煤礦井下綜合自動化系統的設計

郭 強

（晉能控股煤業集團地煤公司益晟煤業， 山西 大同 037101）

引言

煤炭作為我國工業發展的主要能源，確保煤礦生產的安全、穩定顯得尤為重要。隨著電氣化和機械化程度的穩步推進，煤炭生產的自動化水平也逐漸提高，對開采及運輸安全性的要求也進一步提高。煤炭生產作為系統工程，其開采、運輸、洗選等各階段，都存在較大的安全風險，隨著計算機技術和傳感器技術的極大發展，有效提高了生產控制水平。因此，為提高煤炭生產效率，最大限度地控制煤炭生產環節的安全隱患，需要一套煤礦井下綜合自動化系統[1]。

1 綜合自動化系統功能要點

煤礦的生產主要經過原煤開采、破碎清潔、煤炭運輸和處理利用等階段，在井下開采過程中，需要開采設備、刮板輸送機、排水設備、排風設備等諸多機械的配合，并由煤礦配電系統提供電力支持[2]。因此，通過綜合自動化系統實現煤炭井下開采全生產鏈的管控，能夠對運輸、通風、排水和配電系統直接控制，便于快速響應。同時，提供全開采鏈條的安全監控和報警功能，對瓦斯、風量、溫度等關鍵環境信息能夠實時記錄，對產出量等關鍵煤炭生產信息能夠自動統計、存檔，有利于進行生產決策[3]。

2 綜合自動化系統結構組成

為實現對煤炭井下開采過程的管理，設計綜合自動化系統如圖1 所示，主要由信息層、控制層和設備層組成。以巷道排水系統為例，水泵、水位傳感器、總線控制器等設備層器件通過通信協議等規則有序組成，實現對井下水位的實時測量并自動排水，同時將相關信息上傳至監控與控制系統，實現數據可視化和遠程操作。輸送機控制及監控系統、配電控制系統和巷道通風系統的功能實現與排水系統類似，各系統共同完成采煤過程的綜合自動化管控[4-5]。

圖1 綜合自動化系統結構組成

3 綜合自動化控制系統設計

3.1 刮板輸送機控制及監控系統設計

刮板輸送機控制及監控系統如圖2 所示，全系統以PLC 為核心，在刮板輸送機工作過程中，PLC 通過通信協議控制變頻器改變電動機的轉速、加速度、功率等輸送狀態。同時，安裝在傳送帶各位置的傳感模塊可以通過對環境溫度、傳送帶運行速度以及傳感模塊所在位置等信息的分析，結合系統RS485 總線傳輸的電壓、電流監測數據，對傳送帶運行狀態作出判斷，PLC 綜合判斷出當前狀態后，經由煤礦井下路由器將信息傳至以太網，并實現對關鍵數據的顯示和分析，操作人員通過上位機可以實現對異常輸出模塊的控制，實現突發情況的快速處置及故障的快速排查。

圖2 刮板輸送機控制及監控系統設計

3.2 配電系統和排水系統設計

煤礦井下配電系統主要采用35 kV 變電站綜合自動化系統，便于進行集中監控。本系統接入監控系統，可以實現對各回路電力線路、電力開關柜運行狀態的監控。通過本系統可以完成負荷的投切轉換，以保證電力供應的穩定性。

在排水系統中，通過不同原理的多組水位傳感器的配合，及時掌握井下水位的情況。利用電容傳感原理和壓力傳感原理，實現對井下水位的實時測量，排水系統擁有專用的通道及控制閥，采用主備配合的方式，以確保主水泵發生故障時，備用水泵能夠及時啟動，水位保持在安全范圍內，確保人員安全。

3.3 通風系統設計

通風系統作為煤礦井下開采機械的重要組成部分，對保證人員安全發揮著至關重要的作用，其構成如圖3 所示，采用PLC 作為主控臺的核心器件，由配電系統提供的電源經高壓饋電開關柜轉換之后，經高壓轉向電制動切換柜，實現對通風系統的快速控制。通過安裝制動泵、潤滑泵站以及必要的外部端子，可以實現對電機的精確控制，減少運行阻力。可控制動力制動電源柜和輔助控制柜則可配合主控臺，便于提高控制的速度，降低系統運行風險。

圖3 通風系統設計

4 軟件系統設計

4.1 數據傳輸系統工作流程

為實現對煤礦井下刮板輸送機關鍵部位的溫度和速度測量，設計了傳感模塊工作流程，如圖4 所示。利用IAR 軟件，對其采集終端控制核心低功耗單片機進行編程，以確保能安全、穩定地傳輸傳感數據。

圖4 傳感模塊工作流程圖

在完成設備初始化之后，系統控制ZigBee 收發模塊CC2530 搜尋目標網絡，當完成網絡尋找后，申請加入并進行網絡綁定。速度測量之后，LM75A 進行環境溫度測量，并啟動定時裝置，定期發送目標數據幀，發送完成后進行判斷，若網絡斷開則停止發送過程，流程結束。在采集終端完成溫度加速度信息采集后，由PLC 核心控制部分實現數據傳輸與輸出，從而實現井下和地面數據的實時更新，確保監測數據準確無誤。

4.2 監測系統顯示界面設計

為實現煤礦井下綜合自動化系統對煤礦井下采煤過程的精確控制，通過安裝組態軟件KingView，可以實現數據可視化交互控制，綜合自動化系統監控界面如圖5 所示。

圖5 綜合自動化系統監控界面布局

該界面共分為功能菜單、參數曲線、系統狀態和其他菜單四個部分。其中功能菜單可以實現不同權限用戶的登陸、設置和當前數據保存、歷史數據查詢功能。參數曲線主要由環境溫度曲線、輸送機速度曲線和實時水位曲線三部分組成，實時顯示當前系統狀態及參數對應的節點，以便人員及時掌握各點信息，實現精確調度。系統狀態功能，可以直觀地掌握當前各系統的運行狀態，通過初始狀態、正常狀態、告警狀態、報警狀態等不同狀態顯示，對各系統分別進行控制。其他菜單功能，通過二級密碼驗證，可以調用相關操作控制功能，以實現對運輸系統、配電系統、排水系統和排風系統的直接控制，便于快速處置突發情況，盡可能減少人員財產損失。

5 結語

為實現對煤礦井下整體生產過程的管控，設計了基于信息層、控制層和設備層三層結構的綜合自動化系統。通過實時監控煤礦運輸、通風、排水及配電系統的狀態，實現對整個生產環節的管理。同時引入操作控制功能，極大地提高了故障處置的速度，有力地保障了煤炭生產的安全、穩定，對拓展智能控制系統，有一定的借鑒價值。