煤礦主副井提升機一體化智能集控技術研究

張紅偉

（棗莊礦業(yè)（集團）濟寧七五煤業(yè)有限公司，山東 濟寧 277600）

國內礦山行業(yè)已經(jīng)發(fā)展到一個特殊階段：設備自動化程度不斷提高，設備操作人員工作簡化，但人員費用隨社會發(fā)展不斷提高，使減員增效成為現(xiàn)實的迫切需求；另一方面，設備網(wǎng)絡化程度越來越高，光纖網(wǎng)絡、5G 及云平臺等技術得到廣泛應用，在安全得到保證、技術手段完善的前提下，遠程監(jiān)控和控制的做法被普遍接受。隨著國家智能化礦山建設政策的大力推行，礦井提升機的智能化、無人化、信息化是必然的發(fā)展趨勢。提升機作為礦山咽喉設備，近年來無人化一直是關注焦點，提升機的無人值守勢必帶來安全運行、設備監(jiān)控等問題，安全平穩(wěn)運行必須具有完善的安全保護和安全聯(lián)鎖，提升機必須能夠進行遠程的全面監(jiān)控；設備健康狀態(tài)診斷也非常重要，除了提升機電控設備、液壓設備檢測，還有對于電機、軸承、減速器等設備的溫度、振動檢測，其數(shù)據(jù)分析、故障定位、預警報警、智能化是進一步發(fā)展的方向。

1 研究內容和方法

根據(jù)智能化需求推動遠程集中控制技術快速發(fā)展，主井提升機負荷穩(wěn)定且工況單一，無人值守較副井更易實現(xiàn)，西門子公司最早在國內煤礦有主井機房無人值守應用案例。國內知名電控廠家都在進行主、副井無人值守相關研究，隨著近幾年技術的成熟，在國內金屬礦山主、副井提升機上已開展無人值守的應用，特別是金屬礦多水平副井電梯式無人值守減員增效效果顯著。而煤礦礦井提升機及井筒裝備的智能化和無人化也在蓬勃的開展，該方案融合了當前先進的實時以太網(wǎng)技術、自動化控制及檢測技術、無線通訊技術，方案的實施在國內礦井提升機方面處于技術前沿水平。

本系統(tǒng)囊括了諸如實時以太網(wǎng)、運動控制、分布式自動化、故障安全以及網(wǎng)絡安全等當前自動化領域的先進技術的PROFINET 新一代工業(yè)以太網(wǎng)技術的自動化總線標準，采用西門子S7-1500 系列PLC 的PROFINET 實時以太網(wǎng)技術，在主井機房增加傳感、可編程、視頻及網(wǎng)絡設備，完善現(xiàn)有提升機檢測和監(jiān)控，通過光口交換機連接主井機房及副井機房，主井所有數(shù)據(jù)通過光纖遠程連接至副井機房及調度中心，實現(xiàn)主井全自動運行，機房無司機值守，在調度中心或副井機房遠程監(jiān)控主井提升系統(tǒng)。

在調度中心安裝計算機工作站。主、副井控制升級改造完畢后將主、副井所有數(shù)據(jù)通過光纖遠程連接至調度中心。利用原電視墻、專業(yè)操作站和核心工業(yè)交換機，記錄、分析、存儲所有上傳的提升機運行數(shù)據(jù)，并通過智能化軟件系統(tǒng)監(jiān)控2 臺提升系統(tǒng)的運行狀況和安全信息，進行遠程管理及維護，可實現(xiàn)故障自動預警、報警。

本系統(tǒng)將實現(xiàn)主井提升機全自動運行和集中監(jiān)控管理，保證設備運轉穩(wěn)定，減少崗位工數(shù)量，降低人工成本，提高系統(tǒng)信息化和智能化。

調度中心工作站監(jiān)控軟件基于SIMATIC WinCC(Windows Control Center)—視窗控制中心，它是第一個使用最新的32 位技術的過程監(jiān)視系統(tǒng)，具有良好的開放性和靈活性。內置操作和管理功能，可簡單、有效地進行組態(tài)；可基于Web 持續(xù)延展，采用開放性標準，集成簡便。

智能傳感檢測技術，包含利用溫度、振動、位移、煙霧、視頻等傳感技術，以及上端采集嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術，邊緣計算技術。

系統(tǒng)集成技術，即綜合以上技術，對提升系統(tǒng)優(yōu)化設計、完成控制程序及軟件組態(tài)開發(fā)的能力。

2 項目技術方案

2.1 技術路線

礦井主副井提升機一體化智能集控系統(tǒng)研發(fā)技術路線如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡架構示意圖

2.2 系統(tǒng)總體設計

2.2.1系統(tǒng)設計原則

（1）系統(tǒng)的可靠性原則。提升機自動化系統(tǒng)在滿足工藝要求的基礎上能長期穩(wěn)定運行，并具有抗各種干擾的能力，滿足電磁兼容性和安全性的要求：所提供的系統(tǒng)軟件是當今國際計算機控制領域公認的、穩(wěn)定可靠的、工業(yè)標準的實時操作系統(tǒng)和相應的系統(tǒng)軟件：系統(tǒng)配置的通信網(wǎng)絡、過程控制系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件和標準的商用軟件具有高容錨能力；所提供的設備符合工業(yè)標準，所有部件具有較強的抗電磁及無線電干擾能力。

（2）系統(tǒng)的先進性原則。控制系統(tǒng)采用的硬件或軟件，均采用目前最先進的產(chǎn)品和成熟的軟件版本且在其他現(xiàn)場應用可靠，并考慮到更先進、成熟的產(chǎn)品和軟件版本出現(xiàn)時，能與現(xiàn)在采用的產(chǎn)品和軟件保持兼容。

（3）系統(tǒng)的實用性原則。以實用性為原則，設計實用、可靠、便于維護的控制系統(tǒng)，設計的控制功能應以節(jié)能降耗、減員增效為目標。

（4）系統(tǒng)的易維護性原則。系統(tǒng)易于維護，操作簡便。

（5）系統(tǒng)的可擴展性原則。系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)軟件和應用軟件均具有靈活的擴展能力。以保證在工廠擴建或改造時，滿足工廠對控制系統(tǒng)的擴容需求。

（6）系統(tǒng)的開放性原則。控制系統(tǒng)采用開放的網(wǎng)絡體系結構，符合ISO 的有關通信標準。要便于以后納入MES 系統(tǒng)、ERP 系統(tǒng)之中，系統(tǒng)支持OPC 協(xié)議,并包含授權,未來可以直接實現(xiàn)MES 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。

2.2.2 系統(tǒng)建設主要內容

系統(tǒng)內容主要包含三大部分：提升機集中控制、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和無線對講系統(tǒng)。主井無人值守操作臺布置于副井操作室，操作臺集成提升機控制和裝卸信號監(jiān)控于一體；操作員站上位監(jiān)控系統(tǒng)配置2 臺工控機能對主副井提升系統(tǒng)進行監(jiān)控和數(shù)據(jù)顯示，對各級故障進行報警及診斷，對重要數(shù)據(jù)進行歸檔記錄。視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過在主井機房、電控室、配電室等處增加攝像頭、升級交換機等設備，完善主井視頻監(jiān)控系統(tǒng)，為主井無人值守提供條件。在主副井分別配置1 套無線通訊系統(tǒng)，便于箕斗和罐籠檢修，系統(tǒng)包含無線基站和手持機等，井底和井口基站之間用原有的視頻光纜。

2.2.3 方案預期目標

礦井主副井共計包含2 臺提升機，各自獨立運行，其中主井為全自動運行，機房每班1～2 名司機。通過提升機自動化監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)設計及實施，可實現(xiàn)以下預期目標。

（1）主井無人值守

完善或重建現(xiàn)有提升機的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)電控系統(tǒng)同配套系統(tǒng)配合的全自動無人值守運行。主井實現(xiàn)遠程全自動開車，機房無司機操作，只需遠程監(jiān)視系統(tǒng)工作狀態(tài)即可。

（2）計算機集中監(jiān)控

在副井車房安裝計算機集中監(jiān)控工作站，工作站按照統(tǒng)一模式設計，包括設計、生產(chǎn)和安裝等。主、副井控制升級改造完畢后，將主、副井所有參數(shù)連接到集控室，在中控室可以做到一鍵啟動停止和緊急停止。在集控室配置提升機專業(yè)操作站，與核心工業(yè)交換機通過網(wǎng)線連接，記錄、存儲所有上傳到集控中心的提升機運行數(shù)據(jù)，通過WINCC 軟件顯示每一臺提升系統(tǒng)的運行狀況和安全信息，實現(xiàn)對每一臺提升機的集中監(jiān)測和控制。

（3）智能化管理

實現(xiàn)提升機設備自動化控制和計算機集中監(jiān)控及管理，保證設備運轉穩(wěn)定，提高設備臺效，減輕工人的勞動強度，減少現(xiàn)場崗位工數(shù)量，改善工人的工作環(huán)境，降低人工成本。

提高系統(tǒng)信息化和智能化，能夠提供設備運行異常的早期預警指示及設備故障原因的查詢服務，能及時定位發(fā)生故障的設備位置或故障產(chǎn)生的基本原因，提供最直接、最可靠的故障判斷依據(jù)及基本的數(shù)據(jù)庫服務。

2.2.4 集控系統(tǒng)主要技術要求

（1）主井提升機在能實現(xiàn)全自動運行的基礎上，在副井操作室設置1 套主井無人值守操作臺，具備遠程監(jiān)控提升與裝卸載狀態(tài)，具有提升機自動、半自動、慢動操作模式，手動、檢修、故障開車等操作需在主井操作室進行，使主井在正常運行時能夠實現(xiàn)無人值守，同時在副井操作室配置視頻服務器及顯示器，通過視頻協(xié)助監(jiān)控主井提升機及裝載站與運行狀態(tài)。

（2）在調度中心配置主副井監(jiān)控計算機，能夠遠程監(jiān)控主、副井提升運行狀態(tài)，同時配置40 寸工業(yè)電視及視頻服務器，接入現(xiàn)有的工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)設備，分屏顯示主副井的視頻畫面。

（3）通訊方式主要通過專業(yè)交換機、Profinet 網(wǎng)絡通訊，具備傳輸速率快等特點。

2.2.5 集控系統(tǒng)設備主要技術要求

（1）主井無人值守操作臺

該操作臺布置于副井操作室，結構合理，設計人性化，方便在副井完成監(jiān)控。操作臺集成提升機控制和裝卸載信號監(jiān)控于一體。內置西門子公司S7PLC，采用Profinet網(wǎng)絡通訊，并配置必要的專業(yè)交換機。操作臺主要配置如下。

采用2 套15 寸觸摸屏，分別顯示提升機運行狀態(tài)和裝卸載及信號系統(tǒng)狀態(tài)，便于操作或監(jiān)控人員監(jiān)控。

①配置專業(yè)光電交換機，用于PLC 通訊；

②操作站／操作模式選擇開關；

③速度選擇開關；

④液壓站等輔機設備集中控制按鈕；

⑤提升機啟停按鈕；

⑥過卷復位、安全復位、急停等按鈕；

⑦故障報警聲光指示等。

（2）操作員站上位監(jiān)控系統(tǒng)

操作員站配置1 臺3KVA 在線式UPS 不間斷電源，電源故障時可以Oms 切換到后備電池模式，為上位監(jiān)控系統(tǒng)提供備用電源，保證系統(tǒng)可以實現(xiàn)可靠的監(jiān)控、診斷、歸檔功能。

上位機選用2 套CPU17-8550、8G 內存（預留插槽以后可擴展）、1T 硬盤帶DVD-ROM 光驅、防水鍵盤及鼠標、27 寸液晶顯示器。分別監(jiān)控主、副井提升機狀態(tài)。操作員能對主、副井提升機系統(tǒng)運行狀態(tài)（主井含裝卸載運行狀態(tài)）進行監(jiān)控和數(shù)據(jù)顯示，對各級故障進行報警及診斷，對重要信息進行歸檔記錄。具有與PLC 系統(tǒng)通訊接口，可對PLC 編程和監(jiān)視。具有以太網(wǎng)接口，能夠上傳提升監(jiān)控參數(shù)。

上位監(jiān)控軟件可實現(xiàn)以下功能。

①提升系統(tǒng)動、靜態(tài)畫面生成。（如提升機設備概況、高低壓配電開關狀態(tài)、提升機系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)、速度動態(tài)曲線、電流動態(tài)曲線、提升容器位置動態(tài)顯示、制動油壓的動態(tài)顯示、幫助文本等。

②故障報警顯示、記錄，能顯示和打印故障發(fā)生位置、時間、原因、故障解除時間等。

（3）主井煙霧報警系統(tǒng)

在主井絞車房配置煙霧檢測箱，采ET200 子站，通過PLC 收集傳感器信號。在主井絞車房配電室、電控柜、操作臺、主電機、滾筒等處上方安裝煙霧傳感器（傳感器具體分布位置根據(jù)現(xiàn)場實際調整），以便對現(xiàn)場易發(fā)生火災區(qū)域實現(xiàn)全方位煙感監(jiān)控，為提升系統(tǒng)安全運行及人身安全提供重要保障。

煙霧報警傳感器采用高靈敏度煙感器，信號接入電控系統(tǒng)，可將現(xiàn)場煙霧報警信息上傳至提升機電控系統(tǒng)。在發(fā)生火災后以聲光報警的形式顯示出來，上位監(jiān)控系統(tǒng)也能具體顯示出準確起火地點，并記錄報警時間。

2.2.6 視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要說明

通過在主井機房、電控室、配電室、煤樓等處增加攝像頭、交換機（升級現(xiàn)有交換機）等設備，完善主井視頻監(jiān)控系統(tǒng)，為主井無人值守提供條件，實現(xiàn)在主井、副井操作室均能監(jiān)控主井提升環(huán)境及裝卸載畫面，同時視頻記錄能夠實現(xiàn)存儲14 天左右，并將主副井視頻信號通過光纖傳入調度中心。

2.2.7 無線通訊系統(tǒng)

無線系統(tǒng)便于箕斗和罐籠檢修，具有無線通訊、手持對講等。在主副井分別配置1 套無線語音通訊系統(tǒng)，包括無線基站、手持機等，能夠實現(xiàn)機房、井口、提升容器、井底之間互相語音通訊。

3 關鍵技術與創(chuàng)新點

3.1 系統(tǒng)解決的關鍵技術

本系統(tǒng)創(chuàng)新開發(fā)主副井一體化運行模式，優(yōu)化主井提升流程，實現(xiàn)主井提升系統(tǒng)、裝卸載系統(tǒng)的自動化運行并有效提升效率，采用以太網(wǎng)、Profinet 通訊等技術實現(xiàn)主井提升在副井操作室的遠程監(jiān)控。

（1）遠程集中監(jiān)控

通過以太網(wǎng)、遠程訪問，采用WINCC 上位監(jiān)控軟件，實現(xiàn)主、副井提升系統(tǒng)的遠程監(jiān)控、故障診斷、智能管理。

（2）井筒無線語音對講系統(tǒng)開發(fā)

采用基于光纖級聯(lián)，支持802.11b/g/ n 定向AP,布置無線基站、交換機、服務器，采用手持對講機實現(xiàn)無線對講，有效解決過往井筒中信號盲區(qū)。

3.2 創(chuàng)新點

（1）基于無線定向AP 的對講技術的應用開發(fā)

以往主、副井井筒檢修，井口100m 以下檢修人員無法和提升車房聯(lián)系，檢修難度大，采用無線定向AP，通訊距離≮600m，實現(xiàn)井筒全程覆蓋，對講清晰。

（2）安全可靠主、副井的集中自動化控制系統(tǒng)開發(fā)

主、副井提升系統(tǒng)根據(jù)礦井的實際需求，可開發(fā)提升機控制系統(tǒng)專用軟件，滿足礦井提升機各種工藝及功能需求，具有完善的邏輯控制、安全聯(lián)鎖、保護功能和自動化控制，實現(xiàn)主井自動化運行，副井同時具備該功能。同時實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

4 系統(tǒng)應用

通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及無線對講系統(tǒng)的使用，該系統(tǒng)將實現(xiàn)提升機設備自動化控制一體化運行和計算機集中監(jiān)控及管理，保證設備運轉穩(wěn)定，提高設備臺效，進一步提升主副井提升機系統(tǒng)設備自動化程度，大幅提高系統(tǒng)信息化和智能化水平，能夠提供設備運行異常的早期預警指示及設備故障原因的查詢服務，能及時定位發(fā)生故障的設備位置或故障產(chǎn)生的基本原因，提供最直接、最可靠的故障判斷依據(jù)及基本的數(shù)據(jù)庫服務，同時使設備操作人員工作變得簡單，有效降低職工的勞動強度，實現(xiàn)減人提效。在無人化改造這一領域，市場容量巨大，將會催生數(shù)億級的電氣自動化、智能化應用領域，同時帶動其他領域的無人化和智能化應用和研究，對綠色、智能、高效發(fā)展現(xiàn)代化礦山建設具有重要意義。