煤礦井下安全架空乘人系統設計

張星波

（山西華陽集團新能股份有限公司一礦， 山西 陽泉 045008）

引言

煤炭是我國重要的能源資源，隨著煤炭開采機械化和自動化水平的不斷提高，對井下作業人員的安全也提出更高的要求。架空乘人裝置作為人員進出煤礦作業面的重要運輸設備，其安全性能尤為重要。傳統的運輸裝置管理效率低、運行不穩定、風險較高，難以適應人員安全運輸的需要[1]。PLC 技術因其操作簡單、運行穩定、可拓展性強等特點，在煤礦系統中得到廣泛應用，因此在架空乘人裝置中引入PLC 技術，具有重要意義[2]。

1 煤礦安全架空乘人系統及其現狀分析

某煤礦現有兩部架空乘人裝置，配備的安全保護裝置有全程緊急停車裝置、電動機過流過壓（欠壓）保護裝置、聲光信號裝置、上坡點掉繩保護裝置、油溫監測裝置、捕繩器裝置、固定吊椅防過擺裝置、鋼絲繩脫落保護裝置、重錘限位保護裝置、鋼絲繩斷繩保護裝置以及制動器動作失效和斷軸保護等保護裝置。

由于架空乘人裝置與軌道運輸系統同巷道布置，故設置電氣閉鎖，使兩種設備不得同時運行。礦井兩部架空乘人裝置控制系統建成時間較早，控制模塊、操作方式及保護系統較為落后，維護困難。設備運行均靠人工啟動和停止，并且未與工業環網互聯，不能實現設備的自動控制及基于監測結果的智能聯動功能，不能實現有人運行、無人停車功能。

因此，引入PLC 裝置，對架空乘人裝置控制系統進行智能化改造，增加相應的傳感器及控制箱，建設架空乘人裝置智能監控系統，利用工業環網接入礦井智能綜合管控平臺，實現設備的遠程集中控制[3]。

2 安全架空乘人系統改進方案

對現有的兩部架空乘人裝置的控制系統進行智能化改造，具體方案為：設備安設相應傳感器、執行器及控制器，地面數據中心部署架空乘人裝置智能管控平臺，通過架空乘人裝置遠程監控系統實現設備的自動控制，以及有人運行、無人停車功能。完善綜合保護裝置，使架空乘人裝置能夠根據監測結果實現綜合保護裝置的智能聯動，并將架空乘人裝置在線監測系統通過工業環網融入礦井綜合智能管控平臺，實現設備的遠程集中控制[4]。

3 安全架空乘人系統設計

3.1 安全架空乘人裝置系統架構

架空乘人裝置遠程監控系統整體設計采取“集中管理、分散控制”的模式。安全架空乘人系統如圖1所示，設計采用B/S 與C/S 混合構架，采用快速以太網拓撲結構，遠程監控系統分為三層，即遠程監控層、數據傳輸層和現場設備層。

圖1 安全架空乘人系統

3.2 安全架空乘人系統網絡結構設計

為實現安全架空乘人系統監控層和設備層之間的溝通，需進行網絡層設計，結合系統功能，安全架空乘人系統網絡結構設計如下頁圖2 所示。全系統核心為PLC 控制箱，當設備層紅外對射傳感器、攝像頭等感知到人員信息后，PLC 控制箱結合人工操作臺向機尾就地控制箱輸出控制信號，并將現場情況反饋至集控中心和調度大屏，方便地面人員及時掌握現場狀況[5-6]。

圖2 安全架空乘人系統網絡結構設計

配置一臺新的礦用防爆PLC 控制箱，采用S7-1200 控制器，更換原有的控制箱，接入原有的架空乘人裝置控制及保護系統，通過內置交換機集中上傳到遠程監控平臺。升級觸摸屏型操作臺，實現架空乘人裝置控制系統的就地操作及顯示，并在PLC中加入超速、欠速、油溫監測、張緊力下降、防脫繩、變坡點防掉繩、全程急停、防斷軸保護和鋼絲繩檢測等保護功能。

在地面數據中心設置一臺工控機用于集中控制及系統顯示，各架空乘人裝置控制箱通過以太網絡融入礦方工業環網，地面數據中心設有交換機，與工控機連接，共享各架空乘人裝置控制系統的數據，控制站制作組態畫面，直觀顯示兩部架空乘人裝置運行狀態、保護數據并實時顯示?？赏ㄟ^鼠標點擊組態軟件畫面，控制架空乘人裝置啟停，也可將視頻監控及組態畫面通過調度大屏顯示。

架空乘人裝置機尾新增一臺礦用隔爆就地控制箱機，控制箱內置S7-1200 系列控制器及交換機，在架空乘人裝置機頭及機尾各增加一套紅外對射裝置，分別接入機頭PLC 控制箱及機尾就地控制箱。通過紅外對射裝置感應是否有人乘車，從而實現架空乘人裝置有人運行、無人停車的自動啟、停功能[7]。

3.3 安全架空乘人裝置系統關鍵功能

安全架空乘人裝置主機可根據人員情況選擇閑時自動開停功能，節省電能、減少設備磨損，具有遠程手動運行模式、就地控制模式和遠程自動運行模式，并在平臺顯示控制畫面。當通過現場操作切換到遠控模式后，交由數據中心計算機進行無人值守和遠程控制，三種操作模式如下：

1）遠程手動運行模式，在上位機組態畫面上點擊啟動或停止。

2）就地控制模式，通過就地操作臺上按鈕進行啟動或停止，遠程與就地只允許一點啟動，多點停止，通過操作臺上的遠控或近控按鈕進行選擇，保證設備安全。

3）遠程自動運行模式，在完成地面控制時，利用紅外傳感器，完成人員的到位識別、設備開停的可靠控制，實現有人自動開車、無人自動停車的功能，保障設備有效節能。在上位機顯示各保護狀態，并配合原有沿線各項功能，構成完善的安全控制系統[8]。

4 安全架空乘人裝置軟件系統設計

為便于掌握系統動態，需進行監控及數據分析系統設計，系統界面及具體功能描述如圖3 所示。

圖3 安全架空乘人系統監控界面設計

安全架空乘人系統界面主要由功能菜單、操作控制、監控曲線、監測畫面和系統狀態等五部分組成。功能菜單完成用戶登陸、歷史數據查詢、系統設置和數據保存。監控曲線實時監測架空乘人裝置的運行參數（如開、停狀態、運行時間、主電機電流、電壓、功率、速度、驅動電機軸溫、三相定子溫度和變頻器等的主要運行參數）。監測畫面和系統狀態功能可以實時監測各保護裝置的狀態，具有聲光報警及聯動顯示功能，并能實現視頻聯動[9]。操作控制系統根據監測結果，實現綜合保護裝置的智能聯動，并具有數據處理功能?？勺詣油瓿筛飨到y的運行時間統計、啟動次數統計以及相關的邏輯故障分析，為設備的維護提供了指導性的數據。其中的報表統計功能，能夠實現系統按班次、日、月、季和年等統計報表并打印。系統具有故障診斷與預警功能，同時發出聲光故障報警，且具有故障報警記錄，可以隨時查閱故障報警信息，特殊情況下，對誤報警告信息可以屏蔽。系統具有權限管理功能，可添加或刪除管理人員，并對操作人員的賬戶、密碼和權限進行維護。實現上位機遠程控制和就地自動啟、停功能[10]。

5 結語

架空乘人裝置作為煤礦井下重要的人員運輸裝備，必須保證其安全穩定運行。因此，在研究原有系統的基礎上引入PLC、安全裝置及集成監控系統，實現遠程手動、就地手動、自動控制等三種模式的轉換，以實現對運輸啟停及過程的精確控制，大大提升了人員運輸的安全性和處置的速度，對提高煤礦安全生產具有重要意義。