王建楠 李曉華，3 鄭功勛 王曉東 王春華

(1.貴州省煤礦設(shè)計研究院有限公司，貴州省貴陽市，550025;2.貴州省礦山安全科學(xué)研究院，貴州省貴陽市，550025；3.河南理工大學(xué)安全學(xué)院，河南省焦作市，454003)

貴州省煤炭儲量豐富，其中大多數(shù)煤礦是地下開采方式，主要應(yīng)用帶式輸送機進(jìn)行運輸，帶式輸送機已然成為煤礦生產(chǎn)中的大動脈，發(fā)揮著重要作用[1]。目前貴州省大多數(shù)煤礦的運輸系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場管理方式，每條帶式輸送機機頭配備1名司機和1名巡檢人員，帶式輸送機的啟停很多時候需要監(jiān)控室調(diào)度員通過電話來協(xié)調(diào)，而且經(jīng)常不能及時發(fā)現(xiàn)膠帶打滑、跑偏、斷裂和撕裂等情況，極大地影響了生產(chǎn)和安全。有人值守的控制方式大大增加了人工成本，并且由于人為因素的不確定性較大，可能會出現(xiàn)啟停帶式輸送機不及時而造成較大的經(jīng)濟損失和安全事故[2-3]。

為了滿足煤礦企業(yè)的需求，我國的煤礦科研工作者利用先進(jìn)的SCADE組態(tài)軟件技術(shù)和PLC技術(shù)成功的研發(fā)了一套智能化帶式輸送機系統(tǒng)。本文將結(jié)合已經(jīng)完成智能化帶式輸送機系統(tǒng)改造的大運煤礦對該系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，為其他同類型的礦山智能化建設(shè)提供參照，促進(jìn)貴州省煤礦機械化和智能化改造。

1 升級改造方案

1.1 現(xiàn)狀分析

本次帶式輸送機系統(tǒng)改造范圍為主平硐帶式輸送機和主斜井帶式輸送機，主平硐選用的帶式輸送機型號為DTL100/50/2×90，采用阻燃膠帶，寬度為1 m，速度為2.5 m/s，長度為705 m；主斜井帶式輸送機選用的帶式輸送機型號為DTL100/50/2×75，采用阻燃膠帶，寬度為1 m，長度為420 m；驅(qū)動系統(tǒng)選用2臺YBS-75型電動機，功率為75 kW。

(1)啟停調(diào)度現(xiàn)狀。每條帶式輸送機的機頭配備1名固定的司機，專門負(fù)責(zé)帶式輸送機的啟停，帶式輸送機開啟為順煤流喊話，逆煤流開啟，很多時候需要調(diào)度員電話調(diào)度。目前的帶式輸送機啟動方式自動化程度較低，且成本和勞動強度較大。

(2)保護系統(tǒng)現(xiàn)狀。煤流運輸沿線保護系統(tǒng)過于簡單，系統(tǒng)無通訊接口，無法融入控制系統(tǒng)中，自動化程度較低，故障發(fā)生時無法做到自動處理和及時停車，存在一定的安全隱患。轉(zhuǎn)載點堵煤等運行故障主要依賴人工檢測，不能在故障發(fā)生后立即停車，容易使故障擴大化。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

智能化帶式輸送機系統(tǒng)以PLC控制系統(tǒng)為核心，與上位機、防爆PLC控制站、帶式輸送機保護傳感器等組成PLC分布式監(jiān)控系統(tǒng)[4]。智能化帶式輸送機系統(tǒng)的架構(gòu)可以分4層，即傳感執(zhí)行層、控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和監(jiān)控信息層，其中以太網(wǎng)傳輸層屬于井下部分，監(jiān)控信息層屬于地面部分[5]。智能化帶式輸送機系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

(1)傳感執(zhí)行層。傳感執(zhí)行層包括帶式輸送機相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和命令的執(zhí)行，其采集和執(zhí)行功能是通過在帶式輸送機上安裝的相關(guān)傳感器(溫度、速度、載荷等8大傳感器)來實現(xiàn)。傳感器實時監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)和帶式輸送機的相關(guān)狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)膠帶跑偏或緊急情況時可以拉下急停開關(guān)，急停閉鎖帶式輸送機。

圖1 智能化帶式輸送機系統(tǒng)架構(gòu)

(2)控制層。該層主要由PLC控制系統(tǒng)組成，實現(xiàn)帶式輸送機的控制、設(shè)備運行信息的上傳及控制指令的執(zhí)行。一般是在帶式輸送機機頭安裝1臺控制箱，來實現(xiàn)接入設(shè)備的控制及相關(guān)信息的處理，應(yīng)用先進(jìn)的PLC編程軟件將程序?qū)懭隤LC，實現(xiàn)智能化控制功能，監(jiān)測帶式輸送機的狀態(tài)。

(3)網(wǎng)絡(luò)傳輸層。該層指的是工業(yè)環(huán)網(wǎng)，由井下環(huán)網(wǎng)交換機和地面環(huán)網(wǎng)交換機等組成，形成一個閉合的環(huán)，井下和井上通過環(huán)網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)和下發(fā)命令。

(4)監(jiān)控信息層。在集控室實現(xiàn)對帶式輸送機系統(tǒng)設(shè)備的實時監(jiān)測、集中控制和統(tǒng)一調(diào)度。

1.3 系統(tǒng)功能

1.3.1 控制功能

(1)遠(yuǎn)程控制。調(diào)度室操作員在集控室遠(yuǎn)程集中控制各帶式輸送機運行。地面調(diào)度室將命令經(jīng)環(huán)網(wǎng)下發(fā)到井下PLC控制器，自動按預(yù)定程序啟動帶式輸送機。

(2)就地自動控制。由井下操作員在控制箱上實現(xiàn)一鍵啟停單設(shè)備，此時帶式輸送機與前級存在聯(lián)鎖關(guān)系。

(3)就地手動控制。該控制方式將保護功能全部甩掉，使其處于離線狀態(tài)，便于檢修。

1.3.2 監(jiān)測保護功能

(1)具有煙霧、堆煤、跑偏、速度(打滑、超速)保護、溫度、沿線急停閉鎖等檢測保護功能以及傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示功能。

(2)帶式輸送機沿線需要安裝信號裝置，可實現(xiàn)帶式輸送機啟動報警、打點信號聯(lián)絡(luò)和語音通訊功能。

(3)地面和井下帶式輸送機機頭可實現(xiàn)語音對講功能。

1.3.3 系統(tǒng)管理功能

為了系統(tǒng)的安全運行，設(shè)置了操作系統(tǒng)登錄界面，針對不同職務(wù)的人員對其賬號設(shè)置不同的權(quán)限。

2 工程應(yīng)用實例

2.1 地面監(jiān)控系統(tǒng)

大運煤礦地面監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主備機、監(jiān)控軟件及服務(wù)器等組成。上位機軟件應(yīng)用的是目前最先進(jìn)的SCADA組態(tài)軟件[6]，該軟件有兩個層面(服務(wù)器層面和客戶端層面)，服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行監(jiān)測點數(shù)據(jù)的采集和處理(如單位轉(zhuǎn)換、報警檢測、計算、事件處理和儲存等)，客戶端體系結(jié)構(gòu)通過與服務(wù)器之間的通訊功能來獲取數(shù)據(jù)并用于人機交互，實時監(jiān)測傳感器的狀態(tài)，并可以進(jìn)行帶式輸送機啟停延時時間等參數(shù)的設(shè)置；客戶端界面上的高清數(shù)字?jǐn)z像頭可以實時監(jiān)控井下情況；服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)可以對運行的數(shù)據(jù)進(jìn)行長期的儲存，利用SCADA軟件在上位機上可以對歷史數(shù)據(jù)曲線和歷史事件進(jìn)行實時調(diào)取[7-8]。智能化帶式輸送機系統(tǒng)部分歷史曲線如圖2所示。

SCADA軟件可以根據(jù)需要，對操作界面上設(shè)備的顏色、尺寸、位置和形狀進(jìn)行修改。系統(tǒng)采用動畫的形式對設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行呈現(xiàn)，效果形象逼真、富有動感；在主界面中一般應(yīng)用不同的顏色表示設(shè)備不同的運行狀態(tài)，灰色表示未投入運行，綠色代表投入運行，紅色代表故障[9]；當(dāng)設(shè)備故障時系統(tǒng)界面會有語音報警和文字報警并顯示具體故障位置。智能化帶式輸送機系統(tǒng)主界面如圖3所示。

2.2 井下PLC控制系統(tǒng)

井下PLC控制系統(tǒng)主要由PLC控制箱、溫度傳感器、IP廣播(調(diào)度室可以直接與帶式輸送機機頭喊話)、堆煤傳感器(監(jiān)測皮帶上堆煤高度)、跑偏開關(guān)(檢測是否跑偏有一級和二級之分)、閉鎖開關(guān)、速度傳感器(檢測膠帶速度)、煙霧傳感器、噴水電磁閥、載荷裝置(監(jiān)測帶式輸送機上的煤流)等設(shè)備組成。PLC控制箱主要由觸摸屏、PLC模塊和輔助電器設(shè)備等組成。PLC部分由電源模塊、CPU、輸入模塊、輸出模塊和模擬量模塊組成。其作用是接收傳感器所采集的信號和發(fā)出命令信號，控制相關(guān)設(shè)備并采集滾筒溫度、帶式輸送機速度等數(shù)據(jù)。本次改造采用的是西門子公司生產(chǎn)的SIMATIC S-1200型PLC控制箱，該型號PLC是設(shè)計緊湊、節(jié)省空間、成本低廉且功能強大的模塊化控制器[10]。井下PLC調(diào)試應(yīng)用的是與西門子公司生產(chǎn)的PLC配套的博圖軟件(TIA Portal V14)，采用梯形圖(LAD)創(chuàng)建程序代碼。智能化帶式輸送機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 系統(tǒng)工作流程

2.3.1 就地自動控制

就地自動控制模式通過現(xiàn)場帶式輸送機機頭控制主機，現(xiàn)場操作控制模式旋鈕F4左旋至就地位置，此時智能化帶式輸送機系統(tǒng)控制界面右上角的狀態(tài)欄顯示“就地”，之后在旋轉(zhuǎn)開關(guān)旋鈕帶式輸送機一鍵啟停。

2.3.2 遠(yuǎn)程自動控制

現(xiàn)場操作控制模式旋鈕F4右旋遠(yuǎn)程位置，此時智能化帶式輸送機系統(tǒng)控制界面右上角的狀態(tài)欄顯示“遠(yuǎn)控”，此時操作員通過點擊帶式輸送機的啟動按鈕就可以啟動帶式輸送機。操作員可以根據(jù)帶式輸送機上的堆煤情況選擇帶式輸送機的啟動方式。

(1)逆煤流啟動。在主斜井帶式輸送機上有煤的情況下，為了防止順煤流啟動堆煤，一般選擇逆煤流啟動，即先啟動主平硐帶式輸送機，之后再啟動主斜井帶式輸送機。

(2)順煤流啟動。在主斜井帶式輸送機沒有存煤的情況下，為了節(jié)省電能，一般可以選擇順煤流啟動，即先啟動主斜井帶式輸送機，之后再啟動主平硐帶式輸送機。

操作員通過點擊帶式輸送機的停止按鈕，即可停止帶式輸送機。操作員可以根據(jù)需要選擇停止方式，一般選用順煤流停止。順煤流停止的時間根據(jù)膠帶長度除以膠帶速度計算，將計算好的時間在SCADA組態(tài)軟件智能化帶式輸送機系統(tǒng)主界面進(jìn)行設(shè)置，以確保帶式輸送機上不會留煤也不會空載。

2.3.3 無人值守

點擊“無人值守”按鈕，系統(tǒng)彈出確定窗口，例如主斜井帶式輸送機在“遠(yuǎn)控”狀態(tài)，點擊切換投入“無人值守”模式，此時主平硐帶式輸送機無煤后會自動停止，主斜井帶式輸送機運行并且有煤運輸?shù)綑C頭后會自動啟動主平硐帶式輸送機。

3 效益分析

2018年4月，大運煤礦對主平硐帶式輸送機和主斜井帶式輸送機進(jìn)行的智能化改造完成并正式運行。改造后的智能化帶式輸送機系統(tǒng)在社會效益、經(jīng)濟效益和煤礦安全等方面都為企業(yè)帶來了可觀的效益。在7個月的運行中處置了一起膠帶斷裂事故和多起膠帶跑偏事故；智能化帶式輸送機系統(tǒng)運行后減少了故障檢測時間，大大提高了工作效率，減少了運輸時間(根據(jù)統(tǒng)計大約減少18%的運輸時間)，提高了運輸效率。

3.1 社會效益

(1)智能化帶式輸送機系統(tǒng)提升了大運煤礦井下運輸系統(tǒng)的整體管理水平，促進(jìn)了同類型煤礦實施智能化礦山的進(jìn)程。

(2)智能化帶式輸送機系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，優(yōu)化了生產(chǎn)流程，提高了礦井自動化程度，進(jìn)一步改善了工人的勞動環(huán)境。

3.2 安全效益

智能化帶式輸送機系統(tǒng)運行后，建立了以安全和生產(chǎn)為中心的企業(yè)管理機制安全生產(chǎn)控制體系，加強了集團公司對下級企業(yè)的監(jiān)管力度，使安全和生產(chǎn)的投入效益發(fā)生最優(yōu)化，產(chǎn)生最大效益。

3.3 經(jīng)濟效益

智能化改造前，大運煤礦的帶式輸送機系統(tǒng)共需要現(xiàn)場工作人員12人，智能化改造后，帶式輸送機系統(tǒng)只需配備巡檢人員3人，按照每人月薪5000元計算，一年可節(jié)約工資54萬元，降低了人工成本。

4 結(jié)論與建議

(1)智能化帶式輸送機系統(tǒng)改造完成后，調(diào)度員和生產(chǎn)指揮人員能夠直觀、準(zhǔn)確地掌握煤流運輸過程的實際情況，便于調(diào)度指揮。系統(tǒng)對重要數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，為處理事故提供了真實依據(jù)，可有效指揮生產(chǎn)、處理和解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種問題和事故，達(dá)到了建設(shè)預(yù)期和建設(shè)目的。

(2)智能化帶式輸送機系統(tǒng)經(jīng)過長時間運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，提高了工作效率，降低了生產(chǎn)成本，從安全和經(jīng)濟方面都給企業(yè)帶來了可觀的效益，證明智能化帶式輸送機系統(tǒng)值得在煤礦企業(yè)中大力推廣。

(3)智能化帶式輸送機系統(tǒng)改造完成后，建議礦山企業(yè)至少配備具有一定的計算機和網(wǎng)絡(luò)知識人員3人和操作員3人，以便解決系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的常規(guī)問題和故障，保證系統(tǒng)安全高效運行。