基于綜合智能管控平臺的主運皮帶集控系統(tǒng)設(shè)計

王玉福

（開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 063018）

0 引 言

隨著工業(yè)自動化技術(shù)、人工智能（Artifical Intelligent，AI）、機器視覺等先進(jìn)技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于機器視覺、變頻器技術(shù)、計算機技術(shù)、巡檢機器人和長距離通信等技術(shù)的礦井運輸皮帶集中控制系統(tǒng)已經(jīng)成為煤礦企業(yè)的智能化生產(chǎn)環(huán)節(jié)中建設(shè)的重要環(huán)節(jié)[1]。

主運集控系統(tǒng)將皮帶控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、AI視頻監(jiān)控系統(tǒng)有機地融合到一起，按要求定制最優(yōu)化的皮帶機啟動方式。系統(tǒng)對皮帶的控制信號、傳感器信號等進(jìn)行采集、處理，控制皮帶設(shè)備的運行，通過太網(wǎng)接口與上位監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、集中處理，上位系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)儲存、模擬顯示、故障報警等功能。

1 建設(shè)需求

主運集控系統(tǒng)建設(shè)需求如下所述。

（1）系統(tǒng)保護(hù)功能齊全、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）配置合理、節(jié)能控制技術(shù)先進(jìn)、維護(hù)簡單易行。

（2）將皮帶控制、皮帶保護(hù)、無線通信、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)有機融合，能夠根據(jù)煤流大小、方向、煤倉煤位進(jìn)行煤流均衡自動控制，順煤流啟動、逆煤流停止，實現(xiàn)無人值守和遠(yuǎn)控功能。

（3）實現(xiàn)“有煤開車、無煤停車”。

（4）根據(jù)料流傳感器的反饋信號，運用變頻器技術(shù)實現(xiàn)“煤多快轉(zhuǎn)、煤少慢轉(zhuǎn)”，提高工作效率，減少皮帶的機械磨損，節(jié)省電能。

（5）實現(xiàn)減員增效，只需留下少量的巡檢人員。

（6）配置有效的設(shè)備保護(hù)，減少事故發(fā)生，延長設(shè)備的使用壽命。

（7）與綜合智能管控平臺對接，實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制。

（8）與供水監(jiān)測系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、智能AI系統(tǒng)等融合聯(lián)動。

2 系統(tǒng)設(shè)計

按智能化建設(shè)要求，主運皮帶智能化控制系統(tǒng)通過井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)接入綜合智能管控平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，融合聯(lián)動。在地面集控中心設(shè)置皮帶遠(yuǎn)程集控平臺，與綜合智能管控平臺對接，能夠?qū)崟r監(jiān)測皮帶運輸系統(tǒng)運行工況，實時顯示堆煤、煙霧、縱撕、跑偏、自動灑水、安全監(jiān)測、人員定位以及電機工況等信息，具備信息存儲、展示、查詢、管理、統(tǒng)計以及打印等功能[2]。

系統(tǒng)實時采集井下皮帶運輸系統(tǒng)的運行狀況，并能執(zhí)行遠(yuǎn)程控制操作。集控平臺上根據(jù)操作需求能夠顯示環(huán)境、設(shè)備運行狀態(tài)、相關(guān)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的預(yù)警信息，有助于管理人員執(zhí)行相應(yīng)的操作，實現(xiàn)井下皮帶運輸系統(tǒng)的集中監(jiān)測、智能控制、保護(hù)顯示及報警、視頻聯(lián)動、音頻聯(lián)動、機器人巡檢與沿線通話以及故障檢測等功能。對皮帶運輸系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制時，對皮帶的運行狀態(tài)、電機電壓、電流等運行參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，具備超限報警功能。給煤機加裝控制模塊，自動控制給煤量，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制[3]。

2.1 智能化集控設(shè)置

本設(shè)計中皮帶智能化集控系統(tǒng)能夠接入綜合智能管控平臺，實現(xiàn)主運皮帶集控系統(tǒng)與安全生產(chǎn)中的安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員位置監(jiān)測系統(tǒng)、供水監(jiān)控系統(tǒng)、供電自動化系統(tǒng)、智能AI系統(tǒng)等充分融合，實現(xiàn)全面感知、數(shù)據(jù)共享、設(shè)備實時協(xié)同聯(lián)動控制。

2.1.1 地面集控室

集控系統(tǒng)在地面集控中心設(shè)置監(jiān)控工控機運行上位機監(jiān)控軟件，對皮帶運輸系統(tǒng)實現(xiàn)基于綜合智能管控平臺的遠(yuǎn)程集中控制。平臺具備遠(yuǎn)程操作皮帶運輸系統(tǒng)功能，并集中在線監(jiān)測皮帶工況參數(shù)，具有分析與報警功能，監(jiān)測數(shù)據(jù)可進(jìn)行存儲、展示、查詢、管理，提供圖表、統(tǒng)計、信息打印輸出以及保護(hù)試驗功能等功能。系統(tǒng)各畫面內(nèi)容充實，功能區(qū)域劃分合理、方便操作，設(shè)備、設(shè)施采用圖形化方式展現(xiàn)，圖形簡單大方，能夠形象地反應(yīng)各設(shè)備、設(shè)施狀況[4]。

2.1.2 皮帶運輸機控制

在帶式輸送機機頭分別設(shè)置PLC防爆箱、控制臺各1臺，防爆箱采用立式快開門結(jié)構(gòu)，方便現(xiàn)場維修。電控系統(tǒng)控制核心采用西門子公司PLC，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場傳感器的數(shù)據(jù)及狀態(tài)，控制變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)皮帶的運行速度，達(dá)到根據(jù)皮帶運送煤炭的有無、多少來實現(xiàn)皮帶節(jié)能運行的目的?？刂葡漕A(yù)留以太網(wǎng)接口，可以與上位監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、集中處理。上位系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)儲存、模擬顯示、故障報警等功能，滿足現(xiàn)場的就地控制和遠(yuǎn)程集中控制。

控制系統(tǒng)采用數(shù)字通信技術(shù)、智能控制技術(shù)、終端感知技術(shù)、智能視頻識別技術(shù)以及信息推送等多種新技術(shù)融為一體，對礦井帶式輸送機及其配套設(shè)備的運行狀態(tài)、運行過程進(jìn)行實時監(jiān)測、綜合保護(hù)和優(yōu)化控制，實現(xiàn)膠帶機智能保護(hù)（包括打滑/超速、急停、人員保護(hù)等）、智能控制、智能聯(lián)動、智能調(diào)速，實現(xiàn)煤流運輸?shù)臒o人化，提高煤礦的智能化水平和運營管理水平，實現(xiàn)系統(tǒng)的無人值守[5]。

2.1.3 傳感器

針對皮帶距離較長情況，拉線急停需要加裝中繼電源。分別在機頭機尾的煤倉各安裝礦用本安型雷達(dá)物位傳感器，實時檢測煤倉煤位。

通過檢測安裝在皮帶的受料點附近的料流圖像識別裝置信號，實時監(jiān)測皮帶上的煤量的大小，通過與變頻器配合使用可實現(xiàn)物料大小與皮帶速度實時在線調(diào)速的功能。

通過檢測安裝在皮帶受料點附近的礦用輸送帶縱向撕裂圖像識別報警裝置，實現(xiàn)視頻分析功能。當(dāng)監(jiān)控主機檢測到輸送機表面劃傷、縱撕等故障時，能立刻語音報警，并輸出報警信號，保證皮帶運行[6]。

2.2 智能AI

皮帶機頭、機尾或給煤機處安裝視覺設(shè)備（視覺堆煤、視覺縱撕、視覺料流、視覺異物以及水煤檢測等），安裝不同的位置可起到不同的作用。

在輸送機的上方安裝有礦用攝像儀及激光發(fā)射器，礦用攝像儀實時采集皮帶圖像，利用三維重建技術(shù)實時構(gòu)建皮帶載荷體積變化，利用結(jié)構(gòu)光立體視覺方法使用標(biāo)準(zhǔn)的光柵條紋結(jié)構(gòu)（激光）光投射到物體表面，投影光條跟隨物體表面形狀的起伏而發(fā)生變化，攝像機拍攝物體表面圖像，從被物體表面形狀所調(diào)制了的條紋模式中，提取出物體的三維體積，然后經(jīng)軟件處理運算后得出當(dāng)前皮帶上物料體積，實現(xiàn)對煤流的實時檢測。

2.3 巡檢機器人

按預(yù)設(shè)巡檢路線對相關(guān)區(qū)域、設(shè)施、設(shè)備進(jìn)行巡檢，對環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)施情況、設(shè)備工況等信息進(jìn)行采集，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化篩選、分析，以實現(xiàn)環(huán)境、設(shè)施異常情況和設(shè)備故障的診斷、預(yù)警等功能。機器人通過各種傳感器實時采集現(xiàn)場的圖像、聲音、煙霧等信息，上傳到集控中心，監(jiān)測到異常工況時自動預(yù)警，并顯示預(yù)警內(nèi)容。在皮帶巷適當(dāng)位置加裝巡檢機器人充電電源，根據(jù)自身電量情況，實現(xiàn)自主充電或換電功能。

2.4 系統(tǒng)融合

增加定位分站，分別在皮帶機頭、機尾的位置增加定位分站，實時顯示進(jìn)入機頭和機尾的人員信息。調(diào)用供水監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實時了解滅塵用水的供應(yīng)及供水壓力情況，實現(xiàn)供水中斷自動報警。調(diào)用安全監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，在控制主界面上顯示實時的甲烷、溫度等信息。

2.5 長距離通信

應(yīng)用井下皮帶長距離通信專用裝置，將沿線RS485通信改為CANopen通信、延長通信距離、縮短通信時間。每千米加裝數(shù)據(jù)中繼裝置，有效解決長距離皮帶通信受限問題。

3 主要功能

3.1 視頻聯(lián)動功能

皮帶運輸沿線搭接點、裝載點安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并將視頻監(jiān)控系統(tǒng)與集中控制系統(tǒng)聯(lián)動，進(jìn)行相應(yīng)操作時，能夠?qū)?yīng)的視頻信號自動在集控上位機監(jiān)視畫面彈窗顯示，同時也可以將相應(yīng)視頻圖像自動投放到監(jiān)控拼接大屏，支持場景聯(lián)動、預(yù)置位聯(lián)動、隨動聯(lián)動等多種聯(lián)動方式[7]。

3.2 語音聯(lián)動功能

實現(xiàn)地面監(jiān)控室與井下皮帶沿線直接語音通話、廣播等功能，支持全域廣播、組播和點對點通信、SD卡語音播放、在線語音播放。布設(shè)在井下皮帶巷的音箱具備區(qū)域擴(kuò)播功能，可以直接與地面監(jiān)控室語音通信。系統(tǒng)啟動、保護(hù)動作時監(jiān)控上位機與現(xiàn)場同步播報，具體到故障皮帶名稱、故障類型、故障識別號信息。

3.3 故障分析功能

集控系統(tǒng)能自動判斷停車原因，包括電機保護(hù)故障停車、皮帶保護(hù)故障停車、現(xiàn)場停車、閉鎖停車、集控停車、自動停車、流程停車以及系統(tǒng)急停等。電機保護(hù)故障能具體到故障原因，皮帶保護(hù)故障具體到故障的位置[8]。

3.4 記錄統(tǒng)計及報表功能

具備運行時間統(tǒng)計與查詢、運行記錄統(tǒng)計與查詢、操作記錄統(tǒng)計與查詢、故障記錄統(tǒng)計與查詢、歷史記錄查詢等功能，各種記錄查詢內(nèi)容以excel表格形式顯示，可以直接導(dǎo)出保存或打印，各種記錄存儲時間保留不少于一年[9]。

3.5 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測功能

集控系統(tǒng)數(shù)據(jù)、視頻傳輸通過集控平臺的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測組件，能實現(xiàn)對PLC、觸摸屏、服務(wù)器、攝像儀等接入設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)監(jiān)測，當(dāng)有設(shè)備掉電或者網(wǎng)絡(luò)故障時，集控平臺能自動彈出報警[10]。

4 結(jié) 論

智能化皮帶集控設(shè)計整體解決方案將皮帶控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)有機地融合到一起，具有保護(hù)功能齊全、拖動技術(shù)先進(jìn)、整個系統(tǒng)節(jié)能、設(shè)備無功損耗最低、所需操作維護(hù)人員最少的優(yōu)勢，為煤礦用戶減員增效、節(jié)能降耗和確保生產(chǎn)安全奠定穩(wěn)固的基礎(chǔ)。

系統(tǒng)接入礦井綜合智能管控平臺，實現(xiàn)全面感知、數(shù)據(jù)共享、設(shè)備實時協(xié)同聯(lián)動控制，為智慧礦山的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。