煤礦帶式輸送機(jī)智能化控制系統(tǒng)設(shè)計

＊龐海云

（山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 046600）

1.智能化帶式輸運機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計方案

(1)前景分析

趙莊的煤炭礦井主要是升級改造主斜井以及大部分的以輸送帶的方式來運輸?shù)拇笙飪?nèi)所安裝的帶式輸運機(jī)，礦井內(nèi)安裝的型號為STJ1600/3×1850S的帶式輸送機(jī)，它的輸送帶所采用的繩芯材料是強(qiáng)力的具有阻燃作用的鋼絲，其長為1580m，輸送帶移動速度5.4m/s，輸送帶的強(qiáng)度大約是5000N/mm，寬為1.6m，安裝在主輸送巷道內(nèi)的帶式輸送機(jī)模型為DTL160/320/4×800，采用的輸送帶是強(qiáng)力阻燃的，其長為2100m，輸送帶移速4m/s，輸送帶寬為1.6m，強(qiáng)度為2500N/mm。

①基于保護(hù)系統(tǒng)對帶式輸送機(jī)狀況的探討

由于帶式運輸機(jī)沿線的保護(hù)系統(tǒng)太過簡陋，以至于其在運行過程中無法與地面的控制系統(tǒng)做到實時連接，而這就導(dǎo)致了當(dāng)某些問題或者說故障出現(xiàn)時，帶式運輸機(jī)不能做到自行停機(jī)處理，而且如果不能做到自行停機(jī)處理，那么機(jī)器一旦卡煤，很可能會產(chǎn)生難以估量的損失。

②帶式輸送機(jī)的啟停狀態(tài)

當(dāng)每個帶式輸送機(jī)開始運行時，在其頭部位置設(shè)置一個司機(jī)，負(fù)責(zé)啟停該帶式輸送機(jī)。如果在工作生產(chǎn)過程中需要啟動輸送機(jī)，工作場地的工作人員會向帶式輸送機(jī)尾部的司機(jī)發(fā)出信號并進(jìn)行對話。皮帶輸送機(jī)從外到內(nèi)依次啟動，有時調(diào)度員會使用通信設(shè)備呼叫啟動。這種啟停管理帶式輸送機(jī)的模式，不僅需要很高的勞動強(qiáng)度，需要大量人員，有較高的成本，且自動化程度比較低。

(2)升級控制系統(tǒng)智能等級

可編程邏輯控制器可以說是實施升級控制系統(tǒng)智能等級中至關(guān)重要的一環(huán)，它主要由可編程邏輯控制器控制站、各類帶式輸送機(jī)保護(hù)傳感器、上位機(jī)等組成。智能等級提升之后的帶式運輸機(jī)的控制系統(tǒng)的架構(gòu)層分別為傳感執(zhí)行層、控制層、監(jiān)控信息層和網(wǎng)絡(luò)傳輸層，在這里面只有監(jiān)控信息層位于地面，剩余的在井下。具體布置見圖1。

圖1 帶式輸送機(jī)智能化控制系統(tǒng)構(gòu)架圖

①傳感執(zhí)行層。具有監(jiān)測作用的載荷和速度、跑偏和溫度以及煙霧這五種傳感器被安裝于帶式輸送機(jī)上，按照集控中心的指令進(jìn)行動作，還可以將信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣收集；

②控制層?？刂茖油ㄟ^可編程邏輯控制器實現(xiàn)操作控制井下設(shè)備，同時能夠及時上傳輸送機(jī)的數(shù)據(jù)信息并對各種來自于執(zhí)行集控中心發(fā)出的指令實現(xiàn)控制；

③網(wǎng)絡(luò)傳輸層。工業(yè)交換機(jī)連接地面和井下，通過它或網(wǎng)絡(luò)傳輸層都可以將井下各類數(shù)據(jù)從帶式輸送機(jī)運送至集控中心，還可以及時把來自地面的指令傳到井下，實現(xiàn)實時傳輸信息；

④監(jiān)控信息層?？梢詫碌脑O(shè)備在地面實時監(jiān)測，并集中控制一鍵開始停止。

(3)系統(tǒng)智能化

①帶式輸送機(jī)具有檢測保護(hù)和監(jiān)控顯示功能，它安裝有多種信號裝置和傳感器：漂移和溫度、煙霧和停止以及速度等，它們可監(jiān)控并顯示帶式輸送機(jī)的運行狀態(tài)，并能自動停車和發(fā)出報警信號來保護(hù)帶式輸送機(jī)，通過音頻信號同時還可以實現(xiàn)點播和宣傳功能。

②系統(tǒng)功能可實現(xiàn)自動、手動和遠(yuǎn)程控制。A.自動：井下工作者一鍵啟停集控箱控制帶式輸送機(jī)實現(xiàn)就地自動控制；B.手動：在檢修前需要先手動斷開各類帶式輸送機(jī)的保護(hù)功能；C.遠(yuǎn)程：地表工作的人員使用控制臺遠(yuǎn)程控制井下帶式輸送機(jī)。

2.實現(xiàn)系統(tǒng)功能

(1)可編程邏輯控制器控制系統(tǒng)

帶式輸送機(jī)智能化可編程邏輯控制器控制系統(tǒng)主要由顯示器、可編程邏輯控制器控制柜、IP廣播通信、各類傳感器（速度、堆煤、急停、載荷、煙霧、溫度等）等設(shè)備組成。可編程邏輯控制器控制柜用來處理和接收操作指令、相關(guān)數(shù)據(jù)，操作控制各種設(shè)備包含數(shù)字量模塊、可編程邏輯控制器主機(jī)、切除故障開關(guān)和模擬量等。運行穩(wěn)定且功能齊全以及緊湊的系統(tǒng)架構(gòu)都是西門子-可編程控制器柜S7-1500型號的特點。用S7-1500型的軟件調(diào)試系統(tǒng)，用LAD梯形圖建立程序代碼。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 智能化礦井帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(2)操作控制系統(tǒng)的步驟

①無人值守

點擊操作臺上的“無人值守”，出現(xiàn)確認(rèn)操作窗口后點擊“確定”，模式轉(zhuǎn)為“無人值守”。比方說帶式輸送機(jī)狀態(tài)是遠(yuǎn)程自動控制時，“無人值守”按鈕被按下，則帶式輸送機(jī)改換為“無人值守”模式，當(dāng)輸送機(jī)上無煤時則會自動停止運行；當(dāng)主運煤巷道上有煤運輸?shù)綑C(jī)頭時，運輸機(jī)將自動開始運行。

②就地自控

井下控制主機(jī)安裝在輸送機(jī)的機(jī)頭處，向左轉(zhuǎn)控制旋鈕到就地?fù)酢４藭r，“本地”字樣將顯示在智能控制系統(tǒng)界面上的狀態(tài)欄。這種狀態(tài)下，操作開關(guān)按鈕實現(xiàn)一鍵啟停。

③遠(yuǎn)程自控

向右轉(zhuǎn)控制旋鈕到遙控器檔位。此時，“遠(yuǎn)程”字樣將顯示在狀態(tài)欄上。此時，工人在地表按下啟停按鈕，一鍵啟?？梢栽诤苓h(yuǎn)的地方實現(xiàn)。操作員可在此時查看帶式輸送機(jī)儲煤量，通過監(jiān)控來查看并選擇先后什么順序去啟動設(shè)備。

A.為防止積煤出現(xiàn)在后置帶式輸送機(jī)上，啟動要逆流煤方向，后置帶式輸送機(jī)頭部積煤，按逆流煤方向啟動帶式輸送機(jī)，即從外側(cè)依次啟動。

B.為了降低沿煤流方向啟動的電耗，當(dāng)沒有煤在輸送機(jī)上時，可以沿煤流方向啟動，即由內(nèi)而外啟動。

當(dāng)控制器停止時，操作員通過點擊停止按鈕使設(shè)備停止。停止帶式輸送機(jī)要順煤流方向由內(nèi)向外，以防堆煤現(xiàn)象。

(3)地面監(jiān)控

地面監(jiān)控以趙莊煤礦為例：備用和監(jiān)控主機(jī)以及管理服務(wù)器還有監(jiān)控軟件都是帶式智能化輸送機(jī)組成監(jiān)控系統(tǒng)的重要部分。系統(tǒng)界面組態(tài)軟件用Scade代碼生成，由客戶端管理和服務(wù)器管理組成。服務(wù)器管理架構(gòu)可以收集和存儲報警探測、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、點對點的數(shù)據(jù)信息，如，客戶管理結(jié)構(gòu)在服務(wù)器上可以利用其服務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信功能實現(xiàn)人機(jī)交互，能實時監(jiān)測皮帶輸送機(jī)上安裝各種傳感器的狀態(tài)和設(shè)置系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。高清攝像頭安裝在客戶端，井下機(jī)器可以被實時查看運行狀態(tài)。存儲的部分運行期間數(shù)據(jù)曲線如圖3。

圖3 帶式輸送機(jī)運行期間存儲的部分?jǐn)?shù)據(jù)曲線變化圖

更生動的操作界面效果可以用SCADA軟件修改或調(diào)整操作界面的位置和顏色以及形狀和大小，便于操作員識別和操作。

3.效益分析

（1）經(jīng)濟(jì)效益。在進(jìn)行改造帶式輸送機(jī)之前，該礦山主斜井及輸送機(jī)需投入大約每天十五人來負(fù)責(zé)開停和巡檢帶式輸送機(jī)。經(jīng)過智能化系統(tǒng)改造后，以2巡檢人每班來計算，巡檢工作每天只需要五人，工資上的投入可減少至80萬元/a；（2）安全效益。通過改造帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，智能帶式輸送機(jī)體系的安全監(jiān)控系統(tǒng)都在企業(yè)和礦井被建立，礦山安全管理水準(zhǔn)得到了提升，監(jiān)督井下安全的力度得到了有效的加強(qiáng)，極大程度地實現(xiàn)了利益及安全的最大化。

4.總結(jié)

（1）通過智能化系統(tǒng)改造，帶式輸送機(jī)的地面工作人員對井下每一條煤炭流的運輸掌握的更加清晰、直白，更好地保障了地面控制單位的指揮與調(diào)度；而且，改造后的系統(tǒng)可以記錄下運輸機(jī)的各項參數(shù)，相當(dāng)于飛機(jī)的黑匣子，為以后如果運輸機(jī)出了故障更方便查找故障的起因，也即是說，運輸機(jī)的性能將更加穩(wěn)定。（2）經(jīng)過近一年的試運行，我們可以比較直觀地看出，在使用了改進(jìn)的智能化系統(tǒng)之后，礦山的運行變得更加平穩(wěn)高效，安全等級上升很高，為礦山及企業(yè)帶來了巨大的利益。