于建軍

(山西焦煤 西山煤電集團(tuán), 山西 太原 030024)

礦用帶式輸送機(jī)是煤礦開(kāi)采過(guò)程中至關(guān)重要的設(shè)備,用于完成礦井中原煤輸送的工作。帶式輸送機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活、運(yùn)輸效率高的特點(diǎn),可以適應(yīng)復(fù)雜惡劣的井下工作環(huán)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(jī)配合,這些帶式輸送機(jī)的啟停傳統(tǒng)上需要各自的操作人員通過(guò)電話、對(duì)講設(shè)備聯(lián)絡(luò)溝通控制,不但效率低,而且存在安全隱患。同時(shí),帶式輸送機(jī)人工沿線巡檢費(fèi)時(shí)費(fèi)力,也不利于礦井生產(chǎn)“少人則安、無(wú)人則安”的發(fā)展目標(biāo)。為此,根據(jù)我國(guó)《“十四五”規(guī)劃綱要》和山西省對(duì)于煤礦生產(chǎn)裝備信息化、自動(dòng)化、智能化發(fā)展的任務(wù)要求,設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了基于PLC控制器的礦用帶式輸送機(jī)集中控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)多部輸送機(jī)的信息采集和集中控制,并對(duì)晉興能源斜溝煤礦的帶式輸送機(jī)設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí),對(duì)所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。

1 集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)包括地面和井下部分。地面部分布置在煤礦地面調(diào)度中心,主要由兩臺(tái)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(guò)4G模塊接入井下4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò),將數(shù)據(jù)上傳至4G通信主站。而地面調(diào)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(guò)有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接通信。

我國(guó)礦井中,井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)相當(dāng)成熟,可以連接井下設(shè)備和地面設(shè)備,完成數(shù)據(jù)信息向調(diào)度中心匯總、控制命令向現(xiàn)場(chǎng)下發(fā)等任務(wù)。同時(shí),礦井設(shè)備也常用CAN總線、Profibus-DP總線等現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通信[1-2]. 井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)、DP總線、CAN總線的特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1.

表1 通信方式特點(diǎn)對(duì)比表

由于地面調(diào)度中心操作分站與井下PLC控制器等設(shè)備距離很遠(yuǎn),不適宜采用CAN總線方式連接。DP總線和井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)都可以滿足帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)的通信距離要求。但是,井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)接入設(shè)備多,傳輸任務(wù)重,網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜,存在實(shí)時(shí)性不夠好、可靠性不夠高的問(wèn)題,難以完全滿足帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)的控制通信需求;而DP總線則帶寬較低,不能勝任視頻信號(hào)傳輸任務(wù)。為此,設(shè)計(jì)了帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)雙網(wǎng)冗余通信網(wǎng)絡(luò)。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(guān)鍵狀態(tài)信息,組成DP控制專網(wǎng);地面調(diào)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(guò)相應(yīng)位置的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)接入井下工業(yè)環(huán)網(wǎng),對(duì)DP專網(wǎng)形成冗余備份,視頻信號(hào)和詳細(xì)狀態(tài)信息經(jīng)井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)傳輸,同時(shí)在DP專網(wǎng)中斷時(shí)進(jìn)行控制命令的臨時(shí)傳輸,保證網(wǎng)絡(luò)連續(xù)性和通信可靠性。帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.

2 集控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)位于地面調(diào)度中心的操作分站作為井下PLC控制器的上位機(jī),向各個(gè)PLC控制器發(fā)送控制命令實(shí)現(xiàn)對(duì)各部帶式輸送機(jī)的集中控制;同時(shí),操作分站對(duì)帶式輸送機(jī)的狀態(tài)信息、視頻信號(hào)進(jìn)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(jī)軟件由工藝監(jiān)控界面、視頻監(jiān)控界面、檢修巡視界面、參數(shù)設(shè)置界面、異常報(bào)警界面等組成。

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

3) 工藝監(jiān)控界面和視頻監(jiān)控界面可以對(duì)各部帶式輸送機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、停車控制,并具有設(shè)備和輔機(jī)集中聯(lián)鎖一鍵啟動(dòng)、一鍵停車功能。

4) 參數(shù)設(shè)置界面可以設(shè)置帶式輸送機(jī)的張緊參數(shù)、軟啟動(dòng)加速度、停車抱閘臨界速度等工作參數(shù)[3]和各傳感器參數(shù)異常報(bào)警閾值。

5) 異常報(bào)警界面可以在帶式輸送機(jī)工況異常時(shí)自動(dòng)彈出報(bào)警信息、顯示異常狀態(tài)量或堆煤、煙霧、二級(jí)跑偏、縱撕、制動(dòng)故障、張緊故障等故障狀態(tài),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(jī)工況的模擬畫面或視頻畫面、狀態(tài)參數(shù),并具有指定單條皮帶低速驗(yàn)帶運(yùn)行功能。

為實(shí)現(xiàn)上述功能,選用了vSphere集成容器軟件環(huán)境開(kāi)發(fā)上位機(jī)軟件。vSphere是一種云端和本地相結(jié)合的負(fù)載部署和運(yùn)行維護(hù)平臺(tái)。開(kāi)發(fā)的帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)上位機(jī)軟件,利用vSphere平臺(tái)的虛擬化特性,實(shí)現(xiàn)了集控系統(tǒng)軟件的快速部署和安全防護(hù),并降低了后續(xù)維護(hù)和升級(jí)的難度。調(diào)度中心上位機(jī)人機(jī)界面示意圖見(jiàn)圖2.

圖2 調(diào)度中心人機(jī)界面示意圖

如圖2,集控系統(tǒng)各個(gè)軟件界面可以分別顯示在多個(gè)顯示屏上,也可以在一塊顯示屏上以獨(dú)占、畫中畫、分屏等方式顯示,并根據(jù)需要隨時(shí)切換前臺(tái)界面和后臺(tái)界面。所開(kāi)發(fā)的集控系統(tǒng)軟件實(shí)際界面見(jiàn)圖3.

3 信息采集器設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度長(zhǎng)、組成部件多,狀態(tài)信息采集有一定困難。因此,設(shè)計(jì)了多種方式對(duì)不同來(lái)源、位置的狀態(tài)信息進(jìn)行采集,以適應(yīng)帶式輸送機(jī)工況、提高采集效率、降低操作難度。

帶式輸送機(jī)機(jī)頭是主要部件所在位置和就地操作主要位置,集控系統(tǒng)PLC控制器安裝在機(jī)頭位置,輸送機(jī)電機(jī)作為主要被檢對(duì)象,也安裝在機(jī)頭位置。因此,針對(duì)帶式輸送機(jī)機(jī)頭、給煤機(jī)等布置有PLC控制器的位置,設(shè)計(jì)布置了有線傳感器,對(duì)輸送機(jī)電機(jī)電流、電壓、功率、頻率、繞組溫度、軸承溫度等進(jìn)行采集。

針對(duì)遠(yuǎn)離PLC控制器的位置,由于距離長(zhǎng)、范圍大,布置傳感器存在通信困難、數(shù)量多、成本高等問(wèn)題,開(kāi)發(fā)了移動(dòng)式的信息采集設(shè)備,搭載傳感設(shè)備對(duì)帶式輸送機(jī)各部位進(jìn)行巡檢和信息采集[4-6].

3.1 智能巡檢機(jī)器人

帶式輸送機(jī)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(shè)計(jì)了智能巡檢機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)巡檢。智能巡檢機(jī)器人行走在帶式輸送機(jī)沿線加裝的軌道上[7].

智能巡檢機(jī)器人主要由云臺(tái)攝像頭、傳感設(shè)備、數(shù)據(jù)處理單元、4G通信模塊、鋰電池和行走部組成,其傳感設(shè)備搭載有拾音器、煙霧感應(yīng)器、紅外溫度感應(yīng)器、甲烷傳感器、電壓感應(yīng)管理芯片等。智能巡檢機(jī)器人組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4.

圖4 巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)攝像頭和傳感設(shè)備,智能巡檢機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)如下功能：

1) 巡檢機(jī)器人通過(guò)攝像頭對(duì)帶式輸送機(jī)沿線進(jìn)行攝影和攝像,彌補(bǔ)固定攝像儀覆蓋死角,并由數(shù)據(jù)處理單元對(duì)拍攝圖像進(jìn)行圖像識(shí)別處理,識(shí)別漏水、漏油、跑偏等故障并報(bào)警。

2) 拾音器采集現(xiàn)場(chǎng)聲音,由數(shù)據(jù)處理單元濾波并對(duì)其頻譜進(jìn)行分析,提取特征量,識(shí)別帶式輸送機(jī)震動(dòng)、轉(zhuǎn)速、負(fù)載等信息,對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)于異常狀況進(jìn)行報(bào)警。

3) 煙霧感應(yīng)器、溫度傳感器、甲烷傳感器分別監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)煙霧、設(shè)備溫度、甲烷濃度,對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳、存儲(chǔ),并進(jìn)行超限報(bào)警。

4) 電壓感應(yīng)管理芯片監(jiān)測(cè)機(jī)器人供電鋰電池組的供電電壓情況,并在電量不足時(shí)發(fā)出信號(hào),使機(jī)器人自動(dòng)返回基站充電,同時(shí)記錄巡檢日志,充電完成后進(jìn)行斷點(diǎn)續(xù)檢。

5) 巡檢機(jī)器人除對(duì)帶式輸送機(jī)沿線進(jìn)行計(jì)劃巡檢外,也可在集控系統(tǒng)上位機(jī)分析判斷帶式輸送機(jī)故障時(shí),自動(dòng)前往預(yù)測(cè)故障位置進(jìn)行定點(diǎn)檢測(cè),同時(shí)也可以人工操作其對(duì)指定位置和區(qū)域進(jìn)行巡檢。

3.2 人工點(diǎn)檢儀

針對(duì)帶式輸送機(jī)平直段,為了平衡設(shè)備成本,采用手持式點(diǎn)檢儀進(jìn)行人工巡檢。相比于智能巡檢機(jī)器人,人工點(diǎn)檢儀精簡(jiǎn)了運(yùn)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(diǎn)檢儀同樣具有拾音器、煙霧感應(yīng)器、紅外溫度感應(yīng)器、甲烷傳感器等傳感設(shè)備和4 G通信模塊,可以對(duì)沿線數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、上傳,并進(jìn)行超限報(bào)警。

4 晉興能源斜溝煤礦帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)改造

晉興能源斜溝煤礦具有兩條主斜井,分別服務(wù)上下兩個(gè)水平、7個(gè)采區(qū)。上水平11采區(qū)下運(yùn)帶式輸送機(jī)服務(wù)11采區(qū),12采區(qū)上運(yùn)帶式輸送機(jī)服務(wù)12采區(qū),+700 m北翼一部、二部、三部帶式輸送機(jī)及15采區(qū)下運(yùn)帶式輸送機(jī)服務(wù)小井15采區(qū),+700 m南翼帶式輸送機(jī)服務(wù)正在開(kāi)拓的13采區(qū)。5路集中帶式輸送機(jī)將4個(gè)采區(qū)采掘面生產(chǎn)的原煤運(yùn)輸至8#煤井底煤倉(cāng),再經(jīng)1#主斜井強(qiáng)力帶式輸送機(jī)運(yùn)輸至1#上倉(cāng)帶式輸送機(jī),最后經(jīng)1#上倉(cāng)刮板輸送機(jī)運(yùn)輸至地面原煤倉(cāng)。下水平21采區(qū)下運(yùn)帶式輸送機(jī)服務(wù)21采區(qū),將21采區(qū)采掘面生產(chǎn)的原煤運(yùn)輸至13#煤井底煤倉(cāng),再經(jīng)2#主斜井強(qiáng)力帶式輸送機(jī)運(yùn)輸至2#上倉(cāng)帶式輸送機(jī),最后經(jīng)2#上倉(cāng)刮板輸送機(jī)運(yùn)輸至地面原煤倉(cāng)。1#主斜井和2#主斜井煤流示意圖和帶式輸送機(jī)布置情況見(jiàn)圖5.

圖5 斜溝煤礦帶式輸送機(jī)布置情況和煤流示意圖

針對(duì)該礦帶式輸送機(jī)在井下分布情況,將開(kāi)發(fā)的帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)設(shè)備布置到井下各點(diǎn)位,在各部皮帶機(jī)頭增加PLC控制器,對(duì)原有的PLC控制器進(jìn)行程序升級(jí)或設(shè)備替換。PLC控制器布置情況見(jiàn)表2. 根據(jù)井下巷道實(shí)際情況,布置視頻攝像儀,布置點(diǎn)位見(jiàn)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(shè)備在地面調(diào)度中心和井下布置到位后,經(jīng)過(guò)試驗(yàn),證明系統(tǒng)在調(diào)度中心操作分站上實(shí)現(xiàn)了對(duì)斜溝煤礦全部帶式輸送機(jī)的集中控制,并實(shí)現(xiàn)了以下控制功能：

1) 集中遠(yuǎn)程控制。接收來(lái)自調(diào)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(jī)自動(dòng)按順序起動(dòng)、運(yùn)行、聯(lián)鎖與保護(hù)、停車,完成整個(gè)皮帶及相關(guān)輔機(jī)的集中聯(lián)鎖起車,對(duì)整個(gè)起停過(guò)程進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè),可調(diào)試完成順起順停,以利節(jié)能。

2) 單機(jī)遠(yuǎn)程控制。在調(diào)度中心控制指定帶式輸送機(jī)啟動(dòng)或停車。

3) 急?？刂啤．?dāng)調(diào)度中心發(fā)出一鍵急停命令,或系統(tǒng)檢測(cè)到帶式輸送機(jī)出現(xiàn)緊急停車故障如急停閉鎖、堆煤、煙霧、二級(jí)跑偏、縱撕、制動(dòng)故障、張緊等時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)控制主電機(jī)立即停止運(yùn)行,待皮帶速度降至參數(shù)設(shè)定值時(shí),控制抱閘,實(shí)現(xiàn)緊急停車。

4) 就地控制。由井下司機(jī)根據(jù)生產(chǎn)要求在就地操作臺(tái)發(fā)出開(kāi)、停車指令,同時(shí)將信息上傳反饋至地面調(diào)度中心。

應(yīng)用該帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)后,斜溝煤礦的全套帶式輸送機(jī)控制人員由原有的每套輸送機(jī)配備2—3名操作人員,轉(zhuǎn)變?yōu)橛?名專職司機(jī)加4名技術(shù)骨干組成的6人操作小組,分別進(jìn)行調(diào)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(shí),一鍵啟停集中控制功能使得啟動(dòng)和停車時(shí)間大幅降低,提升了生產(chǎn)效率。另外,在系統(tǒng)試運(yùn)行過(guò)程中,計(jì)劃外停車時(shí)間相較于系統(tǒng)應(yīng)用前也有所減少。

5 結(jié)論與展望

針對(duì)礦用帶式輸送機(jī)啟停配合困難、操作人員多、生產(chǎn)效率不夠高等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一套礦用帶式輸送機(jī)集中控制系統(tǒng),達(dá)成了地面調(diào)度中心對(duì)井下帶式輸送機(jī)的全面狀態(tài)監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、集中控制和一鍵啟停,并利用冗余雙網(wǎng)提高了通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性;同時(shí)開(kāi)發(fā)了一套智能巡檢機(jī)器人設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)沿線自動(dòng)巡檢、信息采集和報(bào)警功能。系統(tǒng)在晉興能源斜溝煤礦進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)和試運(yùn)行,減少了該礦帶式輸送機(jī)操作工人數(shù)量,提高了啟停速度,降低了計(jì)劃外停車時(shí)間,達(dá)到了減人增效的目的。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,為了平衡設(shè)備成本、人力成本和監(jiān)測(cè)效果,采用了有線傳感器、智能機(jī)器人巡檢和人工點(diǎn)檢儀巡檢相結(jié)合的信息采集方式。在進(jìn)一步的研究中,應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),開(kāi)發(fā)低成本、長(zhǎng)續(xù)航的無(wú)線傳感器,對(duì)帶式輸送機(jī)沿線進(jìn)行全面感知,可以進(jìn)一步降低設(shè)備成本、減少巡檢人員,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全性的進(jìn)一步提升。