副井信號操車設備遠程控制設計與應用

張 衛 李 建

（安徽開發礦業有限公司，安徽霍邱237400）

1 項目背景

2015年6月11日，國家安全監管總局下發的通知中提出建立較為完善的“機械化換人、自動化減人”標準體系，推動重點行業領域機械化、自動化程度大幅提升”。2017年8月，五礦礦業控股有限公司成立了智慧礦山研究院，以安徽開發礦業有限公司作為智慧礦山的依托單位，將自動化及信息化水平較好的安徽開發礦業有限公司作為試點礦山，積極研究智慧礦山的關鍵技術、制定智慧礦山建設的統一標準，打造安全、綠色、高效的智慧礦山。2018年5月1日起，《智慧礦山信息系統通用技術規范》（GB/T34679-2017）開始實施。意味著智慧礦山建設開始以國家標準的形式落地推廣。2019年五礦礦業安徽開發礦業有限公司加快推進示范性智慧化礦山的建設，同時為了緩解企業人力資源緊張局面，改善井下從業人員工作環境，安徽開發礦業擬對在用2條副井提升機的信號操車設備進行遠程集中控制和遙控改造升級。在確保副井提升機安全運行的前提下，取消井下各水平信號操車操作人員，井下信號操作設備改為遠程集中控制或者專職信號工跟罐就地遙控控制，完成提升機井下各信號操作水平“無人值守”化運行。

2 項目概況

安徽開發礦業有限公司目前在用2條副井，分別為1#副井和聯合副井，負擔著全礦井下人員和物料的提升任務，1#副井總共有6個水平，聯合副井總共有4個水平，現信號操車系統各水平配備1名專職信號操作工，負責本水平信號操車設備的操作和設備點巡檢工作，未實現遠控或遙控運行模式。

2條副井提升機的電氣控制系統設備均采用的是ABB公司的傳動系統（DCS800）、電控系統（PM861+PM856+CompactHMI6.0（Server-Client））和制動系統（Tube液壓站+PM856+BCC閘控板）；信號操車系統設備采用的是常熟市新虞電器有限責任公司的產品。

3 設計方案

3.1 設計目的、原則及要求

（1）本方案的設計目的是實現副井提升機信號操車系統的自動化。即在原相對獨立的信號操車控制系統的基礎上，增加井口信號臺遠程控制系統，實現對井下各水平信號操車設備的集中遠程控制；增加各水平的遙控裝置，實現跟罐信號工在罐籠里對到達水平的信號操車設備的遙控控制。

（2）設計原則。遵循“安全性、先進性、經濟性、開放性”的基本原則。在已有的自動化及信息化系統的基礎上進行改造提升，以達到智慧礦山的水平；采用當今先進的智能化裝備和信息化技術，實施完成后整體相比較國內外先進礦山具有一定的先進性；改造優化過程中不破壞副井提升機的正常生產，改造后不會對設備的安全設施造成影響；改造后的系統具有良好的開放性，在需要的時候能夠良好地兼容當前新技術、新設備及新系統，以實現礦山自動化的不斷提升。

（3）設計要求。信號操車系統的優化設計需要按照《礦山安全規程》規定的要求進行設計和檢驗。多水平運行的副井提升機信號系統需要滿足的要求有：①設置主點信號；②采用轉發信號系統，由地表信號工匯總后統一發給提升機控制系統；③信號系統進行的相應操作要滿足提升機閉鎖的要求；④系統配置后備提升信號系統，在提升信號系統故障情況下可應急使用，可以發出“上提”、“下放”、“停車”、“緊停”4個聲光信號；⑤急停信號報警功能，與提升機安全控制回路閉鎖。

3.2 設計內容

3.2.1 控制系統結構

副井信號系統采用可編程控制器+遠程I/O單元構成，通過分布式總線Profibus-DP連接，具有較靈活的調整性和擴展性。各水平的信號操車系統遠程I/O單元將本水平的閉鎖、急停、控制、保護、模擬信號、狀態、故障等信息傳輸給信號系統的可編程控制器。信號系統的PLC將井口和井下信號系統處理好的閉鎖、控制、保護等信號指令通過I/O傳輸給提升機控制系統，完成一次完整的副井提升機信號指令的控制傳輸過程。在原有的信息化控制系統的基礎上新增信號遠程控制操作系統，各水平新增信號遙控系統和就地控制系統來實現信號遠程集中控制和遙控控制，新設計的信號操車控制系統結構示意圖如圖1。

圖1中，新增的井口遠程控制操作臺的作用是負 責井下各水平信號操車設備的遠程控制；負責向提升機控制系統轉發各水平的提升信號狀態，其通訊方式是通過原信號操車通訊回路來實現的。井下各水平的操作臺的作用是負責本水平信號操車設備的就地控制；負責向井口遠程控制操作臺發送本水平的提升信號狀態。在各水平原有操作臺的基礎上新增信號操車就地控制箱和信號遙控系統，新增的就地控制箱是對原操作臺個別功能的擴展，實現個別本地信號操車系統的功能。信號遙控系統是通過無線通訊的方式接收罐籠內的手持遙控裝置的發送信號，再作用于原操作臺控制回路來完成信號操車的相應動作。

3.2.2 遠程控制系統

以聯合副井為例，在原系統的控制方式和控制邏輯程序基礎上，新增了遠程集中控制操作系統；配備遠程監視和操作信號工1名，所有的遠程操作均滿足原設備的運行閉鎖條件。各水平中段的信號、限位、檢測傳感器的動作狀態都在遠程操作臺上進行動態顯示；當所有操作臺按鈕同時切換到“遠程”時可實現遠程操作模式，當任意按鈕“遠程/就地”不滿足上述條件時，系統默認為現場操作臺控制。遠程控制系統的主要工況過程：

（1）副井提升機正常運行情況時（信號系統非檢修模式），手持遙控設備非遙控模式，遠程操作人員選擇信號遠程控制模式，選擇遠程控制的信號水平，在確保提升機停止運行的狀態下，提升機罐籠在該水平的到位信號使能，可啟動該水平液壓站操作相應操車設備；當操車系統的閉鎖1（安全門關閉到位）、閉鎖2（搖臺開啟到位）、閉鎖3（信號系統無硬件閉鎖）滿足提升機運行的條件時，遠控操作臺可以發出相應提升信號。

（2）副井提升機在信號系統檢修模式時，遠程操作人員選擇信號遠程控制模式，選擇需要控制水平，在確保提升機停止運行的狀態下，可啟動該水平液壓站操作相應操車設備。當操車系統閉鎖3（信號系統無硬件閉鎖）滿足提升機運行的條件時，遠控操作臺可以選擇提升模式、選擇去向水平并發出去向方向等提升信號。

3.2.3 遙控控制系統

在原系統的控制方式的基礎上，撤銷原各水平的專職信號工，井口設置專職跟罐信號工1名，配備信號操作手持遙控裝置；提升人員時，專職跟罐信號工負責跟隨罐籠運行，完成各水平的操車設備的開閉操作和提升信號的發送；提物、下料時，停留在目的水平，擔任該水平的專職信號工。遙控控制系統的主要工況過程：

（1）副井提升機正常運行情況時（信號系統非遠控模式），跟罐人員手持信號操車控制器，選擇信號遙控控制模式，提升機罐籠到達目標水平，在確保提升機停止運行的狀態下，該水平的罐籠到位信號使能，跟罐人員可遠程遙控打點停車信號、遙控啟動該水平液壓站操作相應操車設備；當操車系統的閉鎖1（安全門關閉到位）、閉鎖2（搖臺開啟到位）、閉鎖3（信號系統無硬件閉鎖）滿足提升機運行的條件時，手持遙控設備可以選擇提升模式、選擇去向水平并發出去向方向等提升信號。

（2）當手持遙控裝置出現故障時，跟罐信號工可根據實際情況操作就近控制箱控制該水平的信號操車設備，或通知遠程操作人員來遠程操作該水平的信號操車設備。

3.2.4 控制系統的硬件配置

遠程操作臺需要實現與現場操作臺完全一致的操控功能，所以選用西門子S7-300系列的I/O模塊來配置一套新的遠程控制系統。在所有信號操車操作臺上新增加“遠程/就地”選擇按鈕。遠程安全回路主要設置信號系統緊急停車按鈕和操車檢修閉鎖按鈕。其控制方式為按鈕硬線直接串入提升機控制系統的安全回路。遠程上位機組態軟件通過TCP/IP網絡通訊協議與PLC實現數據交換。遠程操作臺與控制回路硬件結構示意圖如圖2

3.2.5 關鍵邏輯程序及注解

本設計是利用西門子公司的S7-300控制器編程軟件對操車設備的遠程、遙控和就地控制的關鍵邏輯控制程序進行設計和編譯。在編程界面，新建硬件結構，添加通訊地址，設置模塊通道變量，設計控制程序如下。符號注解如表1。

（1）程序1示意如圖3，某水平操車液壓站油泵控制程序邏輯，該程序主要實現的功能分別為就地模式/遠程模式/遙控模式時，按下油泵啟動按鈕，油泵電機開啟并保持輸出狀態的邏輯控制。

（2）程序2示意如圖4，為某水平安全門開閉控制程序邏輯，該程序主要實現的功能分別為就地模式/遠程模式/遙控模式下，按下安全門開啟/關閉按鈕時，安全門開啟/關閉電磁閥輸出狀態的邏輯控制。

（3）程序3示意如圖5，為某水平搖臺起落控制程序邏輯，該程序主要實現的功能分別為就地模式/遠程模式/遙控模式下，按下搖臺抬起/落下按鈕時，安全門抬起/落下電磁閥輸出狀態的邏輯控制。

（4）程序4示意如圖6，為某水平檢修模式時，安全門和搖臺的操作邏輯程序，該程序主要實現的功能在遠程模式和檢修模式同時滿足條件時，通過操作安全門或搖臺的啟停按鈕來實現目標水平安全門或搖臺設備的啟停功能。

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其余程序內容不再贅述。

3.2.6 其他相關設備功能

（1）增加各水平乘罐人員要罐聯絡信號裝置和視頻監控裝置，遠程控制室和跟罐信號工能及時了解井下各水平的要罐需求，方便對罐籠的運行進行調度。

（2）增加各水平候罐區提升機運行狀態顯示功能，方便各水平候罐人員了解提升機的運行情況。

（3）增加聯絡呼叫功能，跟罐專職信號工能在井筒中與遠程控制室的監控人員進行呼叫對講，要求通訊設備通話質量清晰、待機時間長（20 h以上），通訊設備需一備一用。

4 風險分析及解決措施

副井提升機信號操作系統進過遠程和遙控改造之后，無人值守崗位的安全風險都有所增加。其增加的風險點及解決措施如下：

（1）跟罐信號工的手持遙控裝置通訊中斷的風險，導致信號工不能遙控操作目標水平的信號操車設備。解決措施是在各水平的罐籠正常到位的合適位置安裝該水平的就地控制箱，無線通訊故障時跟罐人員可通過就地控制箱來發送信號。

（2）井下無人值守時，操車設備出現閉鎖信號的風險，導致提升機無法正常運行，且無人可以確認現場的設備閉鎖情況。解決措施是各水平的操車重點部位增設監控設施和上位機的動態組態，地表可遠程清晰查看故障水平閉鎖位置的實際情況，遠控旁路閉鎖故障，運送維修工到達故障水平的二層平臺，然后對閉鎖問題進行處理恢復。

（3）無人值守時，候罐人員在井下誤操作的風險。解決措施是加強乘罐須知培訓，增加候罐區域的監控以及在各中段井口附近加裝封閉的安全防護欄，避免乘罐人員進入原信號房對信號操車設備進行誤操作。

（4）跟罐信號工跟地表遠程監控人員通話不便的風險。解決措施是在罐籠里增加無線通訊設施，讓跟罐信號工可隨時跟地表遠程監控人員進行對話通訊。

5 應用效果

5.1 設備功能的應用效果

（1）設計應用后，遠程操作臺新增了各水平信號操車設備的操作控制功能，通過控制權限的選擇來遠程實現了信號操車功能操作和監視管理，比原系統新增了一套遠程功能。

（2）設計應用后，各水平新增加提升機運行狀態顯示，乘罐人員能提前知曉罐籠檢修情況、罐籠去向水平、罐籠所在位置等候罐信息，方便了乘罐人員自由安排乘罐時間。

（3）設計應用后，原各水平信號改為由跟罐信號工通過無線遙控裝置在罐籠里遠程操作所在水平的信號和操車設備，改變了原有的固定操作方式，增加了操作范圍。

（4）各水平操作臺冗余了一套無線操作設備，減少了設備故障率。

5.2 人員優化的應用效果

以1條擁有4個水平的聯合副井為例，在改造之前各水平設置1名信號工，1條井3班運行制計算，合計需要18名專職信號工。2條井合計需要36名信號工，副井信號操車系統經過遠程控制改造以后每條井三班運行制時只設置9名信號工（井下4個水平1名，遠程操作臺1名）。2條副井提升系統減配18名信號操車的操作人員，大大優化了副井提升機的人力資源數量，提高了勞動效率和設備的自動化水平。

5.3 系統安全性的應用效果

（1）優化改造后的信號操車系統的I/O單元通訊僅用于閉鎖、急停、控制、保護、信號的信息傳輸，現場總線的通訊用于模擬信號、狀態、故障信息的傳輸，不參于閉鎖、控制、保護、信號的傳輸。信號系統出現通訊中斷的情況時，不會影響提升信號及副井提升機控制系統的正常運行。

（2）罐籠運行方式變為有專職跟罐信號工隨罐運行時，提升機出現故障，乘罐人員被困井筒中間時，跟罐信號工能及時聯系地表遠控信號工，知悉提升機的恢復情況，并積極安撫和配合營救乘罐人員，避免了提升機被困井筒時造成的恐慌和未知的傷害。

6 結語

隨著社會和產業的不斷進步，綠色發展和本質安全的理念已經成為礦山企業的共識和硬性要求。借助智慧化礦山的系統建設趨勢，降低生產管理成本，提高生產經營效果，改善職工勞動強度和作業環境，提升設備本質安全是“無人礦山、透明礦山、安全礦山、互聯礦山”的必然選擇。本項目設計的副井提升機信號操作遠程和遙控控制系統是礦山企業自動化、信息化和智慧化建設的重要組成部分，它從根本上增強了設備的安全性能，優化了人力資源配置，提高了生產效率，達到了設計的預期效果。