基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的礦井鋼纜皮帶組集中控制系統(tǒng)的研究

張寧+蔣偉+覃光志+袁興+朱云霞+聞平

摘 要：礦井鋼纜皮帶是煤礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，用于長距離、大運(yùn)量的運(yùn)輸，是礦井出煤的主要通道，同時還作為交接班上、下井輸送人員和運(yùn)送材料、矸石的通道，該文針對鋼纜皮帶在實(shí)際應(yīng)用中的現(xiàn)狀及存在的問題，結(jié)合近幾年流行起來的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和集中控制技術(shù)，開發(fā)了一套基于以太網(wǎng)的鋼纜皮帶組集中控制系統(tǒng)，并已在現(xiàn)場得到了成功的應(yīng)用。該系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了在調(diào)度集控室對鋼纜皮帶運(yùn)行狀況的實(shí)時監(jiān)控，能夠及時地監(jiān)視現(xiàn)場各運(yùn)行參數(shù)的狀況，一旦現(xiàn)場系統(tǒng)運(yùn)行有故障，可以實(shí)時地對事故進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作并進(jìn)行報警，實(shí)現(xiàn)對各段皮帶實(shí)時、可靠、快速的運(yùn)行監(jiān)控效果。

關(guān)鍵詞：鋼纜皮帶 集中控制 WINCC 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TD676 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（b）-0007-04

Abstract：The wire rope strap is the important equipment in the mining production. It is used in long distance transport. It is the main way of transport. It is used to transport people and stuff.This paper develops a centralized control system basing on Ethernet against the main problem with the industrial network technology. This system can monitor the wire rope strap status. Once a fault occurs， this system can protect and alarm.

Key Words：Wire rope strap； Centralized control； WINCC； Industrial network

煤礦巷道式鋼絲繩牽引皮帶式輸送機(jī)是用兩臺大功率電機(jī)拖動兩條牽引鋼絲繩作為牽引機(jī)構(gòu)，膠帶帶有特制的雙面耳槽搭在兩條無極鋼絲繩上作為承載物料的構(gòu)件，由傳動滾筒和鋼絲繩間的摩擦力驅(qū)動鋼絲繩和膠帶運(yùn)行。同時通過液壓盤式剎車系統(tǒng)來達(dá)到制動的效果，滿足礦井運(yùn)送煤礦和物資的需要。

鋼纜皮帶安裝于煤礦井下傾斜的巷道中，由兩臺大功率直流電機(jī)通過滾筒牽引鋼絲繩使皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到提升煤炭、矸石、材料、人員等需要，是煤礦運(yùn)輸生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，所以其電控系統(tǒng)不同于普通電機(jī)啟動、停止控制需要，因直流電機(jī)功率很大，而且牽涉到安全問題，設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時要經(jīng)過起動、加速、等速、減速、爬行、減速、停止等不同的調(diào)速控制過程，而且由于礦井原煤運(yùn)輸線路長、生產(chǎn)環(huán)節(jié)多、工藝復(fù)雜、運(yùn)輸量不均衡、設(shè)備負(fù)荷變化大、頻繁停車等原因，造成耗電耗力，同時因制動系統(tǒng)不可靠或者設(shè)備出故障，事故率居高不下。

隨著工業(yè)自動化水平的提升，特別是國家對煤礦安全生產(chǎn)要求的提升，本著以人為本的生產(chǎn)理念，特別是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊及監(jiān)控軟件系統(tǒng)的發(fā)展，為了能完善和提高鋼纜皮帶組的自動控制技術(shù)，滿足煤炭安全高效可靠的生產(chǎn)需要，必須將煤礦鋼纜皮帶系統(tǒng)組成集中控制系統(tǒng)，運(yùn)用高速發(fā)展的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、DCS分布式設(shè)備數(shù)據(jù)采集技術(shù)和工業(yè)監(jiān)控軟件平臺系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)控整個皮帶組的整體運(yùn)動情況，實(shí)時監(jiān)控一線生產(chǎn)數(shù)據(jù)情況，一旦監(jiān)控到有問題，就立即整改，防止事故的發(fā)生。

1 煤礦鋼纜皮帶輸送控制系統(tǒng)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)簡介

1.1 煤礦鋼纜皮帶輸送控制系統(tǒng)

煤礦鋼纜皮帶輸送系統(tǒng)是整個煤礦輸送的核心，它的安全運(yùn)行關(guān)系到整個煤炭生產(chǎn)的命脈。

鋼纜皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)主要用于煤礦長距離、大負(fù)載、長時間等特殊要求的場合。它通過高強(qiáng)度的鋼絲繩牽引，通過大容量的直流電機(jī)牽引鋼絲繩，并配有液壓盤式制動系統(tǒng)，滿足長距離、高負(fù)載的輸送要求。圖1是鋼纜皮帶鋼絲繩牽引系統(tǒng)。

由于煤礦鋼纜皮帶系統(tǒng)特殊的安全需求，其整個電控系統(tǒng)相比傳統(tǒng)控制模式，具有不同的框架，其整個電控系統(tǒng)由底層單片控制的直流電機(jī)勵磁和轉(zhuǎn)子驅(qū)動電流電路系統(tǒng)、PLC邏輯控制系統(tǒng)、數(shù)字量多點(diǎn)式監(jiān)控系統(tǒng)、上位機(jī)軟件操作系統(tǒng)、硬件平臺操控系統(tǒng)等組成。

鋼纜皮帶組工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計原則是統(tǒng)一管理監(jiān)控平臺，分布式運(yùn)轉(zhuǎn)、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)就地采集，高速數(shù)據(jù)交換，采用DCS分布式單設(shè)備控制系統(tǒng)，通過本地網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)信息采集，最后統(tǒng)一在一個監(jiān)控平臺上實(shí)時監(jiān)控生產(chǎn)，滿足煤炭要求的高效安全生產(chǎn)需要。圖2是DCS分布式單設(shè)備本地控制平臺。

1.2 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)系統(tǒng)

隨著工業(yè)自動技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，尤其是現(xiàn)在提出的工業(yè)4.0，工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)發(fā)展很快。

同時隨著數(shù)據(jù)信息化時代的到來，大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展和云計算的發(fā)展，可以將工業(yè)分布式現(xiàn)場的大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過通訊網(wǎng)絡(luò)采集上來，進(jìn)行集中運(yùn)算處理，滿足工業(yè)信息化時代的要求。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的一種全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)自出現(xiàn)以來，在我國得到迅速的發(fā)展，并已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、化工、軍事、樓宇控制等行業(yè)及領(lǐng)域。

隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，工業(yè)自動化控制逐步由模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)變，由集中式到分布式轉(zhuǎn)變，由封閉式到網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)時監(jiān)控的信息化通訊的模式轉(zhuǎn)變，滿足現(xiàn)代工業(yè)的高自動化、高信息化的轉(zhuǎn)變要求。

2 煤礦鋼纜皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集中控制系統(tǒng)的原理與應(yīng)用

煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括底層煤礦開采系統(tǒng)、煤礦分選系統(tǒng)、煤炭存放系統(tǒng)、煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)、煤礦精選系統(tǒng)等構(gòu)成，其中煤礦生產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)是核心之一，一般有立式提升機(jī)或者巷道式鋼纜皮帶構(gòu)成。

巷道式煤礦主運(yùn)系統(tǒng)是常用煤炭輸運(yùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過多段分段運(yùn)輸機(jī)構(gòu)連接而成。每臺煤炭鋼纜皮帶運(yùn)送系統(tǒng)有大容量直流電機(jī)牽引高強(qiáng)度的鋼絲繩帶動皮帶運(yùn)輸，同時采用液壓盤式制動系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)安全制動，同時底層直流電機(jī)控制系統(tǒng)采用單片機(jī)控制直流電機(jī)的勵磁、轉(zhuǎn)子的電流驅(qū)動、PLC控制電氣系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控操作軟件平臺、硬件操作保護(hù)平臺構(gòu)成，形成一套可靠的控制系統(tǒng)。為了滿足多皮帶配合安全有效運(yùn)轉(zhuǎn)，需要將相對獨(dú)立的皮帶控制系統(tǒng)組成一個大的網(wǎng)絡(luò)控制平臺，通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊實(shí)時監(jiān)控每臺鋼纜皮帶的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

2.1 煤炭鋼纜皮帶輸送系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)硬件組成

鋼纜皮帶組工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)按照分散運(yùn)轉(zhuǎn)、集中監(jiān)控的原則，采用分布式本地控制，網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)采集監(jiān)控，通過工業(yè)高速網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和計算機(jī)軟件技術(shù)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集中數(shù)據(jù)監(jiān)控。

每套鋼纜皮帶電控PLC控制系統(tǒng)都配有網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，網(wǎng)絡(luò)通訊模塊通過背板和PLC的CPU通訊，同時網(wǎng)絡(luò)通訊模塊通過工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)郊锌刂破脚_，集中監(jiān)控平臺利用高速計算機(jī)軟件技術(shù)實(shí)時跟蹤每臺鋼纜皮帶的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，一旦數(shù)據(jù)異常啟動報警，讓相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行故障實(shí)時排查，將故障及時處理。

系統(tǒng)具體功能如下。

（1）在煤礦企業(yè)集中控制調(diào)度室監(jiān)控系統(tǒng)中，通過工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)時接收各地的鋼纜皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，并通過軟件算法分析各種數(shù)據(jù)，實(shí)時分析數(shù)據(jù)情況，一旦異常進(jìn)行報警提示，并給出相應(yīng)的數(shù)據(jù)故障地址。

（2）每段皮帶運(yùn)行系統(tǒng)在本地獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，同時通過網(wǎng)絡(luò)和其他鋼纜皮帶系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)通訊，并將自己的數(shù)據(jù)實(shí)時通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給集中監(jiān)控計算機(jī)平臺。

（3）煤礦企業(yè)組成一個故障分析排查小組，一旦集中控制平臺分析數(shù)據(jù)有異常，技術(shù)人員進(jìn)行故障分析并進(jìn)行及時處理，高速有效地進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。圖3是鋼纜皮帶監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)輸監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖。

同時各自獨(dú)立的鋼纜皮帶電氣控制系統(tǒng)中使用兩個獨(dú)立的PLC子系統(tǒng)組成控制網(wǎng)絡(luò)，由操作PLC和保護(hù)PLC組成，兩套系統(tǒng)通過DP總線通訊，同時保護(hù)PLC采用冗余兩套PLC架構(gòu)，一套處于熱機(jī)備用狀態(tài)，一旦檢測到一臺PLC出問題，立即進(jìn)入工作。同時操作PLC系統(tǒng)通過485和上位機(jī)通訊，本地上位機(jī)帶有監(jiān)控和操作界面，實(shí)時顯示當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

2.2 煤礦鋼纜皮帶運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

煤礦鋼纜皮帶網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時采集每臺鋼纜皮帶的數(shù)據(jù)，通過軟件分析數(shù)據(jù)情況。

集中監(jiān)控系統(tǒng)中采用主界面和分界面的方式，可以通過畫面切換實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各種功能。每臺鋼纜皮帶監(jiān)視畫面可以對皮帶的電流、電壓、溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時監(jiān)控現(xiàn)場系統(tǒng)運(yùn)行狀況，一旦軟件分析數(shù)據(jù)有異常，就報警，并通知相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行分析處理。

在控制界面中可以實(shí)施遠(yuǎn)程電機(jī)的開車、緊急停車、正常停車和安全復(fù)位等控制信號，通過遠(yuǎn)程來顯示對現(xiàn)場設(shè)備的控制。

綜合自動化實(shí)際使用表明，該系統(tǒng)可以很好地滿足礦井生產(chǎn)的要求，能對現(xiàn)場皮帶運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控，提高了煤礦運(yùn)輸?shù)陌踩煽啃院蜕a(chǎn)效率，為煤礦安全生產(chǎn)管理工作注入了新的活力，為建設(shè)數(shù)字化本質(zhì)安全型礦井又添加了一塊基石。圖4為鋼纜皮帶網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際使用圖。

3 結(jié)語

該文所研究的煤礦鋼纜皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的綜合自動化充分利用了工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)、PLC邏輯控制技術(shù)、計算機(jī)軟件算法技術(shù)、監(jiān)控軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對煤礦機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程集中監(jiān)測與控制，并且各子系統(tǒng)既可以集中控制，也可以獨(dú)立自成體系單獨(dú)使用，提升了煤礦生產(chǎn)的安全系數(shù)。

該系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了在統(tǒng)一集控室對鋼纜皮帶運(yùn)行狀況的實(shí)時監(jiān)控，能夠及時地監(jiān)視現(xiàn)場各運(yùn)行參數(shù)的狀況，一旦現(xiàn)場系統(tǒng)運(yùn)行有故障可以實(shí)時地對事故進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作，實(shí)現(xiàn)對各段皮帶實(shí)時、可靠、快速的運(yùn)行監(jiān)控效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 魏慶福，龔德榮.現(xiàn)場總線的發(fā)展及我們的對策[J].機(jī)械與電子，1997（1）：3-5.

[2] 張浩.工業(yè)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與多媒體技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[3] 冀洪恩.我國煤礦應(yīng)用自動化技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展目標(biāo)[J].煤礦機(jī)電，1997（6）：8-9.

[4] 吳新忠.工業(yè)以太網(wǎng)在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2003.

[5] 沈娟，劉水英.帶式輸送機(jī)可視化集中控制系統(tǒng)的推廣應(yīng)用[J].煤炭科技，2005（4）：32-33.