基于雙網冗余通信的礦用帶式輸送機集控系統開發

于建軍

(山西焦煤 西山煤電集團, 山西 太原 030024)

礦用帶式輸送機是煤礦開采過程中至關重要的設備,用于完成礦井中原煤輸送的工作。帶式輸送機具有結構簡單靈活、運輸效率高的特點,可以適應復雜惡劣的井下工作環境。但是為了配合礦井巷道分布和走向,通常需要多部帶式輸送機配合,這些帶式輸送機的啟停傳統上需要各自的操作人員通過電話、對講設備聯絡溝通控制,不但效率低,而且存在安全隱患。同時,帶式輸送機人工沿線巡檢費時費力,也不利于礦井生產“少人則安、無人則安”的發展目標。為此,根據我國《“十四五”規劃綱要》和山西省對于煤礦生產裝備信息化、自動化、智能化發展的任務要求,設計和開發了基于PLC控制器的礦用帶式輸送機集中控制系統,實現多部輸送機的信息采集和集中控制,并對晉興能源斜溝煤礦的帶式輸送機設備進行改造升級,對所開發系統進行試驗。

1 集控系統網絡結構設計

帶式輸送機集控系統包括地面和井下部分。地面部分布置在煤礦地面調度中心,主要由兩臺操作分站組成;井下部分由PLC控制器、視頻攝像儀、4G通信主站和信息采集器組成。其中,信息采集器集成有4G通信模塊,通過4G模塊接入井下4G無線網絡,將數據上傳至4G通信主站。而地面調度中心操作分站、井下PLC控制器、視頻攝像儀、4G通信主站則通過有線網絡進行連接通信。

我國礦井中,井下工業環網建設已經相當成熟,可以連接井下設備和地面設備,完成數據信息向調度中心匯總、控制命令向現場下發等任務。同時,礦井設備也常用CAN總線、Profibus-DP總線等現場總線進行通信[1-2]. 井下工業環網、DP總線、CAN總線的特點對比見表1.

表1 通信方式特點對比表

由于地面調度中心操作分站與井下PLC控制器等設備距離很遠,不適宜采用CAN總線方式連接。DP總線和井下工業環網都可以滿足帶式輸送機集控系統的通信距離要求。但是,井下工業環網接入設備多,傳輸任務重,網絡環境復雜,存在實時性不夠好、可靠性不夠高的問題,難以完全滿足帶式輸送機集控系統的控制通信需求;而DP總線則帶寬較低,不能勝任視頻信號傳輸任務。為此,設計了帶式輸送機集控系統雙網冗余通信網絡。其中DP總線連接所有PLC控制器和地面操作分站,傳輸控制命令和關鍵狀態信息,組成DP控制專網;地面調度中心操作分站、井下PLC控制器、視頻攝像儀、4G通信主站分別通過相應位置的網絡交換機接入井下工業環網,對DP專網形成冗余備份,視頻信號和詳細狀態信息經井下工業環網傳輸,同時在DP專網中斷時進行控制命令的臨時傳輸,保證網絡連續性和通信可靠性。帶式輸送機集控系統網絡結構見圖1.

2 集控系統軟件開發

帶式輸送機集控系統位于地面調度中心的操作分站作為井下PLC控制器的上位機,向各個PLC控制器發送控制命令實現對各部帶式輸送機的集中控制;同時,操作分站對帶式輸送機的狀態信息、視頻信號進行匯總顯示。操作分站軟件滿足以下控制和信息顯示功能要求：

1) 上位機軟件由工藝監控界面、視頻監控界面、檢修巡視界面、參數設置界面、異常報警界面等組成。

2) 工藝監控界面和視頻監控界面可以顯示帶式輸送機工況的模擬畫面或視頻畫面,并可以顯示出帶式輸送機電機電流、電壓、功率、頻率、繞組溫度、軸承溫度等傳感器實時參數。

3) 工藝監控界面和視頻監控界面可以對各部帶式輸送機進行啟動、停車控制,并具有設備和輔機集中聯鎖一鍵啟動、一鍵停車功能。

4) 參數設置界面可以設置帶式輸送機的張緊參數、軟啟動加速度、停車抱閘臨界速度等工作參數[3]和各傳感器參數異常報警閾值。

5) 異常報警界面可以在帶式輸送機工況異常時自動彈出報警信息、顯示異常狀態量或堆煤、煙霧、二級跑偏、縱撕、制動故障、張緊故障等故障狀態,并具有一鍵急停功能。

6) 檢修巡視界面可以顯示帶式輸送機工況的模擬畫面或視頻畫面、狀態參數,并具有指定單條皮帶低速驗帶運行功能。

為實現上述功能,選用了vSphere集成容器軟件環境開發上位機軟件。vSphere是一種云端和本地相結合的負載部署和運行維護平臺。開發的帶式輸送機集控系統上位機軟件,利用vSphere平臺的虛擬化特性,實現了集控系統軟件的快速部署和安全防護,并降低了后續維護和升級的難度。調度中心上位機人機界面示意圖見圖2.

圖2 調度中心人機界面示意圖

如圖2,集控系統各個軟件界面可以分別顯示在多個顯示屏上,也可以在一塊顯示屏上以獨占、畫中畫、分屏等方式顯示,并根據需要隨時切換前臺界面和后臺界面。所開發的集控系統軟件實際界面見圖3.

3 信息采集器設計

帶式輸送機長度長、組成部件多,狀態信息采集有一定困難。因此,設計了多種方式對不同來源、位置的狀態信息進行采集,以適應帶式輸送機工況、提高采集效率、降低操作難度。

帶式輸送機機頭是主要部件所在位置和就地操作主要位置,集控系統PLC控制器安裝在機頭位置,輸送機電機作為主要被檢對象,也安裝在機頭位置。因此,針對帶式輸送機機頭、給煤機等布置有PLC控制器的位置,設計布置了有線傳感器,對輸送機電機電流、電壓、功率、頻率、繞組溫度、軸承溫度等進行采集。

針對遠離PLC控制器的位置,由于距離長、范圍大,布置傳感器存在通信困難、數量多、成本高等問題,開發了移動式的信息采集設備,搭載傳感設備對帶式輸送機各部位進行巡檢和信息采集[4-6].

3.1 智能巡檢機器人

帶式輸送機坡道段,尤其是主井皮帶段人行困難,事故影響范圍大、后果重,設計了智能巡檢機器人進行自動巡檢。智能巡檢機器人行走在帶式輸送機沿線加裝的軌道上[7].

智能巡檢機器人主要由云臺攝像頭、傳感設備、數據處理單元、4G通信模塊、鋰電池和行走部組成,其傳感設備搭載有拾音器、煙霧感應器、紅外溫度感應器、甲烷傳感器、電壓感應管理芯片等。智能巡檢機器人組成結構見圖4.

圖4 巡檢機器人結構示意圖

通過攝像頭和傳感設備,智能巡檢機器人可實現如下功能：

1) 巡檢機器人通過攝像頭對帶式輸送機沿線進行攝影和攝像,彌補固定攝像儀覆蓋死角,并由數據處理單元對拍攝圖像進行圖像識別處理,識別漏水、漏油、跑偏等故障并報警。

2) 拾音器采集現場聲音,由數據處理單元濾波并對其頻譜進行分析,提取特征量,識別帶式輸送機震動、轉速、負載等信息,對帶式輸送機運行狀況進行監測,對于異常狀況進行報警。

3) 煙霧感應器、溫度傳感器、甲烷傳感器分別監測現場煙霧、設備溫度、甲烷濃度,對采集到的數據進行上傳、存儲,并進行超限報警。

4) 電壓感應管理芯片監測機器人供電鋰電池組的供電電壓情況,并在電量不足時發出信號,使機器人自動返回基站充電,同時記錄巡檢日志,充電完成后進行斷點續檢。

5) 巡檢機器人除對帶式輸送機沿線進行計劃巡檢外,也可在集控系統上位機分析判斷帶式輸送機故障時,自動前往預測故障位置進行定點檢測,同時也可以人工操作其對指定位置和區域進行巡檢。

3.2 人工點檢儀

針對帶式輸送機平直段,為了平衡設備成本,采用手持式點檢儀進行人工巡檢。相比于智能巡檢機器人,人工點檢儀精簡了運行軌道、行走部、攝像頭等硬件,成本和重量均大幅度降低。

人工點檢儀同樣具有拾音器、煙霧感應器、紅外溫度感應器、甲烷傳感器等傳感設備和4 G通信模塊,可以對沿線數據進行采集、上傳,并進行超限報警。

4 晉興能源斜溝煤礦帶式輸送機控制系統改造

晉興能源斜溝煤礦具有兩條主斜井,分別服務上下兩個水平、7個采區。上水平11采區下運帶式輸送機服務11采區,12采區上運帶式輸送機服務12采區,+700 m北翼一部、二部、三部帶式輸送機及15采區下運帶式輸送機服務小井15采區,+700 m南翼帶式輸送機服務正在開拓的13采區。5路集中帶式輸送機將4個采區采掘面生產的原煤運輸至8#煤井底煤倉,再經1#主斜井強力帶式輸送機運輸至1#上倉帶式輸送機,最后經1#上倉刮板輸送機運輸至地面原煤倉。下水平21采區下運帶式輸送機服務21采區,將21采區采掘面生產的原煤運輸至13#煤井底煤倉,再經2#主斜井強力帶式輸送機運輸至2#上倉帶式輸送機,最后經2#上倉刮板輸送機運輸至地面原煤倉。1#主斜井和2#主斜井煤流示意圖和帶式輸送機布置情況見圖5.

圖5 斜溝煤礦帶式輸送機布置情況和煤流示意圖

針對該礦帶式輸送機在井下分布情況,將開發的帶式輸送機集控系統設備布置到井下各點位,在各部皮帶機頭增加PLC控制器,對原有的PLC控制器進行程序升級或設備替換。PLC控制器布置情況見表2. 根據井下巷道實際情況,布置視頻攝像儀,布置點位見表3.

表2 PLC控制器布置情況表

表3 視頻攝像儀布置情況表

將全部設備在地面調度中心和井下布置到位后,經過試驗,證明系統在調度中心操作分站上實現了對斜溝煤礦全部帶式輸送機的集中控制,并實現了以下控制功能：

1) 集中遠程控制。接收來自調度中心的起車和停車指令,在地面操作分站上操作,全部帶式輸送機自動按順序起動、運行、聯鎖與保護、停車,完成整個皮帶及相關輔機的集中聯鎖起車,對整個起停過程進行控制和監測,可調試完成順起順停,以利節能。

2) 單機遠程控制。在調度中心控制指定帶式輸送機啟動或停車。

3) 急停控制。當調度中心發出一鍵急停命令,或系統檢測到帶式輸送機出現緊急停車故障如急停閉鎖、堆煤、煙霧、二級跑偏、縱撕、制動故障、張緊等時,系統自動控制主電機立即停止運行,待皮帶速度降至參數設定值時,控制抱閘,實現緊急停車。

4) 就地控制。由井下司機根據生產要求在就地操作臺發出開、停車指令,同時將信息上傳反饋至地面調度中心。

應用該帶式輸送機集控系統后,斜溝煤礦的全套帶式輸送機控制人員由原有的每套輸送機配備2—3名操作人員,轉變為由2名專職司機加4名技術骨干組成的6人操作小組,分別進行調度中心集中控制和井下沿線巡檢工作,操作人員減少20余人。同時,一鍵啟停集中控制功能使得啟動和停車時間大幅降低,提升了生產效率。另外,在系統試運行過程中,計劃外停車時間相較于系統應用前也有所減少。

5 結論與展望

針對礦用帶式輸送機啟停配合困難、操作人員多、生產效率不夠高等問題,設計了一套礦用帶式輸送機集中控制系統,達成了地面調度中心對井下帶式輸送機的全面狀態監測、視頻監控、集中控制和一鍵啟停,并利用冗余雙網提高了通信網絡的可靠性;同時開發了一套智能巡檢機器人設備,實現了帶式輸送機沿線自動巡檢、信息采集和報警功能。系統在晉興能源斜溝煤礦進行工業試驗和試運行,減少了該礦帶式輸送機操作工人數量,提高了啟停速度,降低了計劃外停車時間,達到了減人增效的目的。

在系統設計過程中,為了平衡設備成本、人力成本和監測效果,采用了有線傳感器、智能機器人巡檢和人工點檢儀巡檢相結合的信息采集方式。在進一步的研究中,應用物聯網技術,開發低成本、長續航的無線傳感器,對帶式輸送機沿線進行全面感知,可以進一步降低設備成本、減少巡檢人員,實現生產效率和生產安全性的進一步提升。