充填開采物料輸送自動控制系統

孫奇志

（開灤集團有限責任公司技術中心，河北 唐山 063000）

0 引 言

隨著礦井的持續開采，礦井儲量正迅速減少，可利用儲量日趨枯竭[1-4]。另外，現有的煤礦中，大部分礦井田范圍地表為數量眾多且高密度的建筑物，導致了嚴重的壓煤問題。本文以唐山礦業公司為例，在剩余可采礦井中，三下（建筑下、鐵路下和水體下） 壓煤所占的比例高達79.7%。同時，洗煤廠煤矸石年產量巨大，煤矸石在地表大面積的堆放不僅破壞和浪費土地資源，而且嚴重污染環境[5]。“三下”壓煤、煤矸石處置和環境保護成為唐山礦面臨的三大難題，對最大限度的挖掘儲量資源，延長礦井壽命，保證礦井可持續發展具有十分重要的意義[6]。

煤礦充填工藝是近年來發展起來的一項高效、環保、安全的煤礦開采技術，能夠有效的解決我國在煤炭開采中存在的諸多問題。實施充填開采，可以消除矸石山對生態環境的污染，有效遏制了地表沉陷，保護地表和地下水資源，避免了地面基礎設施和建筑物損毀和村莊搬遷。李克針對煤礦充填材料的制備展開研究并形成了一套自動化控制系統[7]；李建民等針對輸送與充填同步控制系統展開研究，但該研究僅僅只針對物料的輸送和計量展開，其精度和效率有待提升，并且沒有形成于一套全流程的自動化控制系統[9]；鄧興全等針對金礦制備了一套充填自動控制系統，實現開采自動化、數字化[10]。

基于上述煤礦區存在的問題和現有解決方法的不足，以唐山礦為研究對象，研發并優化了一套充填開采物輸送自動控制系統，主要從以下2 個方面研究：開發煤礦充填開采輔助管理系統客戶端，顯示皮帶秤數據、雷達物位計數據、矸石配比預警、配比指令；建設皮帶監控系統，完成開采區出煤方向多條膠帶機自動化控制，接入進矸方向集控箱，實現統一集中控制。

1 系統的硬件平臺設計

煤礦充填開采物料輸送自動控制系統的硬件平臺設計以技術先進、系統實用、結構合理、產品主流、低成本、低維護量為原則，整體規劃系統硬件構架。硬件平臺建設分為3 層架構，包括礦用隔爆兼本安型信息傳輸分站和監控分站、網絡平臺集成及布線、地面監控中心，最終形成從地面到井下穩定的數據采集及傳輸系統。

硬件平臺由地面和井下設備組成，系統地面設備主要有監控主機、備用機、UPS 電源、計算機軟件（包括操作系統、中心站軟件、應用程序及其存貯介質） 以及打印機、遠程終端等；井下設備主要由KJJ660 礦用型隔爆網絡交換機、DXB660/220 礦用隔爆型電源箱、KJ586-F 礦用隔爆兼本安型信息傳輸主站、KJ586-F1 礦用隔爆兼本安型膠帶運輸監控分站、傳感器、執行器（含斷電器）、接線盒及通信光纜及電纜等組成。

該平臺采用PLC 作為主處理器，設計上采用了模塊化結構。硬件簡單合理，增強了整體的抗干擾能力和可靠性。該平臺采用急停開關、溫度傳感器、堆煤傳感器、撕裂傳感器、信號轉換器、煙霧傳感器、速度傳感器、電磁閥等設備對帶式輸送機沿路進行保護，將采集的信號送入可編程控制器進行運算判斷處理。當帶式輸送機在運行時出現超溫、跑偏、打滑等故障時，控制器輸出控制端通過子輸出控制信號對電磁啟動器進行開停控制，電磁啟動器的開停控制灑水裝置或皮帶電機的啟停，在實現安全制動的同時，實時將現場信息在上位機上顯示，通過聲光報警的方式報告異常信息。系統連接圖如圖1 所示。

圖1 硬件平臺系統連接Fig.1 Hardware platform system connection

1.1 信息傳輸

KJ586-F 礦用隔爆兼本安型信息傳輸分站是依據相關的煤炭行業標準要求設計生產，用于實現模擬量和開關量的采集和繼電器輸出控制功能。

信息傳輸分站內置高性能西門子PLC，能夠實時進行數據的采集、處理和傳輸。通訊方式采用TCP/IP 方式（用于和配套的交換機通信） 和CONTROLNET（用于和配套的監控分站和顯示屏通信）。信息傳輸分站可置于煤礦井下，用于監測井下各種環境參數、設備開停狀態等，實現對被控電氣設備的起動、斷電以及閉鎖的控制。如圖2 所示。

圖2 信息傳輸原理Fig.2 Information transmission principle

1.2 數據監控

數據監控分站的原理是將現場的開關量、模擬量信號采集到可編程控制器內，信息傳輸分站的CPU 對數據監控分站采集的信息進行讀取、存儲、處理等操作，然后對分站發送控制信號；分站將收到的控制信號通過數字量輸出模塊控制繼電器輸出，從而啟動或停止膠帶電機的啟動和停止，達到控制現場設備開停的目的。

數據監控分站由控制網模塊、數字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入模塊組成。模擬量輸入模塊的功能是實時采集相關參數，開關量模塊的功能是顯示、控制設備狀態等，各種輸入/ 輸出信號的采集、輸出、儲存和轉發均需要通過信息傳輸分站內的CPU 編程實現。數據監控分站監控原理如圖3所示。

圖3 數據監控原理Fig.3 Data monitoring principle

1.3 應用設計

系統接入唐山礦8 煤層矸石主運集控系統，通過采集計量數據，指導矸石來料的配比。系統提供控制要求，由混矸集控室實現矸石按比例混合。

根據唐山礦實際情況，硬件平臺需要增設的設備包括膠帶運輸監控站、皮帶秤設備3 套、煤位計2 套、皮帶沿線保護傳感器等。3 套皮帶秤設備分別安裝在264 皮帶機頭、3 號膠帶機皮帶機尾和6 號膠帶機皮帶機頭；煤位計分別安裝在投料井下口矸石倉、214 主矸石倉；雷達物位計安裝在投料井、分選矸石倉。各增設設備安裝位置如圖4 所示。

圖4 系統計量傳感器設備安裝位置Fig.4 Installation position of system metering sensor equipment

2 系統軟件功能設計

基于Windows 系統和組態軟件平臺進行系統開發。軟件采用多層次的Client/Server 結構，利用PowerBuilder 等進行前端的開發，數據庫服務器采用SQL Server 等，并為數據庫管理系統提供多種數據接口。

2.1 開發架構設計

煤礦充填開采物料輸送自動控制系統是在皮帶集控、電子稱計量和礦壓信息監測專業應用平臺的基礎上，基于網絡技術實現相應的專業應用。系統整體基于組態軟件開發，實現高效的交互軟件平臺開發，平臺中的Active X 控件的強大功能，可以有效彌補其他語言圖形處理能力的不足，并能在瀏覽器中實現網頁圖形編輯。圖形平臺負責將各種系統數據以圖形化的方式展現出來，具備靈活的二次開發接口。平臺的人機界面（HMI） 和WEB 發布功能選用性價比優秀的KingView6.55 組態軟件，使用更簡潔，功能強大。

2.2 監測數據與系統集成

系統分析設計時，充分考慮信息管理平臺的應用性和功能性。系統平臺分為充填響應、備矸集成、電子稱計量、礦壓監測、視頻聯動、數據統計分析和充填預警7 個功能模塊。

系統可以實現設計編程、操作診斷等全過程組態應用，采用統一的圖形窗口，采用面向對象的設計，使得使用者可以輕松上手。實現了數據庫的統一，項目中的符號、變量等也保持一致。模塊化的設計使得系統操作更加清晰直接。

由于數據傳輸采用Internet 網絡技術，因此需要嚴格保證數據管理安全，需要對用戶權限進行嚴格限制。系統采用用戶層、操作系統層等5 層安全數據控制構架，具體構架如圖5 所示。

圖5 系統數據安全控制體系Fig.5 System data security control system

3 系統應用

利用唐山礦業公司煤礦生產現場對研發的系統進行驗證。結合唐山煤業公司現有混矸系統，投入在線檢測設備皮帶稱、矸石倉雷達物位計和網絡攝像頭，通過上位機軟件實現粗細矸石配比的監控和預警。對出煤方向膠帶機自動控制并接入運矸方向集控箱，實現出煤皮帶的就地、集中、遠程控制，并檢測出煤皮帶實時數據。對進矸方向設備集中、遠程控制。

用戶登錄后進入系統的主界面，如圖6 所示。其中導航條包括充填響應、備矸響應、電子稱計量、視頻監控、數據分析、用戶登陸、用戶注銷、退出系統。

圖6 系統主界面Fig.6 System main interface

系統的功能界面可以顯示該系統的整體工藝。系統可以在界面中實時顯示相應設備的動態信息及運行參數（圖7），調度員可以通過系統及時查看相應的實時數據。

圖7 皮帶參數信息顯示Fig.7 Display of belt parameter information

備矸響應系統的功能界面可以顯示該系統的井上及井下設備的所有工藝流程，如圖8 所示。設備的運行狀態會實時在系統中進行顯示，設備的運行參數也會同步進行更新顯示，在備矸響應系統中可以隨時計算并查詢“粗細矸量比”，并據此進行“粗細矸量設定”，實現混矸設備聯合控制。

圖8 備矸集成界面Fig.8 Integrated interface of gangue preparation

皮帶稱流量的實際應用效果如圖9 所示，可以準確顯示備矸量、進矸量和出煤量。

圖9 皮帶稱流量的應用Fig.9 Application effect diagram of belt weighing flow

系統可以實時動態監視矸石、原煤中皮帶電子稱的運行狀態、流量、班產量、日產量、月產量、累積量等數據信息，如圖10 所示。

圖10 電子稱計量界面Fig.10 Electronic weighing interface

在實際生產中的夯實壓力數據會在系統中進行精確的顯示，如圖11 所示。

圖11 夯實壓力數據Fig.11 Compact pressure data

自動控制系統可以查看生產實際中的出煤進矸比例，提升了工作效率，如圖12 所示。

圖12 進矸出煤量Fig.12 Incoming gangue and outgoing coal

通過在實際礦井中的使用結果顯示，充填開采物輸送自動控制系統的有效性和實用性都得到了有效的驗證。自動化設備及系統的應用會使出煤方向減少4 個崗位工人，實現充填開采的數字化、智能化。

4 結 語

為解決煤礦區現有的“三壓”、煤礦伴生資源利用率等問題，本文基于唐山礦的具體情況，研究了一套充填開采物料輸送自動控制系統。系統可以實現更加精確的物料輸送，并實現充填數據的實時精確計算。系統實現了物料的實時管理，備矸的查詢及使用預測，并能分析出煤進矸比例、異常預警等功能。系統實現了物料的充填、輸送全流程的自動控制。