張紅偉

（棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）濟(jì)寧七五煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 277600）

國內(nèi)礦山行業(yè)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)特殊階段：設(shè)備自動(dòng)化程度不斷提高，設(shè)備操作人員工作簡(jiǎn)化，但人員費(fèi)用隨社會(huì)發(fā)展不斷提高，使減員增效成為現(xiàn)實(shí)的迫切需求；另一方面，設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化程度越來越高，光纖網(wǎng)絡(luò)、5G 及云平臺(tái)等技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，在安全得到保證、技術(shù)手段完善的前提下，遠(yuǎn)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(shè)政策的大力推行，礦井提升機(jī)的智能化、無人化、信息化是必然的發(fā)展趨勢(shì)。提升機(jī)作為礦山咽喉設(shè)備，近年來無人化一直是關(guān)注焦點(diǎn)，提升機(jī)的無人值守勢(shì)必帶來安全運(yùn)行、設(shè)備監(jiān)控等問題，安全平穩(wěn)運(yùn)行必須具有完善的安全保護(hù)和安全聯(lián)鎖，提升機(jī)必須能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程的全面監(jiān)控；設(shè)備健康狀態(tài)診斷也非常重要，除了提升機(jī)電控設(shè)備、液壓設(shè)備檢測(cè)，還有對(duì)于電機(jī)、軸承、減速器等設(shè)備的溫度、振動(dòng)檢測(cè)，其數(shù)據(jù)分析、故障定位、預(yù)警報(bào)警、智能化是進(jìn)一步發(fā)展的方向。

1 研究?jī)?nèi)容和方法

根據(jù)智能化需求推動(dòng)遠(yuǎn)程集中控制技術(shù)快速發(fā)展，主井提升機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定且工況單一，無人值守較副井更易實(shí)現(xiàn)，西門子公司最早在國內(nèi)煤礦有主井機(jī)房無人值守應(yīng)用案例。國內(nèi)知名電控廠家都在進(jìn)行主、副井無人值守相關(guān)研究，隨著近幾年技術(shù)的成熟，在國內(nèi)金屬礦山主、副井提升機(jī)上已開展無人值守的應(yīng)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(jī)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(dāng)前先進(jìn)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)化控制及檢測(cè)技術(shù)、無線通訊技術(shù)，方案的實(shí)施在國內(nèi)礦井提升機(jī)方面處于技術(shù)前沿水平。

本系統(tǒng)囊括了諸如實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等當(dāng)前自動(dòng)化領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)的PROFINET 新一代工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)，采用西門子S7-1500 系列PLC 的PROFINET 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)，在主井機(jī)房增加傳感、可編程、視頻及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，完善現(xiàn)有提升機(jī)檢測(cè)和監(jiān)控，通過光口交換機(jī)連接主井機(jī)房及副井機(jī)房，主井所有數(shù)據(jù)通過光纖遠(yuǎn)程連接至副井機(jī)房及調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)主井全自動(dòng)運(yùn)行，機(jī)房無司機(jī)值守，在調(diào)度中心或副井機(jī)房遠(yuǎn)程監(jiān)控主井提升系統(tǒng)。

在調(diào)度中心安裝計(jì)算機(jī)工作站。主、副井控制升級(jí)改造完畢后將主、副井所有數(shù)據(jù)通過光纖遠(yuǎn)程連接至調(diào)度中心。利用原電視墻、專業(yè)操作站和核心工業(yè)交換機(jī)，記錄、分析、存儲(chǔ)所有上傳的提升機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過智能化軟件系統(tǒng)監(jiān)控2 臺(tái)提升系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和安全信息，進(jìn)行遠(yuǎn)程管理及維護(hù)，可實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)預(yù)警、報(bào)警。

本系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)主井提升機(jī)全自動(dòng)運(yùn)行和集中監(jiān)控管理，保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)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(diào)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(gè)使用最新的32 位技術(shù)的過程監(jiān)視系統(tǒng)，具有良好的開放性和靈活性。內(nèi)置操作和管理功能，可簡(jiǎn)單、有效地進(jìn)行組態(tài)；可基于Web 持續(xù)延展，采用開放性標(biāo)準(zhǔn)，集成簡(jiǎn)便。

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

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

2 項(xiàng)目技術(shù)方案

2.1 技術(shù)路線

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

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

（1）系統(tǒng)的可靠性原則。提升機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)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(dāng)今國際計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域公認(rèn)的、穩(wěn)定可靠的、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和相應(yīng)的系統(tǒng)軟件：系統(tǒng)配置的通信網(wǎng)絡(luò)、過程控制系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件和標(biāo)準(zhǔn)的商用軟件具有高容錨能力；所提供的設(shè)備符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所有部件具有較強(qiáng)的抗電磁及無線電干擾能力。

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

（3）系統(tǒng)的實(shí)用性原則。以實(shí)用性為原則，設(shè)計(jì)實(shí)用、可靠、便于維護(hù)的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的控制功能應(yīng)以節(jié)能降耗、減員增效為目標(biāo)。

（4）系統(tǒng)的易維護(hù)性原則。系統(tǒng)易于維護(hù)，操作簡(jiǎn)便。

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

（6）系統(tǒng)的開放性原則?？刂葡到y(tǒng)采用開放的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，符合ISO 的有關(guān)通信標(biāo)準(zhǔn)。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(quán),未來可以直接實(shí)現(xiàn)MES 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。

2.2.2 系統(tǒng)建設(shè)主要內(nèi)容

系統(tǒng)內(nèi)容主要包含三大部分：提升機(jī)集中控制、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和無線對(duì)講系統(tǒng)。主井無人值守操作臺(tái)布置于副井操作室，操作臺(tái)集成提升機(jī)控制和裝卸信號(hào)監(jiān)控于一體；操作員站上位監(jiān)控系統(tǒng)配置2 臺(tái)工控機(jī)能對(duì)主副井提升系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)顯示，對(duì)各級(jí)故障進(jìn)行報(bào)警及診斷，對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔記錄。視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過在主井機(jī)房、電控室、配電室等處增加攝像頭、升級(jí)交換機(jī)等設(shè)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(jī)等，井底和井口基站之間用原有的視頻光纜。

2.2.3 方案預(yù)期目標(biāo)

礦井主副井共計(jì)包含2 臺(tái)提升機(jī)，各自獨(dú)立運(yùn)行，其中主井為全自動(dòng)運(yùn)行，機(jī)房每班1～2 名司機(jī)。通過提升機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)施，可實(shí)現(xiàn)以下預(yù)期目標(biāo)。

（1）主井無人值守

完善或重建現(xiàn)有提升機(jī)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電控系統(tǒng)同配套系統(tǒng)配合的全自動(dòng)無人值守運(yùn)行。主井實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程全自動(dòng)開車，機(jī)房無司機(jī)操作，只需遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)工作狀態(tài)即可。

（2）計(jì)算機(jī)集中監(jiān)控

在副井車房安裝計(jì)算機(jī)集中監(jiān)控工作站，工作站按照統(tǒng)一模式設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和安裝等。主、副井控制升級(jí)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(dòng)停止和緊急停止。在集控室配置提升機(jī)專業(yè)操作站，與核心工業(yè)交換機(jī)通過網(wǎng)線連接，記錄、存儲(chǔ)所有上傳到集控中心的提升機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過WINCC 軟件顯示每一臺(tái)提升系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和安全信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)每一臺(tái)提升機(jī)的集中監(jiān)測(cè)和控制。

（3）智能化管理

實(shí)現(xiàn)提升機(jī)設(shè)備自動(dòng)化控制和計(jì)算機(jī)集中監(jiān)控及管理，保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，提高設(shè)備臺(tái)效，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少現(xiàn)場(chǎng)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(shè)備運(yùn)行異常的早期預(yù)警指示及設(shè)備故障原因的查詢服務(wù)，能及時(shí)定位發(fā)生故障的設(shè)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(wù)。

2.2.4 集控系統(tǒng)主要技術(shù)要求

（1）主井提升機(jī)在能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，在副井操作室設(shè)置1 套主井無人值守操作臺(tái)，具備遠(yuǎn)程監(jiān)控提升與裝卸載狀態(tài)，具有提升機(jī)自動(dòng)、半自動(dòng)、慢動(dòng)操作模式，手動(dòng)、檢修、故障開車等操作需在主井操作室進(jìn)行，使主井在正常運(yùn)行時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守，同時(shí)在副井操作室配置視頻服務(wù)器及顯示器，通過視頻協(xié)助監(jiān)控主井提升機(jī)及裝載站與運(yùn)行狀態(tài)。

（2）在調(diào)度中心配置主副井監(jiān)控計(jì)算機(jī)，能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控主、副井提升運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)配置40 寸工業(yè)電視及視頻服務(wù)器，接入現(xiàn)有的工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)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(jī)、Profinet 網(wǎng)絡(luò)通訊，具備傳輸速率快等特點(diǎn)。

2.2.5 集控系統(tǒng)設(shè)備主要技術(shù)要求

（1）主井無人值守操作臺(tái)

該操作臺(tái)布置于副井操作室，結(jié)構(gòu)合理，設(shè)計(jì)人性化，方便在副井完成監(jiān)控。操作臺(tái)集成提升機(jī)控制和裝卸載信號(hào)監(jiān)控于一體。內(nèi)置西門子公司S7PLC，采用Profinet網(wǎng)絡(luò)通訊，并配置必要的專業(yè)交換機(jī)。操作臺(tái)主要配置如下。

采用2 套15 寸觸摸屏，分別顯示提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和裝卸載及信號(hào)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(jī)，用于PLC 通訊；

②操作站／操作模式選擇開關(guān)；

③速度選擇開關(guān)；

④液壓站等輔機(jī)設(shè)備集中控制按鈕；

⑤提升機(jī)啟停按鈕；

⑥過卷復(fù)位、安全復(fù)位、急停等按鈕；

⑦故障報(bào)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(tái)3KVA 在線式UPS 不間斷電源，電源故障時(shí)可以O(shè)ms 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(shí)現(xiàn)可靠的監(jiān)控、診斷、歸檔功能。

上位機(jī)選用2 套CPU17-8550、8G 內(nèi)存（預(yù)留插槽以后可擴(kuò)展）、1T 硬盤帶DVD-ROM 光驅(qū)、防水鍵盤及鼠標(biāo)、27 寸液晶顯示器。分別監(jiān)控主、副井提升機(jī)狀態(tài)。操作員能對(duì)主、副井提升機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)（主井含裝卸載運(yùn)行狀態(tài)）進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)顯示，對(duì)各級(jí)故障進(jìn)行報(bào)警及診斷，對(duì)重要信息進(jìn)行歸檔記錄。具有與PLC 系統(tǒng)通訊接口，可對(duì)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(shí)現(xiàn)以下功能。

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

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

（3）主井煙霧報(bào)警系統(tǒng)

在主井絞車房配置煙霧檢測(cè)箱，采ET200 子站，通過PLC 收集傳感器信號(hào)。在主井絞車房配電室、電控柜、操作臺(tái)、主電機(jī)、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(chǎng)實(shí)際調(diào)整），以便對(duì)現(xiàn)場(chǎng)易發(fā)生火災(zāi)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全方位煙感監(jiān)控，為提升系統(tǒng)安全運(yùn)行及人身安全提供重要保障。

煙霧報(bào)警傳感器采用高靈敏度煙感器，信號(hào)接入電控系統(tǒng)，可將現(xiàn)場(chǎng)煙霧報(bào)警信息上傳至提升機(jī)電控系統(tǒng)。在發(fā)生火災(zāi)后以聲光報(bào)警的形式顯示出來，上位監(jiān)控系統(tǒng)也能具體顯示出準(zhǔn)確起火地點(diǎn)，并記錄報(bào)警時(shí)間。

2.2.6 視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要說明

通過在主井機(jī)房、電控室、配電室、煤樓等處增加攝像頭、交換機(jī)（升級(jí)現(xiàn)有交換機(jī)）等設(shè)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(shí)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(shí)視頻記錄能夠?qū)崿F(xiàn)存儲(chǔ)14 天左右，并將主副井視頻信號(hào)通過光纖傳入調(diào)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(duì)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(jī)等，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)房、井口、提升容器、井底之間互相語音通訊。

3 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)解決的關(guān)鍵技術(shù)

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

（1）遠(yuǎn)程集中監(jiān)控

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

（2）井筒無線語音對(duì)講系統(tǒng)開發(fā)

采用基于光纖級(jí)聯(lián)，支持802.11b/g/ n 定向AP,布置無線基站、交換機(jī)、服務(wù)器，采用手持對(duì)講機(jī)實(shí)現(xiàn)無線對(duì)講，有效解決過往井筒中信號(hào)盲區(qū)。

3.2 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）基于無線定向AP 的對(duì)講技術(shù)的應(yīng)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(shí)現(xiàn)井筒全程覆蓋，對(duì)講清晰。

（2）安全可靠主、副井的集中自動(dòng)化控制系統(tǒng)開發(fā)

主、副井提升系統(tǒng)根據(jù)礦井的實(shí)際需求，可開發(fā)提升機(jī)控制系統(tǒng)專用軟件，滿足礦井提升機(jī)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(hù)功能和自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)主井自動(dòng)化運(yùn)行，副井同時(shí)具備該功能。同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及無線對(duì)講系統(tǒng)的使用，該系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)提升機(jī)設(shè)備自動(dòng)化控制一體化運(yùn)行和計(jì)算機(jī)集中監(jiān)控及管理，保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，提高設(shè)備臺(tái)效，進(jìn)一步提升主副井提升機(jī)系統(tǒng)設(shè)備自動(dòng)化程度，大幅提高系統(tǒng)信息化和智能化水平，能夠提供設(shè)備運(yùn)行異常的早期預(yù)警指示及設(shè)備故障原因的查詢服務(wù)，能及時(shí)定位發(fā)生故障的設(shè)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(wù)，同時(shí)使設(shè)備操作人員工作變得簡(jiǎn)單，有效降低職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)減人提效。在無人化改造這一領(lǐng)域，市場(chǎng)容量巨大，將會(huì)催生數(shù)億級(jí)的電氣自動(dòng)化、智能化應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)帶動(dòng)其他領(lǐng)域的無人化和智能化應(yīng)用和研究，對(duì)綠色、智能、高效發(fā)展現(xiàn)代化礦山建設(shè)具有重要意義。