設(shè)備預(yù)知性分析平臺，大幅降低非計劃停工時間。

　　4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

　　礦山智能化建設(shè)完成后，有效排出掘進工作面的礦塵及各種有害氣體，降低能耗，與此同時可實現(xiàn)整個泵房的水泵集中控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測。通過將機車駕駛平臺布置在地表集控中心，實現(xiàn)一人控制多臺電機車無人駕駛。與智能化建設(shè)前相比，風(fēng)機房、中央水泵房、井下破碎站與電機車操作人員總?cè)藬?shù)由原來的48人減少為18人，按照人均年工資8.5萬元考慮，總計實現(xiàn)經(jīng)濟效益255萬元，非計劃停工時間大幅降低，有效提高了開采的綜合管理與安全生產(chǎn)水平。

　　5 結(jié)論

　　(1) 對于環(huán)網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)智能化建設(shè)，給出了控制環(huán)網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)及視頻監(jiān)測主干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方法;對于風(fēng)機房智能化建設(shè)，給出了自控系統(tǒng)架構(gòu)、具體操控及主要功能實現(xiàn)方法。

　　(2) 中央水泵房實現(xiàn)了水泵本體，主排水管路，泵房內(nèi)環(huán)境、控制柜等所有設(shè)備的狀態(tài)全方位監(jiān)視;破碎控制系統(tǒng)采用“視頻監(jiān)控+PLC控制”模式，可實現(xiàn)EIC三電合一自動化控制;機車駕駛平臺布置在地表集控中心，可實現(xiàn)一人控制多臺電機車無人駕駛。

　　(3) 系統(tǒng)智能化建設(shè)完成后，操作人員可由原來的48人減少為18人，總體經(jīng)濟效益為255萬元，有效提高了廟溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采的綜合管理與安全生產(chǎn)水平。

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