煤礦皮帶運輸系統網絡化監控改造實踐

趙海翔

(霍州煤電集團有限責任公司技術中心)

皮帶運輸機是煤礦的主要生產設備之一，特別是大型現代化煤礦，皮帶運輸機廣泛應用在井下工作面、運輸巷、裝車站、地面煤樓等各個生產環節。在自動化技術的推動下，皮帶運輸系統實現網絡化控制的瓶頸逐步被打破，各種解決方案也層出不窮。網絡化監控節約了現場布線工作量，簡化了自動化系統結構，提高了運輸系統效率?？v觀各種解決方案，皮帶運輸系統網絡化監控實現方式主要有基于單片機的開發和基于PLC的設計，從聯網方式來看，支持的協議標準有Profibus-DP、CAN、MPI、RS485、RS232、Ethernet等。借助各種結構的網絡，將運輸系統內不同類型、不同接口的設備和儀表都連接起來，實現監控信息集中上傳，通過上位機可實現地面遠程控制設備運行。通過該網絡，語音信息、監控數據、控制指令都可以傳輸，帶來極大的方便。隨著無線通信技術的發展，構建皮帶運輸巷無線監控網絡逐漸成為可能，這為皮帶運輸系統監控指明了新的方向。

1 皮帶網絡化控制改造的要求

皮帶運輸系統要實現自動化，主要完成沿線關聯設備的運行控制，運行中的各種綜合保護，圍繞這兩個方面，具體的功能要求包括：

1) 實現膠帶機安全運行保護，常見有跑偏、堆煤、撕裂、溫度、速度、煙霧、急停、張力、斷帶等保護功能。

2) 膠帶機控制功能，控制高壓柜斷路器的合閘、分閘，控制變頻器、軟啟動器、抱閘裝置等輔助設備的開、停。

3) 具備皮帶巷沿線打點、通話、語音報警功能。

4) 在此基礎上擴展上位機監控功能，在地面以圖、表、曲線、數值、動態畫面等形式反映設備運行情況。

由于皮帶運輸系統具有線路長、設備多、有嚴格的連鎖關系等特點，所以，構建覆蓋全線的自動化網絡十分必要，在完成所述基本功能的基礎上，能實現多機聯鎖運行，分散監測，集中控制且實時參數通過生產現場網絡傳輸至各中心站，甚至到地面調度中心。

2 自動化改造解決方案對比

2.1 網絡結構

構建監控網絡，是皮帶運輸系統實現自動化的重要基礎，眾多的參控設備和檢測儀表分布在長達幾千米甚至幾萬米的皮帶線上，通過生產現場網絡，可精簡系統結構，節約布線的工作量，并易于實現集中控制。皮帶系統構建監控網絡是充分運用計算機技術和自動控制技術的最新成果，先后出現了如圖1所示的基于局部網絡的監控系統、基于現場總線的監控系統、基于以太網的監控系統[2]。圖1(a)所示的結構，可以實現少量設備的近距離通信；圖1(b)所示的基于現場總線結構的監控網絡，可根據生產現場分布情況，擴展網絡距離，多臺設備、多種設備均可通過總線傳輸數據；圖1(c)所示的結構，是目前運輸系統實現集控的典型通信網絡結構，通過建成的主干以太網(Ethernet)，所有分系統的數據無縫傳輸。

圖1 運輸系統自動化網絡結構圖

通過對比3種網絡結構，結合井下實際情況，可選擇適合的組網形式。圖1(a)所述網絡中包含有模擬信號傳輸，抗干擾能力差，采用專門設計的通信協議，開放性差，且一旦投資完成，升級擴容難度大，可見適用性較差。圖1(b)所述現場總線監控系統；一般采用標準協議，比如運輸系統中目前廣泛應用的Profibus-DP、CAN Bus、RS485等協議[1]，大大提高了系統兼容性；這種方式將運輸系統信息處理環節延伸到運輸現場，節省了大量接線端子塊、隔離器、I/O卡等部件，降低系統成本。圖1(c)所述網絡直接將Ethernet通信服務器集成到皮帶機綜合保護控制裝置中，使以太網直接延伸至生產控制底層，實現真正的“一網到底”，與上層管理網協議兼容，進一步簡化網絡結構，降低系統成本。從實踐來看，目前運輸系統自動化改造，主要采用現場總線與Ethernet融合組網的方式，既滿足現場兼容性，又方便與上層管理網無縫連接。

2.2 實現方式

目前，運輸系統自動化的具體實現方式也呈現出多樣化，各個生產廠商根據最新的技術發展，不斷推出新的解決方案。如圖2所示，是一種典型的皮帶機網絡化保護控制系統解決方案，現場級采用CAN總線，將多臺監控主機連接起來，在方便接入Ethernet的位置，配置聯網服務器，實現監控數據進入Ethernet由光纖傳輸至遠端，地面配置監控上位機，配套專門的可視化監控軟件，實現實時信息顯示，地面遠程控制，該解決方案將數據傳輸、語音通話、視頻監控融為一體。總體來說，目前主要的解決方案可歸納如下：

1) 選用高性能微處理器設計監控主機，外圍擴展多路模擬量、數字量通道，以完成皮帶多種保護功能，設計專門的語音電路、顯示電路、通信接口電路，使主機具備打點、通話、報警、顯示及聯網功能，支持的網絡協議主要有CAN、RS232/485、Ethernet等。

2) 選用知名品牌的PLC模塊，根據生產現場情況靈活搭建監控網絡，通過計算監控皮帶的數據規模，合理選擇CPU模塊、I/O模塊、聯網模塊、接口模塊。根據運輸巷的分布，可設計成一主站多分站結構；也可以設計成多個對等監控站結構，還可以根據現場需要，設置就地按鈕盒。

圖2 典型的皮帶機網絡化保護控制系統圖

2.3 方案對比

1) 系統性能。早期的基于單片機的皮帶機綜合保護裝置，穩定性不如PLC系統好，各個廠家開發的保護裝置質量差別也比較大。近幾年，微處理器的性能大幅度提高，基于高性能微處理器的皮帶保護控制主機，都表現出良好的性能，由于微處理器支持的資源增加，將通信接口、語音、操作按鈕、數據采集等功能集于一身的產品也得到應用，穩定、可靠，皮帶監控裝置在現場放置，也利于現場就地操控。PLC系統能否真正發揮技術優勢，依賴于開發人員的經驗。

2) 開發周期。PLC模塊基本為定型產品，開發工作量重點是模塊選型及軟件設計，開發周期短；而基于微處理器開發皮帶監控裝置，涉及硬件電路設計、軟件設計、抗干擾設計、本安及防爆考慮等，開發周期較長。在遠程監控需求刺激下，上位機監控功能逐漸成為必選設計任務，PLC作為標準的模塊，已將常用的數據傳輸協議及接口標準集成在開發環境中，很容易實現與Wincc、Intouch、Ifix、MCGS等組態軟件的通信，而基于微處理器的監控裝置，一般都采用OPC技術實現監控數據的上位機讀取。從這個方面看，PLC系統開發周期比皮帶監控裝置要短。但若采用一個技術成熟的皮帶監控裝置構建監控系統，其開發周期遠遠短于PLC系統開發。

3) 靈活性。皮帶監控裝置通過擴展可以掛接語音通話、視頻監控等子系統，而且可根據皮帶運輸巷實際設備情況，自由確定安裝位置，修改監控程序，靈活性較好；PLC系統在上層網絡構建中，較為靈活，而現場應用，則不如皮帶監控裝置靈活。

4) 成本。設計一套PLC皮帶運輸自動化系統動輒上百萬元，甚至上千萬元，開發成本巨大；而基于微處理器的皮帶監控裝置，表現出明顯的價格優勢。

3 皮帶運輸系統自動化改造展望

近幾年，無線通信技術在工業領域的推廣應用力度越來越大，從運輸系統的特點來看，最適合應用的應該是覆蓋全線的無線監控網絡，這樣，所有的監控信息自適應地傳輸至監控分站，監控分站再通過礦以太環網傳輸至地面管理中心。將物聯網技術發展的相關成果應用到運輸系統自動化中，必將掀起一場新的革命。從井下生產實際來看，無線監控網絡非常方便，無論對于正常運行監控信息的傳輸，還是對緊急情況下的調度、控制，甚至是事故救援，都將產生積極地影響。

無線運輸系統監控網絡構想圖見圖3，將沿線各種監控用傳感器改造為無線傳感器，直接與無線基站進行數據交換，再由無線基站傳輸至以太網。這樣的無線監控網絡可覆蓋皮帶運輸巷、斜巷人車、井下(井上)人車、猴車等長距離運輸系統，成熟的無線監控網絡甚至可以延伸至采掘面，適應采掘工作機動性的需要。目前，無線監控網絡能夠實現數據傳輸，語音通話，報警提示，命令下發等功能。

圖3 覆蓋運輸沿線的無線監控網絡設想圖

4 總 結

皮帶運輸系統具有設備多、類型雜、布置分散、全線距離遠等特點，在自動化改造過程中，呈現出多種解決方案，在聯網結構、實現方式、性能、成本、靈活性等方面各有差異。實現煤礦自動化，減少了檢修時間，提高了生產效率。相信皮帶運輸系統自動化將呈現更加便捷高效的未來。

[1] 張新文. 煤礦礦井皮帶運輸機集中控制[J].陜西煤炭技術，2000(2):45-46.

[2] 田 宇. PLC遠程監控運輸機械電氣控制系統[D].武漢：武漢理工大學碩士學位論文，2008：5-6.