何斌全，馬崇振，王振倫，李 紅，肖輝勇，熊 偉

（1.湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司，湖南 郴州 423037；2.長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012）

礦業(yè)的發(fā)展已經(jīng)步入一種新常態(tài)，其發(fā)展背景隨著國家經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的深度調(diào)整，“三低一高”成為當前的新常態(tài)，低增長、低效益、低價格、高壓力等迫使礦企去改變，在觀念、管理、技術(shù)等各方面想方設(shè)法實現(xiàn)創(chuàng)新與突破。

隨著新一代的信息技術(shù)“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的來臨，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、GIS的大潮已經(jīng)來襲［1］，世界各國伴隨著新一代信息技術(shù)帶動智慧礦山體系的不斷發(fā)展，為礦企提供了嶄新的可持續(xù)發(fā)展契機。因此將礦山中各系統(tǒng)進行改造整合，進而實現(xiàn)各自動化系統(tǒng)的就地及遠程控制，如風(fēng)機遠程控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、井下排水系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、礦石運輸控制系統(tǒng)、井下壓風(fēng)系統(tǒng)等，達到提高生產(chǎn)管控水平、強化安全管理、提升生產(chǎn)指揮能力的目標［2，3］。

1 就地和遠程多級控制

1.1 控制級別

湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司綜合監(jiān)控系統(tǒng)分為三級監(jiān)控：集控平臺、區(qū)域管控中心、就地控制。

當柿竹園綜合監(jiān)控系統(tǒng)在集控平臺全部不能監(jiān)控，系統(tǒng)將在區(qū)域管控中心提供硬線或獨立完整的控制通道，操作員可直接向關(guān)鍵的子系統(tǒng)發(fā)出重要的監(jiān)控命令，以保證設(shè)備的正常、安全運營。

1.1.1 權(quán)限分配

綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過集中權(quán)限管理實現(xiàn)全線的權(quán)限管理一致性。系統(tǒng)將根據(jù)用戶運營的最終需求定義用戶權(quán)限表。對每類用戶，權(quán)限表定義了該權(quán)限對應(yīng)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要設(shè)備類、子系統(tǒng)的權(quán)限類型［4］。

集控平臺位于控制中心，主要服務(wù)對象是控制中心的各種專業(yè)調(diào)度人員。中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)HMI啟動后默認為瀏覽級狀態(tài)。默認瀏覽級可以對各個專業(yè)狀態(tài)和報警進行瀏覽，不能進行任何的設(shè)定、控制操作。

區(qū)域集控中心級綜合監(jiān)控系統(tǒng)位于采礦場/選礦廠/尾礦庫，主要服務(wù)對象是采礦場/選礦廠/尾礦庫值班員。區(qū)域集控中心級綜合監(jiān)控系統(tǒng)HMI啟動后默認為瀏覽級狀態(tài)。

1.1.2 用戶權(quán)限級別管理

操作人員登錄系統(tǒng)后，系統(tǒng)根據(jù)操作員級別對應(yīng)專業(yè)的權(quán)限，開放對應(yīng)的界面和操作。安全控制必須經(jīng)過授權(quán)，只有具備相應(yīng)權(quán)限的人才能執(zhí)行相應(yīng)的控制。

系統(tǒng)管理員能夠在線給其他用戶分配操作權(quán)限。綜合監(jiān)控系統(tǒng)允許賦予各專業(yè)特別的權(quán)限類型，允許他們在線修改模擬量的上下限。

1.2 控制權(quán)限移交設(shè)計

綜合監(jiān)控系統(tǒng)大部分控制操作是分布式的：每個區(qū)域集控中心有一對實時服務(wù)器用來管理所有區(qū)域集控中心子系統(tǒng)，集控平臺另有一對實時服務(wù)器用于處理重大操作。少數(shù)子系統(tǒng)僅需一個控制點。但從安全性和可用性角度考慮，大多數(shù)子系統(tǒng)只能被本地區(qū)域集控中心和集控平臺控制。

1.3 詳細功能描述

1.3.1 控制權(quán)限移交

集控平臺/區(qū)域集控中心的控制權(quán)限移交狀態(tài)轉(zhuǎn)移邏輯如圖1所示［5，6］。

圖1 集控平臺/區(qū)域集控中心的權(quán)限移交狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

手動移交權(quán)限時，由具有控制權(quán)的一方發(fā)起權(quán)限移交請求，接收方需確認接受控制權(quán)限后才發(fā)生權(quán)限移交，如果接收方拒絕則不發(fā)生權(quán)限移交。

集控平臺具有對區(qū)域集控中心、PLC控制柜的強制取回權(quán)限，區(qū)域集控中心具有對PLC控制柜的強制取回權(quán)限（緊急情況下）。對于PLC控制柜，綜合監(jiān)控系統(tǒng)中將它們看做一體。若設(shè)備的控制位置在就地或現(xiàn)場操作平臺，則具有較高的控制優(yōu)先級。

1.3.2 權(quán)限移交條件

如設(shè)備控制被屏蔽，控制權(quán)限手動移交時系統(tǒng)自動給出“XX開關(guān)被屏蔽”的提示信息，操作員需解除屏蔽后再進行權(quán)限移交；控制權(quán)限自動移交時，系統(tǒng)不提示開關(guān)被屏蔽的信息；控制權(quán)限自動移交后，保持原來的屏蔽狀態(tài)。

如設(shè)備控制被掛牌，控制權(quán)限手動移交時系統(tǒng)自動給出“XX開關(guān)被掛牌”的提示信息，操作員需解除掛牌后再進行權(quán)限移交；控制權(quán)限自動移交時，系統(tǒng)不提示開關(guān)被掛牌的信息；控制權(quán)限自動移交后，保持原來的掛牌狀態(tài)。

2 應(yīng)用實踐

2.1 采場自動控制現(xiàn)狀

2.1.1 風(fēng)機控制系統(tǒng)

目前的風(fēng)機控制系統(tǒng)，僅能實現(xiàn)對三個主扇進行遠程合閘、啟停和變頻調(diào)速的操作控制，同時可對主扇及其電機的運行狀態(tài)、故障信號、電壓、電流、頻率、功率等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控和相關(guān)歷史數(shù)據(jù)查詢。

2.1.2 供電系統(tǒng)

采礦場10 kV高壓配電室，配置了高壓后臺電力監(jiān)控系統(tǒng)，已具備遙測、遙信、遙控、遙調(diào)功能，可實時監(jiān)測由綜合保護器提供的供電系統(tǒng)的電壓、電流、有功功率、電量等電力參數(shù)；可實時反映開關(guān)的分、合閘狀態(tài)，包括開關(guān)運行參數(shù)、正常、事故遙信變位；可實現(xiàn)系統(tǒng)相關(guān)回路的開關(guān)斷路器的遙控分、合閘操作。

2.1.3 井下排水系統(tǒng)

采礦場排水系統(tǒng)，具備一定程度的自動化，可在中控室對井下集水池2臺主水泵及1臺備用泵及外圍開關(guān)閥門進行遠程控制，具備一鍵啟停功能，但還有許多功能待完善。

2.1.4 井下壓風(fēng)系統(tǒng)

壓風(fēng)系統(tǒng)通常由空氣壓縮機、送氣管路、閥門、汽水分離器、壓風(fēng)自救裝置等組成。當發(fā)生災(zāi)害或有災(zāi)害預(yù)兆時，井下逃生人員可利用壓風(fēng)自救裝置，實現(xiàn)自救。目前采礦場壓風(fēng)機房設(shè)置在490和620中段，現(xiàn)場設(shè)備未見預(yù)留對外通訊的通訊接口，操作通過設(shè)備觸摸屏面板實現(xiàn)。

井下采掘面通道放置有移動式空氣壓縮機，電控部分為繼電器控制，未設(shè)計PLC控制器，通過手動按鈕操作。整個坑口的供風(fēng)均由上述兩個壓風(fēng)機房提供，壓風(fēng)自救系統(tǒng)與生產(chǎn)壓風(fēng)系統(tǒng)共用管道，送氣管網(wǎng)已建設(shè)完畢。

2.1.5 礦石運輸系統(tǒng)

采場出礦后經(jīng)鏟運機運輸至溜井放礦，經(jīng)井下礦用汽車運輸至井下破碎車間礦倉，破碎后再由皮帶運輸至選廠。設(shè)備的控制通過現(xiàn)場手動實現(xiàn)起停控制。皮帶運輸系統(tǒng)采用了西門子PLC控制系統(tǒng)，在井上控制室可遠程控制運輸系統(tǒng)的啟停及運行數(shù)據(jù)監(jiān)測。

2.2 多級控制設(shè)計方案

多級控制設(shè)計方案的主要內(nèi)容為：優(yōu)化完善各子系統(tǒng)的檢測控制功能；完善各系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通訊的軟硬件接口；各子系統(tǒng)能夠在采場中實現(xiàn)控制室遠程監(jiān)控與操作；各子系統(tǒng)能夠穩(wěn)定良好的與集控平臺系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)通訊。

2.2.1 風(fēng)機遠程控制系統(tǒng)

通過將礦井風(fēng)機的運行狀態(tài)采集與計算機處理，對礦井通風(fēng)實現(xiàn)智能檢測與控制，實現(xiàn)以機電控制技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)進行控制，改善風(fēng)機的正常運行和井下通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定，保證通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在遠程控制模式下，遠程監(jiān)控平臺可以操作風(fēng)機啟動、停止，指定每臺風(fēng)機變頻或工頻運行，可以指定變頻運行下的運行頻率，監(jiān)控風(fēng)機的運行狀態(tài)［7］。

系統(tǒng)功能：

1.系統(tǒng)具備多種控制模式：遠程自動、遠程手動、就地手動三種系統(tǒng)操作模式。

2.集控平臺系統(tǒng)關(guān)于通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)具備東波多金屬采礦場和柴山采礦場現(xiàn)有風(fēng)機遠程控制系統(tǒng)的所有檢測和控制功能。

3.對系統(tǒng)內(nèi)壓力、溫度、振動、電量、頻率等儀表信號具有記錄、報警、曲線、查詢等功能。

4.實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的集中監(jiān)控與集中管理。

2.2.2 供電系統(tǒng)

采礦場10 kV高壓配電室位于井下，采場現(xiàn)場無高壓后臺電力監(jiān)控系統(tǒng)，但在礦部調(diào)度監(jiān)控中心可以實現(xiàn)遙測、遙信、遙控功能，因此在柴山采礦場中控室增加高壓后臺電力監(jiān)控系統(tǒng)，以方便值班操作人員在井上控制室遠程集中監(jiān)控與操作。

系統(tǒng)功能：

1.監(jiān)控中心能夠監(jiān)控所有電力線路的實時數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)和故障記錄情況。

2.監(jiān)控中心可以對變電所每臺開關(guān)的遙控分、合閘進行整定操作和定值讀取，實現(xiàn)“五遙”功能。

3.實現(xiàn)對電力系統(tǒng)報表、歷史曲線、故障信息等進行綜合查詢。

4.實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的集中監(jiān)控與集中調(diào)度管理。

2.2.3 井下排水系統(tǒng)

針對采礦場的井下排水系統(tǒng)，通過對現(xiàn)有的水泵控制系統(tǒng)進行改造，運用PLC控制技術(shù)、在線監(jiān)測、智能管控技術(shù)，實現(xiàn)主排水泵的運行監(jiān)測、智能控制、遠程監(jiān)控等功能，達到主排水泵安全高效運行和無人值守的目的［8］。

系統(tǒng)功能：

1.系統(tǒng)具備遠程自動、遠程手動、就地自動、就地手動四種系統(tǒng)操作模式。

2.系統(tǒng)具備聲光報警、聯(lián)鎖控制、一鍵啟停等控制功能。

3.系統(tǒng)具備HMI人機界面展示與操作，運行數(shù)據(jù)、故障信息記錄與查詢等功能。

2.2.4 井下壓風(fēng)系統(tǒng)

目前各臺設(shè)備操作分散，無法集中監(jiān)控各臺設(shè)備的運行狀況，現(xiàn)場操作環(huán)境噪聲較大，不利于長時間值守。因此，設(shè)計在中控室增加操作站，采用集控平臺系統(tǒng)，下位機利用設(shè)備現(xiàn)有PLC控制器，將各臺設(shè)備的檢測與控制功能統(tǒng)一集成到系統(tǒng)平臺上來，實現(xiàn)集中監(jiān)控與操作，另外，壓風(fēng)控制子系統(tǒng)預(yù)留好與集控平臺系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通訊的軟硬件接口。

系統(tǒng)功能：

1.系統(tǒng)具備多種控制模式。

2.設(shè)備遠程集中監(jiān)視控制，設(shè)備運行狀態(tài)信息顯示。

3.空氣壓縮機系統(tǒng)壓力、溫度、流量等儀表檢測信號的記錄、報警、曲線、查詢等。

4.遠程設(shè)置參數(shù)的遙調(diào)功能。

5.系統(tǒng)HMI人機界面展示與操作。

2.2.5 礦石運輸系統(tǒng)

采場出礦后經(jīng)鏟運機運輸至溜井放礦，經(jīng)井下礦用汽車運輸至井下破碎車間礦倉，經(jīng)顎式破碎機破碎后，經(jīng)皮帶輸送至選礦廠。針對采礦場井下粗碎車間，設(shè)計增加PLC自動化控制系統(tǒng)，對車間內(nèi)振動放礦機、顎式破碎機、收塵器等設(shè)備進行遠程控制，實現(xiàn)就地和井上遠程集中監(jiān)視控制，同時預(yù)留好與集控平臺進行數(shù)據(jù)通訊的軟硬件接口。

3 結(jié) 論

本文針對湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司礦山控制系統(tǒng)就地及遠程操控，首先闡述了就地和遠程多級控制的權(quán)限分配及移交等相關(guān)的技術(shù)和標準，并通過現(xiàn)場調(diào)研梳理了采場自動化系統(tǒng)現(xiàn)狀，將現(xiàn)有技術(shù)與采場六大系統(tǒng)進行融合，提出了建立礦山控制系統(tǒng)就地及遠程操控建議方案。

1.將綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計為三級監(jiān)控：集控平臺、區(qū)域管控中心、就地控制，并詳細介紹了就地和遠程多級控制權(quán)限分配、級別管理、權(quán)限移交及詳細功能描述等多級控制思路。

2.各采礦場已完成了不同程度的自動化系統(tǒng)建設(shè)，比如風(fēng)機遠程控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、井下排水系統(tǒng)等建設(shè)，然而，仍然存在很多不足及需要完善的地方，部分控制系統(tǒng)無與第三方自動化系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)通訊的軟硬件通訊接口，部分子系統(tǒng)未設(shè)計控制系統(tǒng)。

3.通過采場自動化系統(tǒng)現(xiàn)狀的調(diào)研，結(jié)合現(xiàn)有就地和遠程多級控制相關(guān)技術(shù)，提出了建立礦山控制系統(tǒng)就地及遠程操控建議方案，為后續(xù)礦山控制系統(tǒng)就地及遠程操控建設(shè)提供技術(shù)支撐。