梁家煤礦膏體充填開采智能控制系統設計方案

石其征 李延振

（通用技術集團工程設計有限公司，山東 濟南 250031）

為推進煤炭綠色開采，大力發展礦區循環經濟，切實保護礦區自然生態環境，梁家煤礦建設膏體充填開采項目。本項目智能控制系統是以膏體充填開采工藝為基礎，調研總結國內膏體充填開采礦井的先進經驗，融合自動化、智能化、信息化的新理念和新技術，從而實現膏體充填開采管控智能化，為智能化煤礦的建設奠定基礎。智能控制系統主要包括膏體充填開采智能化管控平臺、地面充填站自動化控制、井下設備遠程監測與控制、主要生產部位實時視頻監控等。

1 膏體充填開采智能化管控平臺

利用先進的計算機技術結合地面充填站工藝流程，基于微軟平臺自主設計開發一套適用于梁家煤礦膏體充填的數字化管控系統。該系統包括監控軟件、視頻監控集成、與充填開采配料系統數據對接、井下閥門控制、井下管路壓力檢測、充填工作面液位檢測、報警處理、歷史數據和用戶權限等功能，實現充填開采系統控制的全面數字化和自動化，并可采用3D技術進行可視化，為智能充填提供技術保障，從而確保整個充填流程的安全高效運行。

該管控平臺具備如下主要功能：

（1）在地面充填集控中心實現遠程控制井下的保障閥和布料閥，并形成操作記錄；

（2）在地面充填集控中心實時顯示充填工作面液位情況；

（3）在地面充填集控中心實時顯示所有三通泄漿閥的壓力；

（4）根據充填工作面液位情況，自動切換布料閥；

（5）充填結束前，根據充填工作面液位情況，自動計算待充填量；

（6）能夠與梁家煤礦地面充填站配料系統實現數據對接；

（7）通過3D技術進行可視化顯示充填液位情況。

2 膏體充填開采網絡控制架構

基于光纖技術、以太網通訊技術和PLC技術等建立一套膏體充填井上下遠程控制架構，利用梁家煤礦現有的井上下工業生產監控環網進行數據的傳輸。充填開采智能控制網絡架構如圖1。

圖1 充填開采智能控制網絡拓撲圖

3 地面充填站自動化控制

在地面充填系統集控中心設置PLC主控制器（控制主站）。主站選用西門子 S7-1500系列PLC，采用雙CPU、雙電源配置，CPU模塊選用CPU1516-3；負載電源采用PM190W 8A，系統電源采用PS25 24V；以太網通訊采用CPU自帶通訊網口。本控制系統根據工藝要求及本著提高系統自動化水平、提高全員勞動生產率和經濟效益、減輕工人勞動強度的原則，具備如下功能：

（1）數據采集功能。主要采集的數據：① 各參與集控電動機的運行狀態、主要電動機的電流；② 部分不參與集控但需要在主控室監視的電動機的運行狀態；③ 全廠各料倉料位；④ 管道壓力；⑤各運料皮帶的運量；⑥ 膏體的密度；⑦ 各類保護信息，主要包括皮帶綜合保護裝置（跑偏、拉繩、溜槽堵塞、打滑等）、電動機故障信號等。

（2）報表及流程圖生成、打印功能。

（3）自動控制功能。① 運行方式選擇：本系統設有集中控制和就地控制兩種方式。集中控制又分為聯鎖自動、聯鎖手動和手動三種方式。其中聯鎖自動、手動用于正常生產，自動時，系統各設備按程序自動啟停；聯鎖手動時，需按各設備間的聯鎖關系，通過計算機界面啟停。手動和就地時沒有聯鎖關系，只用于檢修和調試。② 啟動預告信號：在集控起車前，由計算機向各崗位發出聲光預告信號，如各崗位沒有問題，在一分鐘后自動起車；如存在故障，現場操作人員按下急停鈕，起車過程被取消，并發出聲光報警。③ 起車過程：系統按逆料流起車，起車過程中，如遇緊急狀況，按下就地箱上的急停按鈕，向調度室發出禁起信號，系統立即停車。④ 停車過程：系統按順料流停車，停車信號可由人為發送。當某設備發生故障時，本設備以前的設備立即停車，設備后的流程可由人為停車或不停車。人為停車時，至故障處理好后再次啟動；緊急狀況下，按下控制臺上的急停按鈕，所有設備將立即停車。⑤ 水泥、粉煤灰、爐渣、添加劑、調漿水等物料配比攪拌自動控制：實現膏體各物料按配方進行自動稱量配料、攪拌混合等工藝的自動化控制。自動控制原理為：各種物料根據設定批次自動投料到稱量斗，稱量完成后，自動卸料到攪拌機，根據設定攪拌時間，攪拌完成后，自動放料到料漿斗，整個過程為全自動執行。⑥ 膠結攪拌機的液位控制：用三段“液位反饋閉環”控制方案，即正常液位段、高液位段和低液位段控制。當液位計檢測的液位在正常液位段時，排料電動球閥以固定開度輸出，保證充填系統在較小的給料波動中正常穩定工作。當液位計檢測的液位分別在高液位段和低液位段時，排料的電動球閥進行控制調節，保證給料槽不溢出或者拉空。電動球閥實現自動控制啟停和手動自動切換功能。⑦ 充填料漿濃度和流量的檢測：經攪拌機充分攪拌后的混合料漿經電磁流量計和在線濃度計的檢測后經充填泵打到充填工作面。檢測到的流量和濃度通過PLC（可編程控制器）的模擬量輸入模塊輸送到組態控制界面，供工作人員參考用。

4 井下設備遠程監測與控制

為減少井下線纜的敷設量，在井下設置兩臺防爆PLC控制分站用以對井下數據的采集和設備的控制。兩臺防爆PLC控制柜通過光纖與地面PLC控制主站相連。

創新設計“PLC→電液閥→布料閥或保障閥”控制回路結構；基于經驗算法實現對保障閥0%～100%的開度控制；通過在閥體頂部安裝位移傳感器，位移傳感器和電液閥接入井下防爆PLC控制箱，從而實現在地面充填集控中心遠程控制調節閥開度的目的；采用位移傳感器測量閥門的實際開度；通過對電液閥開關時長控制，達到調節開度與目標開度一致的效果，這樣更有利于優秀操作經驗的積累和轉化利用。

選用高精度的位置檢測傳感器，實時檢測充填工作面剩余充填高度數據[1-4]。

5 視頻監控系統

為提高運行監控水平，設置獨立的視頻監控系統。本系統主要包含前端攝像機、傳輸線纜、網絡交換機、網絡硬盤錄像機，視頻解碼器、液晶監視器器墻等，通過地面中心控制站與礦井生產調度信息中心的傳輸網絡，將本視頻監控系統接入的視頻信號接入到礦井工業電視監控系統，礦各級分管領導可通過系統授權察看充填開采系統主要位置視頻圖像。

在地面充填站的高、低壓配電室、充填車間、料棚及室外等位置各設置一個視頻監控點，配置可變焦球型網絡攝像機，具有300萬像素，20倍變焦，網絡高清智能球機。

在井下保障閥、布料閥、雷達液位傳感器等處各設置一個視頻監控點，配置隔爆網絡槍型攝像機，200萬像素。

6 結語

梁家煤礦膏體充填開采項目已投產，運行效果良好。充填開采工藝控制實現了全數字化，生產過程透明化。充填過程由地面集控中心一鍵操作代替井下人工手動操作，將充填人員、管路巡視人員、閥門操作人員定員由原定的15人縮減為3人，大大降低了用工數量，從而顯著提升了生產效率，達到了減人提效的目的，具有良好的經濟效益。