摘要：我国经济正处于快速发展的重要时期，矿山安全生产也逐渐成为社会关注的重点话题。本文将矿山井下排水系统作为研究对象，简单分析其自动化控制的重要性，从结构分析、模块设计、控制模式、系统功能等维度，构建完整的自动化控制方案，并为自动化控制方案提供相应的保障措施，旨在为我国更多矿山生产企业提供技术思考方向，提升矿山生产安全水平，助力我国社会经济的有序发展。

　　关键词：矿山；井下排水系统；自动化控制

　　作为整个矿山生产体系的重要环节，矿山井下排水系统负责将涌水从矿井下排到地面上，保证矿井内部的干燥，进而实现矿山安全生产。部分矿山生产企业使用人工手动或半自动化的排水系统，拥有较高的操作复杂度，排水效率偏低，在日常工作中容易出现运行故障，难以匹配矿山生产需求。为此，有必要对矿山井下排水系统自动化控制方案做深入研究，助力矿山生产企业的未来发展。

　　1矿山井下排水系统自动化控制的重要性

　　1.1拥有良好的运行稳定性

　　井下排水系统的自动化控制技术常使用PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)作为控制模块，提供多种控制模式。在矿山井下生产情况发生变化时，可以根据检测到的环境数据，合理切换控制模式，保障水泵可以长期时间稳定运行。如果在数据通信过程中出现数据传输阻断问题，自动化控制系统也可以调整成合适的控制模式，继续保持正常的井下排水作业。如果出现严重的井下排水问题，也可以通过发出警报信号方式，提醒技术人员调整系统设置，减少矿山生产企业的经济损失。

　　1.2有效提升成本控制质量

　　因为井下作业环境具有突发性与紧急性特征，所以在井下排水系统的自动化控制技术中，会使用光纤环网通信技术进行快速的信息传输。通过这种技术，可以有效提高采集信息与控制信息的传输效率。相比于常规的总线传输模式，光纤环网通信技术也可以大幅度降低数据传输受到的干扰，以此提升数据传输质量。又因为PLC控制模块是以VC.net编程技术进行程序编写，所以在实际运行中，可以稳定提高操作可靠性，避免出现过多的冗余操作环节，具有较强的通用性。而PLC控制模块自身拥有多次开发的特性，矿井生产企业可以根据不同的矿山生产环境、需求，改写PLC控制模块的程序内容，降低井下排水系统的运营成本，提高矿山生产成本控制效果。设计人员也可以将水泵启动、停止计划与这一时间段的电力资源价格进行结合，合理使用电网提供的电力资源，进一步降低矿山生产成本支出。

　　1.3技术参数监测水平较高

　　对矿山井下排水系统进行自动化控制，可以在生产过程中对例如电动机工作电流、轴承温度、水舱液位等技术参数进行全面检测，根据技术参数变化情况进行实时控制。在汇总技术参数数据信息后，可以准确分析各个生产区域的变化情况。如果出现不良参数区属，技术人员也可以获得相应的警报信号，对相应生产区域的技术参数进行调整后，就可以让排水系统恢复到正常运行状态，以此实现矿山井下排水系统的正常运行。

　　2矿山井下排水系统自动化控制的方案构建

　　2.1结构分析

　　想要让矿山井下排水系统控制模式升级到自动化控制模式，就需要先对基础结构进行分析，以此展开相应的硬件设备采购、软件程序更新等工作。

　　2.1.1地面控制中心

　　在矿山井下排水系统自动化控制方案中，地面控制中心主要负责系统监控环节，进而对生产区域进行监控，根据系统排水情况对相应的泵房设施进行控制。地面控制中心通过庞大的线路系统获取生产区域各种传感器数据信息，而线路系统也负责将地面控制中心的控制数据传输到泵房中，进而实现远程控制效果。

　　2.1.2泵房监控单元

　　泵房监控单元可以细分为主控站、监控分站、传感器、信号采集装置等几个部分。传感器获取生产区域的各种信息，信息采集装置负责将收集信息，并将其传递给监控分站。监控分站获得信息后，会将其传递给主控站，由主控站负责和地面控制中心进行最后的信息交互。利用这种方式，技术人员在日常监测工作中不需要到泵房进行现场检查，极大提升日常工作效率。需要注意，如果中央泵房系统存在控制需求，就需要在电控柜中增设微机综合保护器，将中央泵房系统接入矿山井下排水系统自动化控制中。

　　2.1.3语音预警系统

　　语音报警系统是矿山井下排水系统自动化控制方案的重要组成部分，系统会将泵房设备当前工作状态与预设工作水平进行对比，如果出现工作参数异常情况，会立即向地面控制中心的技术人员进行预警，提示技术人员指挥井下作业人员安全撤离，避免出现人身安全事故。也可以实现井上、地面联动式合作，对于提升泵房设备调试质量有较大帮助。

　　2.1.4视频监控系统

　　视频监控系统主要有摄像设备、主控设备、驱动电机等几个部分。摄像设备要具有防水、夜视功能，从而满足井下工作环境生产需求。主控设备负责控制摄像设备视角移动，根据监控计划，让摄像设备以预设轨迹进行移动，确保对排水系统的实时监控。除基础的视角移动外，也可以通过预设程序，控制摄像设备进行变焦、拉远、拉近，为地面控制中心提供清晰、高质量的视频图像，便于开展更细化的设备参考调控工作。

　　2.2模块设计

　　为让本文内容更具有参考价值，在矿山井下排水系统自动化控制体系设计中，本文将采用模块方式进行设计，以此降低体系设计理解门槛，也可以为更多从事矿山行业的技术人员提供可借鉴的思路。

　　2.2.1扩展模块

　　矿山井下排水系统自动化控制方案具有动态调整特性，这意味着在以后的矿山生产中，会根据生产需求增加其他泵房设备与应用功能。为此，需要在设计扩展模块时，考虑到其容量规格与接口数量，确保在以后生产中便于对系统做功能扩展，以此满足矿山生产需求。现在常用的扩展模块可以分为两类：横向扩展，通过复制应用方式，使用小型机集群完成功能扩展；纵向扩展，提升服务器硬件与网络设施水平。但是本人在参考大量矿山井下排水系统后，发现如果仅考虑升级硬件设备方式，即纵向扩展，仅可以解决小规模的功能扩展，难以匹配矿山生产的上升式功能需求。如果选择小型机集群扩展，即横向扩展，在功能扩展方面就可以达到自由伸缩。

　　2.2.2控制模块

　　控制模块是整个矿山井下排水系统自动化控制方案中的重要角色，根据使用需求，需要拥有远程启停、故障检测、系统测试等基础功能，地面控制中心也需要通过控制模块，对系统的操作模式进行切换。PLC具有编程简单、维护方便的特性，可以将其作为控制模块使用。控制模块直接负责管控多个泵房设备，例如真空泵、阀门控制器、电压变送器、电流变送器等。如果控制模块出现问题，技术人员可以通过模块测试、逻辑推理等方式，将问题进行定位，再进行相应的维修、处理即可，不会对矿山井下排水系统自动化控制方案造成过多影响。

　　2.2.3显示模块

　　显示模块负责对矿山井下排水系统自动化控制方案中的控制模块获取的数据进行显示，技术人员可以利用显示模块，了解泵房设备当前工作状态、各个生产区域的生产进度。当技术人员输入相关参数后，显示模块也会展示整个系统未来运行预测结果，以此达到对泵房设备的实时监测，对具体的生产环节进行有效干预。考虑到我国人机交互系统已经逐渐实现自主生产，可以将触摸屏应用到显示模块中，技术人员可以直接调出系统控制后台，对具体某个生产环节进行调控，提升显示模块与控制模块的衔接效果，降低技术人员控制系统难度。如果遇到紧急情况，例如语音预警系统启动，显示模块会自动跳出红色预警页面，技术人员需要手动点击页面，查看相应问题，对泵房设备参数进行调整或组织井下作业人员有序撤离。在技术人员解决当前问题后，系统会进行自我检查，确认无其他问题，再次跳出“问题已解决”页面，显示模块恢复正常使用状态。

　　2.2.4网络模块

　　因为矿山井下排水系统自动化控制只是矿山生产体系的一个环节，在实际应用中需要将其和其他生产环节的自动控制系统进行整合，以此构建覆盖整个矿山生产区域的工作局域网，在稳定提升矿山生产安全水平时，也可以为其他部门，例如生产调度部门、机械维修部门提供准确的设备运行数据，以便各个部门的技术人员准备掌握系统当前运行情况。可以设计四级网络结构模块：第一级、负责传输各个泵房设备运行信息，由PLC主站与从站构成；第二级、通过交换机与第一级、第三级进行信息交互，以工业互联网作为主体部分，技术人员的便携电脑与工作站与工业互联网进行信息交互；第三级、通过交换机与第二级、第四级进行信息交互，由主服务器与从服务器构成。可以根据使用需求，通过打印机打印泵房设备运行重要信息；第四级、通过交换机与第三级进行信息交互。第三级的信息先传输到办公信息网，由不同的角色，例如工程师、总工、矿长、机电矿长等，根据使用需求，访问办公信息网，获取并应用相关数据。相比于传统的二级网络结构模块，本文设计的四级网络结构模块可以让用户根据自己的访问权限，定向获取相应的矿山井下排水系统自动化控制运行数据，从源头上避免出现不法分子冒用用户身份，非法收集矿山生产场地信息的情况。而且，多级网络结构模块可以保障信息的进一步筛选，确保第四级用户，例如工程师、总工等获得更有应用价值的数据信息，极大降低数据冗余问题，让整个矿山生产体系实现信息的高效传递，合理规避信息低效利用问题。

　　2.2.5掉电保护模块

　　大多数矿山生产场地远离市中心，难以实现稳定的电力资源供应。如果出现断电情况，不仅会让原本稳定运行的矿山井下排水系统自动化控制进入失控状态，也会让地面控制中心出现数据丢失，对于矿山生产造成极为严重的负面影响。所以，根据UPS(Uninterruptible Power Supply，不间断电源)设置掉电保护模块。UPS作为一种含有储能装置的不间断电源，在电网系统正常提供电力资源时，UPS负责稳定电压，保证矿山井下排水系统的正常电力资源需求，同时也对储能装置进行充电。如果电网系统电力资源供应中断，UPS会通过逆变器切换方式，调用储能装置存储的直流电能，将其供应给矿山井下排水系统，可以在断电后2h中，确保矿山井下排水系统及相关的探测设备正常运行，避免对软件系统或硬件设备造成损伤，为技术人员提供充足时间，避免重要数据丢失。

　　2.3控制模式

　　矿山井下排水系统自动化控制方案拥有以下几类控制模式：第一类、就地手动。这种控制模式需要井下作业人员根据当前矿山生产需求、泵房设备运行情况等，通过直接控制操作平台，启动或停止泵房设备；第二类、就地自动。当操作平台获得来自地面控制中心发布设备启动信息后，泵房设备例如水泵电动球阀、闸阀等，都自动调取预设工作流程，从当前状态转变成启动状态，进行相应的生产活动。如果操作平台获取停止信息，泵房设备也会关闭闸阀、电机，停止当前生产活动；第三类、无人值守。系统会根据当前水仓水位情况、电网电费变化情况，自行启动或停止泵房设备。对于大多数情况，技术人员不需要对系统进行额外控制，无人值守模式可以完成大部分的生产操作，从而有效解放劳动力、提升排水效果；第四类、远程控制。地面控制中心获得泵房设备的控制权，根据生产计划进行启动或停止操作。也可以根据井下作业人员的现场情况反馈，切换成就地手动控制，实现精准的设备控制。

　　2.4系统功能

　　2.4.1电力负荷调节

　　在矿山生产过程中需要向地面排出大量的涌水，这意味着需要占用矿山生产区域的用电负荷。如果没有做好用电负荷的控制工作，会造成矿山生产区域用电网络崩溃。而矿山井下排水系统自动化控制方案，则对整个电网的波峰、波谷进行分析，明确具体的时间区域，通过检测矿井涌水水量，对一天或几天内的涌水总量进行预测，根据电网负荷状态调节相应的电力负荷。如果出现突发情况，或者电网负荷无法承担矿井涌水排出需求，则可以对矿山现场其他与生产无关用电需求及时切断，实现矿山的安全生产。

　　2.4.2水位监测

　　矿山井下排水系统自动化控制可以根据水位高低情况，向排水系统发送启动、停止命令。如果水位在安全状态下，系统可以分析当前矿山电网的用电负荷，合理设计水泵启动、停止时间。例如在用电波谷，电网拥有较大的负荷余量，排水系统会立刻启动，进行排水作业；如果在用电波峰，则根据波峰预测时间，暂缓启动程序，或者启动部分水泵。如果水位处于危险状态，无论此时电网负荷是什么状态，都需要立刻启动水泵进行排水作业，并检测电网负荷，对非安全用电进行合理停止，并开启其余备用水泵，向地面控制中心的技术人员与井下作业人员发出警报，组织人员撤离或设备调控。

　　2.4.3即时通讯

　　矿山井下排水系统自动化控制方案配备各类网络设备，泵房设备的运行参考、生产区域现场情况等信息，会通过光缆传输到地面控制中心，经过简单处理后，地面控制中心会将信息上传到矿山局域网内。技术人员或管理人员通过IE浏览器登录个人账号，就可以进入用户界面，查看泵房各种设备的运行数据、工作状态，从而掌握泵房设备运行情况。如果拥有更高权限的用户，也可以通过远程控制方式，启动或停止泵房设备。用户也可以获得由系统生成的设备运行报表，方便维护、控制泵房设备。

　　3矿山井下排水系统自动化控制方案的保障措施

　　为让矿山井下排水系统自动化控制方案实现长期、稳定运行，就需要设计相应的保障措施。因为泵房设备位于井下，其工作环境存在阴暗、潮湿的特点，容易出现设备运行故障，影响正常矿山生产计划。为此，技术人员需要定期对泵房设备进行检修，记录各类泵房设备的运行参数，并将其和以往的参数记录进行对比，将运行故障消灭在萌芽阶段。及时替换掉老旧设备，确保泵房设备稳定运行。除此之外，也需要考虑到技术人员的综合素质。因为矿山井下排水系统自动化控制方案涉及大量的自动化技术，对于技术人员的专业能力具有较高要求，需要技术人员根据显示模块，及时发现泵房设备运行问题，指导井下作业人员正常生产。为此，矿山生产企业可以定期为技术人员提供专业培训，通过提升技术人员的理论知识存储水平，引导其将理论与实践相互融合，以此构建专业能力高、应变能力强的技术团队，为井下作业人员提供安全、可靠的生产条件。也需要关注井下作业人员的问题。如果在生产过程中不慎磕碰相关设备，会直接影响矿山井下排水系统正常运行。矿山生产企业还需要对井下作业人员开展充分的安全生产培训，让其注意到生产设备的重要性，提升生产设备的维护效果。

　　4结语

　　矿山生产涉及许多方面，井下排水系统一个方面的工作内容，在实际应用中可以合理应用本文理论内容，根据矿山生产条件，涉及更符合矿山生产需求的井下排水系统自动化控制方案。希望更多从事矿山行业的技术人员对井下排水系统做深入研究，合理应用自动化技术，落实矿山安全生产相关工作，推动矿山行业的可持续发展。