掘進工作面智能配套裝備升級改造

王晉強

（晉能控股煤業集團沁秀公司岳城煤礦，山西 晉城 048006）

隨著工業裝備智能化、集約化的快速發展，兩化融合已經開始向礦山一線延伸，通過智能化升級提升礦井安全技術水平勢在必行。綜掘工作面作為煤礦安全事故最集中區域，更是智能化改造的重中之重。以岳城礦為例，該礦掘進工作面出煤、風機等系統均需安排崗位司機單人盯崗手動操作，每班崗位司機至少4 人，極大地制約了人工效率，加大了設備運行和人工操作失誤的風險[1]。因此有必要研究一種具有集中通訊、控制功能的智能化操作系統，實現工作面所有設備運行的集約化操作和智能化操控，對確保煤礦生產安全、提高生產效益具有非常重要的現實意義。

1 現場概況

岳城煤礦現同時布置4 個綜掘工作面，掘進機、運輸皮帶、轉載機、局扇風機、配電開關等設備均需配備崗位司機協同完成，4 個頭面每班需配置近16 人專門負責設備操作運行。同時還存在如下問題：（1）掘進工作面帶式輸送機控制系統可靠性差，沿線急停裝置出現故障等無法精確定位顯示，且急停故障率高，無法與工作面和調度室實時聯系；（2）掘進工作面出煤系統設備多是單人單崗手動操作，且啟停步驟繁瑣，需要逐級聯系啟動，操作效率低下；（3）局扇系統缺乏遠程控制功能及數據記錄、運行歷史查詢功能，故障后無法快速有效恢復。因此非常有必要對現場設備系統進行智能化升級改造，提高安全生產效率。

2 改造方案

構建井下綜掘工作面智能化集控系統，通過井下防爆電腦和地面集控平臺實時監測綜掘工作面運輸皮帶、轉載機、局扇風機、配電開關等相關設備的運行工況參數和狀態，實現相關設備的遠程開停、集中控制和故障報警功能。其系統架構如圖1。

圖1 掘進工作面集控系統結構圖

由圖1 可知，掘進工作面集控系統按照設備管控架構分為管理層、傳輸層和設備層。其中管理層是以皮帶集控上位機和解碼器為核心，通過顯示器實時監控所有設備運行狀態及參數，管理、存儲、更新以及共享數據庫資源，并將數據上傳至地面監控中心；傳輸層由千兆環網、控制電纜、光纖組成，作為數據傳輸的橋梁實現帶式輸送機主控制器與帶式輸送機開關互聯，實現防爆計算機與局扇風機及供配電系統開關互聯，最終實現數據上傳及控制命令下達。控制層是通過防爆計算機對現場各類開關控制器、傳感器進行設備控制、信號傳輸和實時報警，達到遠程集控的目的。

3 系統配置

本次針對掘進工作面運輸系統（按4 部運輸皮帶，每部按1000 m 考慮）、局扇風機系統、供配電系統（皮帶開關、局扇開關、水泵開關、移變高低壓頭開關）等相關設備進行智能化改造，達到遠程集控、實時監測和智能運行的要求。

3.1 皮帶集控子系統

皮帶保護控制系統一方面將系統本身檢測到的所有數據上傳至井下監控中心，另一方面接收地面監控中心下發的啟停指令。其系統架構如圖2。

由圖2 可知，在掘進巷道口放置一臺KTC190型控制器，此控制器出2 條AST 線，連接所有四部皮帶；AST1 線通過七芯電纜連接一部機頭接口箱，經擴音電話、急停、七芯電纜連接一部機尾智能電話，再通過七芯電纜連接二部機頭接口箱，經擴音電話、急停、七芯電纜連接二部機尾智能電話，最后以智能終端結束，AST1 線控制一部、二部啟停以及各皮帶保護；AST2 線通過七芯電纜連接溜子機頭接口箱，再通過七芯電纜連接三部機頭接口箱，經擴音電話、急停、七芯電纜連接三部機尾智能電話，再通過七芯電纜連接四部機頭接口箱，經擴音電話、急停、七芯電纜連接四部機尾智能電話，最后以智能終端結束。每個設備機頭接口箱帶就地啟停按鈕，可以單獨在就地啟動，沿線每隔100 m 布置一臺帶拉線功能的急停開關，每隔200 m 布置一臺帶拉線急停功能的組合擴音電話，每條帶式輸送機尾布置一臺可以接防跑偏和防撕帶保護的智能電話。

圖2 皮帶集控結構配置圖

3.2 局扇風機控制系統

局扇風機系統包括遠程監控站、井下監控中心、通訊采集分站、語音通話等系統組成，其基本架構如圖3。

圖3 局扇風機集控系統結構圖

3.2.1 地面遠程監控站

地面監控站由遠程監控計算機、組態監控軟件、網絡交換機、打印機、UPS 電源和監控臺等組成，監控計算機雙機冗余設計，分別安裝監控組態軟件和視頻監控軟件，可互為切換和相互備用[2]。

3.2.2 井下監控中心

井下監控中心由礦用隔爆型計算機、電源箱、采集傳輸裝置、傳感器組成。系統配置礦用鋰離子蓄電池電源，維持時間不少于4 h，可清晰顯示各路監控點圖像，可以循環顯示和多路顯示，配置網絡硬盤錄像機就地儲存視頻。

3.2.3 礦用本安通訊分站

礦用本安通訊分站是基于高性能、低功耗的STM32STM32 系列嵌入式計算機設計開發，提供光纖接口2 路，以太網接口8 路，RS485 接口2 路，數字量輸入（DI）接口12 路，數字量輸出（DO）接口16 路及液晶屏人機界面[3]。

3.2.4 井上井下語音通話

井上下語音通話系統架構如圖4。

圖4 井上井下語音通話示意圖

由圖4 可知，皮帶沿線語音設備、工作面沿線語音設備與KTK35 廣播報警擴播電話連接，完成井上下語音通話，且具有撥號電話的所有功能，具有聲光報警和應急廣播于一體的功能，同時可與煤礦運輸沿線控制保護等第三方擴音電話進行語音連接，實現地面調度與井下擴音電話的雙向語音通訊功能。該系統能發出擴音振鈴及紅色閃光燈振鈴信號，在綜采、掘進工作面、膠帶機等嘈雜環境，更易接聽來電，可以實現擴播事故語音報警、礦難語音報警和警報頻率報警，并能通過閃光燈顯示快速撤離信號。

4 現場驗證及結論

設備升級后，在岳城煤礦掘進巷道進行了工業性試驗。試驗結果表明，采用改造后的智能配套系統后，系統能夠實現相關設備的遠程開停、集中控制和故障報警功能，且巷道沿線急停系統故障率明顯降低，工作面出煤效率明顯提高，每班掘進工作量較原來提高了大約20%；能夠實現皮帶司機、風機管理員、配電開關人員等多崗合一，每班出勤7人即可正常生產，每班減少2 人，達到了減員提效的目的。