1890 煤礦的井下皮帶運輸集中控制系統(tǒng)設計

鄭 偉

（新疆焦煤集團1890 煤礦，新疆 烏魯木齊 830025）

作為煤礦六大系統(tǒng)之一的運輸系統(tǒng)[1]，在新疆焦煤集團1890 煤礦的工作面還是采用的現(xiàn)場人員直接操作的模式，實行分班值守看護作業(yè)。由于老舊的生產方式過于依賴人工，導致運輸設備的生產效率很低，并與如今煤礦發(fā)展智能化的目標相違背。為保障皮帶運輸系統(tǒng)的高效正常運行，需要對皮帶運輸系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，同時判斷系統(tǒng)運行工作狀態(tài)，當監(jiān)測出現(xiàn)異常狀況時，系統(tǒng)可自動執(zhí)行相應的保護措施[2]。

結合該礦實際情況，提出了“PLC 控制+皮帶保護”控制模式的皮帶運輸集中控制系統(tǒng)。首先建立地面集中控制中心，主要功能是進行皮帶運輸系統(tǒng)設備自動遠程控制，同時采集、存儲、打印、查詢和統(tǒng)計分析傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)、生成曲線和報表、記錄事件信息、統(tǒng)計操作記錄、傳感器故障報警和監(jiān)測設備運行狀況，并進行視頻圖像監(jiān)控[3]。

1 系統(tǒng)設計功能要求

（1）系統(tǒng)采用“PLC 控制+皮帶保護”的控制模式，共同完成系統(tǒng)的監(jiān)測、控制、查詢、打印、報警等工作，實現(xiàn)皮帶啟動時張力平衡及減少沖擊問題、運行緊急停車問題、故障或事故停車，本皮帶與其他皮帶以及相關設備順序聯(lián)鎖控制。

（2）2 臺控制主機設置地面監(jiān)控室內，必須采用雙機熱備的配置，配有60 Ah 超大容量的不間斷備用電源，確?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定運行。上位機顯示皮帶機信息圖，采用多層次的顯示方式，分別顯示保護狀態(tài)、運行狀態(tài)、故障記錄等信息。上位機監(jiān)視器圖形組態(tài)畫面采用平面效果工況圖。

（3）在地面皮帶集控室建立集中監(jiān)控調度系統(tǒng)，配置工業(yè)控制計算機和萬兆工業(yè)以太環(huán)網交換機。

（4）單獨建立皮帶集中控制系統(tǒng)的環(huán)網鏈路，通過5 條皮帶機的隔爆以太網交換機的鏈接，構成以太網環(huán)網。

（5）結合圖像監(jiān)視功能，在皮帶機機頭、機尾和卸載點安裝礦用隔爆高清網絡攝像儀，在皮帶調度室設置液晶大屏幕顯示，采用液晶顯示屏畫面拼接形式，顯示視頻圖像。

（6）在皮帶的各段監(jiān)測位置設置速度、縱撕、皮帶跑偏、堆煤、溫度、一氧化碳煙霧、張力等參數(shù)監(jiān)測傳感器，同時配置了低速打滑、自動灑水滅火等保護裝置。

2 系統(tǒng)設計框圖

系統(tǒng)由地面設備和井下設備兩部分組成，井下設備部分是由礦用隔爆型萬兆以太網交換機、PLC控制分站、各種檢測傳感器、隔爆型高清攝像儀、通信電話以及各種保護裝置等組成，控制器采集各種傳感器的檢測參數(shù)，通過交換機上傳監(jiān)控主機，再由監(jiān)控主機根據(jù)系統(tǒng)建模，做出對應的控制指令，經網絡系統(tǒng)下發(fā)給控制分站，再由相應的保護裝置根據(jù)指令進行動作。地面設備由監(jiān)控主機、網絡交換機、電源避雷器、后備電源等組成，主要是完成信息采集，綜合分析判定，下發(fā)相應指令，通過以太網網絡發(fā)送給其他終端設備。控制系統(tǒng)的設計框圖如圖1。

2.1 PLC 可編程控制分站

PLC 控制分站主要用于煤礦井下的皮帶運輸自動化控制系統(tǒng)，分站采用德國SIEMENS 的S7-300系列PLC 可編程控制器作為核心部件，充分利用其廣泛的適用性、高穩(wěn)定性、可擴展性以及強大的通訊功能，利用可編程軟件實現(xiàn)復雜的邏輯控制?？刂品终緝炔康妮斎牒洼敵鲂盘柵c電源之間必須是獨立的本安回路，一定要有可靠的隔離措施，從而保證與各種類型井下防爆設備的連接和匹配之間更加安全和可靠[4]?？刂品终揪哂? 路以太網百兆光纖端口，最大傳輸距離超過30 km，8 路CAN 總線輸入端口，30 路開關量輸入端口，21 路開關量輸出端口，控制執(zhí)行時間不大于2 s。

2.2 自動灑水滅火裝置

該裝置可與皮帶保護控制分站配套使用，也可單獨使用，主要用于井下降塵、降溫、滅火。其核心設備就是隔爆電磁閥，當皮帶運行溫度達到設定預警閾值后，系統(tǒng)下發(fā)打開裝置的指令，裝置收到指令打開電磁閥，裝置就能自動灑水。

2.3 隔爆型萬兆以太網交換機

由于系統(tǒng)主通信網絡采用工業(yè)以太環(huán)網結構，所以建立井下工業(yè)萬兆以太環(huán)網。采用由皮帶監(jiān)控數(shù)據(jù)、語音通話、視頻監(jiān)控“三網融合”的形式類協(xié)助皮帶運輸控制系統(tǒng)[5]。以太環(huán)網交換機采用符合工業(yè)以太網標準的井下網管型以太網交換機，配有4 個以太網萬兆光纖端口、4 個以太網千兆光纖端口、8 個百兆可復用的電口和光纖端口，支持Turbo Ring 和Turbo Chain（自愈時間＜20 ms），RSTP/STP 和MSTP 網絡冗余協(xié)議，增加骨干網絡的可靠性和可用性[6]。

2.4 隔爆網絡攝像儀

根據(jù)安全規(guī)程要求，需要安裝礦用隔爆網絡攝像儀15 套。具體位置分別在皮帶機頭、皮帶機尾、中間轉載和過橋部位。10 路工業(yè)電視圖像信號通過光纜采用以太網傳送，攝像儀采用高分辨率、超低照度、真彩色、紅外光源、18 倍變焦攝像儀，還應具備IP67 外殼防護等級的要求。

2.5 各種參數(shù)檢測傳感器

監(jiān)測皮帶運行狀態(tài)的傳感器包括一氧化碳煙霧傳感器、縱撕傳感器、溫度傳感器、跑偏傳感器、速度傳感器、堆煤傳感器、張力傳感器等[7]。這類傳感器都應采用CAN 總線傳輸方式，具備IP65 防護等級。具體的傳感器類型和技術參數(shù)見表1。

表1 傳感器類型和技術參數(shù)

3 系統(tǒng)軟件

3.1 主要功能

（1）管理功能

系統(tǒng)需要具備原始數(shù)據(jù)采集、儲存、報警、歷史數(shù)據(jù)分析、曲線生成、顯示、打印和查詢功能。制成皮帶機控制工藝流程，提供清晰、人性化的人機交互界面，界面友好，必須采用全中文顯示，符合操作人員習慣。畫面直觀生動地顯示各段皮帶機運行狀況的監(jiān)測值。根據(jù)安全規(guī)程的要求，管理人員的操作必須采用分級權限管理方式，禁止越權操作。

（2）畫面顯示功能

可以分成虛擬現(xiàn)實的圖像和列表顯示兩種模式，操作人員在控制室監(jiān)視各個設備的運行數(shù)據(jù)，并對皮帶機進行多項控制。顯示功能包括整個系統(tǒng)皮帶運行情況，每臺電機運行情況，皮帶保護故障屏蔽和解除、緊急停止皮帶機運行情況，每臺電機實時工作電流值、電壓值，故障報警值，電機運轉速度、溫度值等。

（3）通訊功能

上位機通過通訊電纜線，采用以太網TCP/IP電口的通訊協(xié)議，完成與現(xiàn)場控制分站通訊。

3.2 上位機軟件開發(fā)工具

IFIX 上位機控制軟件支持全球眾多的硬件控制， IFIX 可以免費提供大量的動態(tài)圖素以及動畫向導。它可以支持的圖形類型有：JPG、TIFF、ICO、BMP、WMF、PSD、CUR、PCX、WPG、EPS、DWG、DWF 等等。IFIX 提供了系統(tǒng)運行的過程可視化和數(shù)據(jù)通信，同時還具備許多高效簡潔的功能，為系統(tǒng)的開發(fā)人員提供必要的幫助。用戶采用填表的操作方式，在功能向導的指引下逐步完成預設的功能。

3.3 井下PLC 遠程編程

井下PLC 遠程編程軟件采用TIA Portal V16 編程軟件，是用于SIMATIC 可編程邏輯控制器的組態(tài)和編程的標準軟件包。它能夠為編程者提供多種常用的應用工具，比如：管理器、符號編輯器、硬件診斷、編程語言、硬件組態(tài)、網絡組態(tài)等。編程軟件可以對硬件和網絡實現(xiàn)組態(tài)，從而簡化編寫程序的過程[8]。所有監(jiān)控程序能夠實現(xiàn)在地面完成修改下發(fā)，即可以在監(jiān)控室對井下控制裝置內PLC 所有程序進行下載和上傳。

4 監(jiān)控平臺與人機交互界面

系統(tǒng)集成了硬件和軟件的功能，在1890 煤礦的主皮帶機、279 皮帶機、東主運皮帶機、1803 皮帶機和201 皮帶機五個皮帶運輸機進行了實際安裝應用。在地面軟件通過IFIX 平臺提供了大量的動態(tài)圖素，結合關聯(lián)的控制分站采集的傳感器數(shù)據(jù)，可以得到如圖2 所示的監(jiān)控畫面和圖3 所示的采樣分析曲線畫面。

圖2 皮帶運輸機監(jiān)控畫面

圖3 監(jiān)測實時曲線

5 結論

設計的井下皮帶運輸遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)降低了1890 煤礦原有的人工對運輸機各運行關鍵節(jié)點、保護裝置節(jié)點的監(jiān)測和控制的依賴，降低了井下人員的工作量，改善了勞動環(huán)境和強度，實現(xiàn)了皮帶運輸遠程集中監(jiān)控。從實際運行的效果來看，該遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計，完全能夠實現(xiàn)監(jiān)測定位皮帶運輸狀況，及時發(fā)現(xiàn)故障并自動采取保護措施，保障了皮帶運輸機的安全生產，從而為煤礦帶來更好的經濟和安全效益。