寺河煤矿风井场地生产系统智能化改造实践

田 敏

(晋能控股装备制造集团有限公司寺河煤矿，山西省晋城市，048200)

0 引言

随着“四个革命、一个合作”能源安全新战略的不断实施和煤炭行业高质量发展的不断推进，发展智慧煤矿已成为煤炭工业发展的必由之路，是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。加快推进煤矿智能化建设，是深入贯彻习近平总书记能源安全新战略和视察山西重要讲话重要指示精神的重要举措，是实现煤矿减员增效、提高煤矿本质安全的有效手段[1-2]。

煤矿智能化是将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭开发利用深度融合，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统，实现煤矿开拓、采掘(剥)、运输、通风、选煤、安全保障、经营管理等过程的智能化运行，对提升煤矿安全生产水平、保障煤炭稳定供应具有重要意义[3]。

根据生产需要，煤矿建设有多种生产系统，为了服务井下生产需要，一般布置有通风机、提升机、空压机房、空压机余热交换站、燃气锅炉房、深井水处理站、水源井、污水处理厂等生产系统。各系统既是矿井生产的重要组成部分，也是矿井安全的根本保障。由于各风井场地地理位置分散、交通不便、距离煤矿主办公区距离较远，依靠传统人工就地控制和巡检方式存在人员配备多、劳动强度大、安全风险高等问题。因此，各风井场地生产系统的智能化改造既是煤矿智能化建设的重点内容，也是矿井全面提升智能化水平并实现减员增效和本质安全的关键举措。

考虑到寺河煤矿三水沟风井场地的生产系统齐全、生产设备具有普遍性和典型性，建成的风井场地智能化系统具有较强的可复制性，因此，决定以三水沟风井场地为试点，启动风井场地生产系统智能化改造工作。

1 三水沟风井场地概况

三水沟风井场地位于寺河煤矿西北5 km处，包含有深井水处理站、水源井、空压机房、空压机余热交换站、燃气锅炉房、生活污水处理厂、主通风机、提升机共8个生产系统，由于各系统地点分布分散，各系统均配有值班室，每班至少安排1人负责系统值守与巡检。

三水沟风井场地目前部分系统由值守人员本地控制，设备的稳定运行和安全生产会受到工作人员的工作经验、熟练程度、责任心、工作状态等因素的制约和影响。由于各泵房、水源井及蓄水池地点分散，出现问题时需要靠电话联系，存在因现场沟通不及时、不准确而引发事故的风险。此外，采用值班日志、巡检记录等纸质方式来记录系统运行情况，不利于对运行数据进行分析和利用，极大制约了数据利用、性能优化和故障预测等工作。

因此，采用人工智能、工业物联网、自动控制等智能技术，全面改造三水沟风井场地各生产系统，可以实现各系统的远程集中控制和智能运行。

2 智能化改造内容及效果

三水沟风井场地智能化改造主要是建设风井场地集控中心，对风井场地所有运行的生产系统实现在线监测、故障报警、集中控制和视频监控等功能。解决风井场地各系统设备运行管理效率低、所需人员多等问题。鉴于我国煤矿智能化发展还处于初级阶段，参考一些学者从智慧矿山定义、框架、关键技术、信息化标准等方面的研究成果[4-8]，对三水沟风井场地所有运行的生产系统实现智能化改造，实现矿井减员提效、设备状态监测、实时在线维护等功能。

2.1 智能化集控平台架构设计

根据国家和山西省煤矿智能化建设标准和建设指南，结合三水沟风井场地自身特点，构建三水沟风井场地智能化集控中心和集控平台，接入智能化改造后的自动控制子系统，实时采集并图形化展示各系统的液位、电流、电压、流量、压力、温度、启停状态、视频等运行信号，实现对各系统运行情况的远程集中监视。通过与各系统PLC控制系统的无缝对接，实现对各系统运行的远程监视、集中控制、智能运行、异常报警、视频联动等功能。三水沟风井场地智能化集控系统的主要功能有远程监视、集中控制、智能运行、异常报警、视频联动、趋势分析、运行报表等。三水沟风井场地智能化集控平台架构如图1所示。

图1 三水沟风井场地智能化集控平台架构

(1)远程监视功能。通过智能化集控平台，将各子系统的液位、压力、流量、电流、电压、开关量等数据与创建的图形相关联，使操作人员可以直观通过监控画面实时监测各子系统现场设备的运行情况，如各个电机的启停状态和电压、电流的实时值，各条管道的瞬时流量和压力实时值。三水沟风井场地智能化集控平台界面如图2所示。

图2 三水沟风井场地智能化平台界面

(2)集中控制功能。通过智能化集控平台，对各子系统的主要设备设立远程集控画面，操作人员通过鼠标操作监控画面上的控制按钮，实现设备的远程控制。例如，通过监控画面启动深井水监控系统的提升泵、反渗透装置、浓水泵、消防泵、日用泵、反渗透装置以及电动阀门等设备。

(3)智能运行。通过智能化集控平台以及各系统改造后的PLC，实现部分系统的智能化自动运行控制。例如：深井水处理系统中清水池的水位到达下限，系统会自动启动水源井监控系统中某个水源井水泵为深井水处理系统供水，以保证厂区的正常用水。

(4)异常报警功能。通过智能化集控平台，可以对采集到的数据进行实时数据分析，发现监测数据有异常时，监控画面自动显示异常报警，并根据报警指示操作人员进行相应操作。

(5)视频联动功能。通过智能化集控平台，对现场响应要求高的报警点设置视频联动功能，当该报警信息产生时，会自动弹出相对应的视频监控画面，便于操作员及时观察现场情况。

(6)报表功能。通过智能化集控平台，可以开发各类运行数据报表，提供表格展示、图表展示、报表打印输出等功能。

(7)趋势分析。通过智能化集控平台，可以分析模拟量的运行变化，形成各种趋势分析。

2.2 深井水处理系统改造

三水沟风井场地深井水处理站有高山水池、清水池、调节池、曝气池、沉淀池、加药装置、加压泵、消防泵、日用泵、积水排水泵、反渗透装置、多介质过滤器、低压配电柜。改造前，深井水处理站没有自动化监控系统，工作人员只能到达设备现场才能查看运行情况并进行设备的启停操作。

根据智能化集控平台建设目标，为深井水处理站配置PLC控制柜，将各管道更换电动阀门，安装流量计、压力传感器、液位传感器、电流变送器等传感器实现作业过程的自动化改造。构建深井水处理监控系统网络，将改造后的深井水处理监控系统接入三水沟风井场地智能集控平台。

根据深井水处理站的设备配置、生产工艺等要求，开发深井水处理PLC控制系统和智能化集控系统，实时采集水池液位、电机的电流和电压、水管的流量和压力等信号并上传至智能化集控平台。通过智能化集控平台与深井水处理PLC控制系统的互联协作，实现对深井水处理生产过程的远程实时监视、远程集中控制、智能运行控制、故障预警、视频联动。深井水处理站智能化主监控界面如图3所示。

图3 深井水处理站智能化主监控界面

2.3 水源井监测系统改造

三水沟风井场地有3口水源井，每口井均配有深水泵。改造前，所有操作均需人工到达设备现场进行操作，未能实现电压、电流、流量、压力等运行数据上传和远程监控。

根据智能化集控平台建设目标，为水源井配置1套PLC控制柜，在每口井的出水管上安装压力传感器，在电气柜中安装电流变送器、出水管上安装电磁流量计。构建水源井监测系统网络，将改造后的水源井监测系统接入三水沟风井场地智能集控平台。

开发水源井PLC控制系统和智能化集控系统，将深井泵的电力参数、管道压力、流量等运行参数上传到智能化集控平台，实现在集控中心对生产过程的实时监视、对水泵的远程启停、智能运行控制、故障预警、视频监控等功能。水源井监测系统智能化主监控界面如图4所示。

图4 水源井监测系统智能化主监控界面

2.4 空压机控制系统改造

三水沟风井场地空压机房有4台空压机，改造前没有实现远控、一键启停、单控、联控等功能。根据智能化集控平台建设目标，在压风机房配置1台PLC控制柜，在每台压风机的出风管道上安装压力变送器和温度变送器，在出风总管道上安装压力变送器，在4个储气罐上安装压力变送器和温度变送器。通过空压机的485通讯接口，采用Modbus协议将空压机控制面板接入PLC控制柜。构建空压机监控系统网络，将空压机PLC控制系统、6 kV供电系统接入智能化集控平台。

开发空压机PLC控制系统以及智能化集控平台的相应控制功能，实现对空压机运行状态、电压、电流、管道压力、流量、温度等运行参数的数据上传和远程监视，实现对空压机运行的远程一键启停、单控、联控，其中联控包括根据时间交替运行，并根据总管压力自动启停。空压机智能化控制系统主监控界面如图5所示。

图5 空压机智能化控制系统主监控界面

2.5 空压机余热回收系统改造

三水沟风井场地空压机配套建设有余热回收系统。改造前，余热回收系统有1套PLC控制柜，通过控制柜的触摸屏可实现运行监控，但未能实现远程监视和控制。

根据智能化集控平台建设目标，改造空压机余热回收的PLC控制系统并接入智能化集控平台，实现对空压机余热利用系统的远程实时监视、集中控制、故障预警和视频监控。远程自动控制的主要功能包括：补水泵实现定压自动补水功能，循环泵和补水泵实现远程启停控制，实现温度与启停泵的联动控制，实现洗浴回水阀门和水箱进水阀门的远程控制。空压机余热回收智能化系统主监控界面如图6所示。

图6 空压机余热回收智能化系统主监控界面

2.6 燃气锅炉房控制系统改造

三水沟风井场地燃气锅炉房现有2台燃气热水锅炉、3台燃气热风炉，负责三水沟风井场地区域和井口的冬季供暖，目前锅炉配有1套PLC控制系统，安排岗位人员值班负责锅炉和热风炉的运行监控。

根据智能化集控平台建设目标，在锅炉房安装甲烷传感器、CO传感器，热风炉出口安装压力变送器、温度变送器，在配电柜上安装电流变送器。改造现有PLC控制系统并接入智能化集控平台，使值班人员在集控中心可以远程实时监视并集中控制燃气锅炉和热风炉的运行情况。锅炉智能化控制系统主监控界面如图7所示。

图7 锅炉智能化控制系统主监控界面

2.7 污水处理控制系统改造

三水沟风井场地污水厂现有1套PLC控制系统，在污水厂排有值班人员，在值班室可以实现运行监测和设备控制。需要将现有污水处理系统接入新建的智能化集控平台，实现在集控中心实时监测并远程控制生产过程。

根据智能化集控平台建设目标，改造现有PLC系统并与智能化集控平台互联，实现曝气水泵及提升泵的远程启停控制，实现调节池、中间水池、 污泥池、清水池、回用水池的水位监测。污水处理智能化系统主监控界面如图8所示。

图8 污水处理智能化系统主监控界面

2.8 通风机控制系统改造

三水沟风井场地通风机房现有1套基于组态王软件开发的通风机监控系统，在通风机房值班室可以实现运行监测和设备控制。需要将现有通风机监控系统接入新建的智能化集控平台，实现在集控中心的集中监测。

根据智能化集控平台建设目标，在通风机监控系统启用OPC Server，发布所有测控点。基于OPC协议实现智能化集控平台与通风机监控系统无缝集成，一方面在智能化集控平台中直观展示通风机实时运行参数，以满足远程监视要求，另一方面在智能化集控平台提供通风机控制功能，实现对通风机的远程控制功能。

2.9 提升机控制系统改造

三水沟风井场地提升机房现有1套基于WinCC软件开发的提升机监控系统，在提升机房监控室可以实现运行监测和设备控制。需要将现有提升机监控系统接入新建的智能化集控平台，实现在集控中心的远程集中监测。

根据智能化集控平台建设目标，在提升机监控系统启用OPC Server，发布所有测控点。基于OPC协议实现智能化集控平台与提升机监控系统无缝集成，一方面在智能化集控平台中直观展示提升机实时运行参数，以满足远程监视要求；同时，在智能化集控平台提供提升机控制功能，实现对提升机的远程控制功能。

3 关键技术

(1)采用先进的OPC UA(OLE for Process Control Unified Architecture)统一技术架构，构建了安全、可靠、跨平台、跨网络的企业服务总线(Enterprise Service Bus，ESB) ，作为各系统的沟通桥梁和集成调度中枢，在ESB的统一调度管理下，本系统与外部系统、本系统与外部设备、本系统内部各组件之间都可以通过OPC UA标准接口协议进行数据交换，极大方便了外部系统和智能设备的灵活接入，大幅度降低了系统集成的难度和成本，全面满足矿井智能化建设对系统提出的无缝集成、数据交换和联动控制等要求。

(2)采用分布式实时数据库技术，支持在线完成数据库服务器的节点扩展和数据迁移，为生产数据的长期保存和高效访问提供了技术保障，为故障预测、运行优化等深化应用提供了数据保证。

(3)采用分屏显示技术，集控人员根据工作需要可以将同一个操作员站上的不同监控画面拖拽到不同显示器上同步监视，可以将某一监测点的故障报警、趋势分析、运行日志等信息拖拽到另一显示器上同步显示，全面满足了集控平台同时远程监控多个生产系统的需要，以及对某些监测点的重点观察和对比分析要求。

(4)采用报警与视频联动控制技术，当现场设备出现各种故障报警时，系统立即推送报警信息并弹出故障点附件的视频监控画面，为集控人员准确诊断故障原因并科学调度、高效处置提供技术支撑。

(5)以流量平衡和负压波法为理论基础，采用信号处理技术实时监测并分析管道两端的压力和流量信号。当管网出现泄露或断水故障信息特征后，其压力和流量信号随之产生相应的变化，集控平台实时分析并报警，以通知现场维护人员迅速做出反应，进行故障恢复，保证供排水系统的正常运行。

(6)采用单点控制、模式控制、程序控制、时间表控制、联动控制等技术，打通了各系统之间的协同壁垒,实现跨系统之间信息互通和控制联动，减少手工操作、避免人为误操作、提高操作的速度和准确率。智能联动控制包括水位与启停泵的联动控制、空压机的定时启停和恒压运行控制、补水泵的定压自动补水控制、瓦斯超限与排风扇连锁控制等。

4 智能化改造效益分析

通过对三水沟风井场地各生产系统实施智能化改造，构建了风井场地智能化集控平台，取得的主要效果如下所述。

(1)实现减员提效。智能化改造前，三水沟风井场地配有深井水处理站、锅炉房、污水处理厂、通风机房、提升机房共5个值班控制室，每班出勤10人；智能化改造后，每班仅在集控中心、提升机控制室安排4人值班，另安排2人进行巡检，整个风井场地每班运行人员由10人减少至6人，每班减少4人。

(2)对区域内生产过程实现了远程、实时、准确掌控。三水沟风井场地智能化集控系统可实时采集各系统的液位、压力、流量、电压、电流、温度、设备启停等信号，再通过控制网络实时传输至智能化集控中心。通过智能化集控平台图形化直观展示各系统的运行动态，可对各系统运行状态实现远程、实时、准确掌握，降低巡检人员的劳动强度，并且能够更加及时、准确地掌握现场生产情况，增强对生产现场的管控能力。

(3)实现远程集中控制。智能化改造后，在智能化集控中心能够远程控制各类设备设施，提高系统控制的实时性，避免人员不断进入设备现场进行操作的工作强度和安全风险。

(4)实现智能运行和无人值守。根据生产工艺和控制要求，为部分系统开发了自动启停控制和联动控制程序，使得相关设备根据生产工艺和运行状态自动启停，部分环节实现智能化自动运行控制，达到了减员增效和无人值守的要求。

(5)促进煤矿智能化建设标准体系的建立与完善。目前煤矿智能化建设标准体系尚不完善，已发布标准较少[9-10]。国内各煤矿认识水平参差不齐，根据自身理解探索推进智能化建设，研究和建设成果总结与复用有待进一步提升[11]，而本次实践所形成的研究成果，为建立并完善煤矿智能化建设标准体系提供了真实的数据支撑和良好的促进作用。

(6)实现对重点场所的视频监控。构建了视频监控系统，实现对重要生产场所的远程、集中视频监控，减轻了对巡检工的依赖，在降低人工成本的同时大大增加了现场的指挥效率，实现生产场所少人化[12-13]。通过智能化集控平台与视频监控系统的有机集成，当出现故障报警时自动调用相关场所的视频监控信号，实现故障报警与监控视频联动。

(7)为矿井培养智能化建设复合型人才。目前，国内大部分煤矿缺乏煤矿智能化专职技术人员，既懂煤矿业务又精通智能化技术的复合型人才严重不足[14]。通过本次智能化改造，锻炼并培养了智能化建设复合型人才，为寺河煤矿全面建成智能煤矿提供了人才保证。

5 结语

三水沟风井场地生产系统智能化改造的顺利实施和智能化集控平台的成功运用，标志着煤矿地面辅助系统智能化发展取得显著成效，为寺河煤矿其他风井场地的智能化改造提供了成熟的技术方案，为推动矿井实现全面智能化打下坚实基础。

煤矿智能化是涉及多学科、多专业、多领域高度融合的不断更新迭代的复杂系统工程，当前煤矿智能化建设处于初级阶段[15]，煤矿行业智能化建设标准体系尚不完善，相关标准正在逐步完善，寺河煤矿本次风井场地生产系统智能化改造中应用的关键技术和积累的成功经验，必将为其他煤矿的地面辅助系统智能化改造提供有益借鉴。