張峰 張妍菊 張立勇

摘要：本文在簡述煤礦井下皮帶機集控改造必要性的基礎上，以某煤礦井下皮帶機為例，結(jié)合存在的問題，立足集控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采取集控軟件技術(shù)、硬件組成技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)，進行了集控改造。實踐表明，通過保持原有皮帶機系統(tǒng)框架開展機械與電機改造，能夠達到預期控制功能要求，進而保障皮帶機運輸安全。

關(guān)鍵詞：煤礦；井下皮帶機；集控改造

DOI：10.12433/zgkjtz.20241325

皮帶機是煤礦井下運輸?shù)年P(guān)鍵設備，但易受到內(nèi)外部因素影響，出現(xiàn)跑偏、打滑等故障，進而影響井下運輸工作。而皮帶機集控技術(shù)能夠利用信號檢測技術(shù)、總線技術(shù)、傳輸信號技術(shù)、計算機處理技術(shù)等，采集井下皮帶機運行數(shù)據(jù)，對皮帶機故障、開停等狀態(tài)進行遠程監(jiān)控，將皮帶速度、電機溫度、電流等參數(shù)顯示出來，實現(xiàn)全程自動化控制。因此，為確保煤礦井下皮帶機穩(wěn)定、安全運行，集控改造顯得尤為重要。

一、煤礦井下皮帶機集控改造的必要性

伴隨井下采面、巷道的開拓延伸，皮帶機運輸路線延長，逐漸暴露出許多傳統(tǒng)皮帶機問題，特別是井下語音通信系統(tǒng)、運輸控制系統(tǒng)，存在傳輸速度慢、運行環(huán)節(jié)多、安全性低等問題。為此，煤礦井下皮帶機應加強集控改造，對皮帶機頭、轉(zhuǎn)載點、機尾、落煤點等部位及主運皮帶加裝攝像頭與傳感器，連接地面集控室，有效存儲、展示攝像頭數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)異常。集控系統(tǒng)還能切換就地控制、遠程控制模式，集成設備參數(shù)及保護系統(tǒng)，使皮帶撕裂、跑偏、溫度等數(shù)據(jù)一目了然，控制上下游皮帶啟停，優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)安全性與效率。井下皮帶機集控改造能實現(xiàn)減人提效、集中控制，合理利用故障預警與在線診斷功能，提高生產(chǎn)自動化程度，減少人工干預，為建設智能化礦井、實現(xiàn)“高質(zhì)量、低成本”發(fā)展夯實基礎。

二、煤礦井下皮帶機集控改造技術(shù)

以某煤礦井下皮帶機為例，皮帶長2300m，寬1000mm，運量1100t/h，速度1.15m/s，膠帶采取阻燃鋼絲繩芯，存在無法上傳皮帶機型號的情況，加上程序改動、故障查詢較為頻繁，需對其進行改造。

（一）集控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

井下皮帶機集控系統(tǒng)由信息管理層、通信層、控制層構(gòu)成，通過組網(wǎng)模塊與交換機直接通信，結(jié)構(gòu)見圖1。

信息管理層設置操作員站，能夠根據(jù)人員職責設置使用權(quán)限，提供操作平臺，直觀顯示設備參數(shù)及運行狀態(tài)，對其實時監(jiān)測。對傳感器及重要部件故障進行聲光報警，將報警數(shù)據(jù)儲存至數(shù)據(jù)服務器，有助于統(tǒng)計報警信息及事故分析。

通信層采用“現(xiàn)場總線+1000M以太環(huán)網(wǎng)”方案，整合嵌入式系統(tǒng)、鏈路聚合技術(shù)，使用28芯礦用阻燃光纜進行組建，保證各監(jiān)控監(jiān)測設備均能通過該網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

控制層使用PLC與KTC101兩種控制系統(tǒng)。前者負責皮帶運輸機遠程開停，檢測設備運行狀態(tài)，利用分站控制設備，將數(shù)據(jù)顯示到平臺上。后者負責皮帶運輸機就地開停，控制設備和傳輸數(shù)據(jù)。

（二）集控軟件技術(shù)

井下皮帶機集控軟件可采集皮帶機數(shù)據(jù)，集成監(jiān)控信息，存儲至工業(yè)數(shù)據(jù)庫。該產(chǎn)品以IAS為核心，具有高開放性、先進性、高可靠性特點，適用于跨地域、多系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)工業(yè)聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)集成。以太網(wǎng)終端采用組態(tài)軟件，可實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)可視化監(jiān)控，為技術(shù)人員、現(xiàn)場工程提供簡易開發(fā)環(huán)境，結(jié)合工程需求創(chuàng)建圖形窗口完成組態(tài)，實時傳遞設備運行參數(shù)。

皮帶機控制系統(tǒng)直接連接集控軟件，可實現(xiàn)井下、地面設備監(jiān)控全覆蓋，做到井下無人值守。步驟如下：①組網(wǎng)實現(xiàn)軟件，與井下PLC直接通信，設定通信接口參數(shù)，保證參數(shù)的一致性。②PLC系統(tǒng)借助光電轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換電信號為光信號，以光纖通信線路，連接光纖收發(fā)器、智能分站、工業(yè)交換機。通信成功即可在IDE軟件構(gòu)建位置節(jié)點。③結(jié)合數(shù)據(jù)表將設備表與監(jiān)控表對應，設定正確映射表，準確采集設備工況及運行參數(shù)。④軟件編輯配置設備位置，輸入設備相關(guān)屬性，完成點對點編輯，即可利用客戶端遠程控制井下設備。

（三）硬件組成技術(shù)

1.以太環(huán)網(wǎng)

工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)是多功能系統(tǒng)，核心設備包括礦用網(wǎng)絡智能分站、礦用以太網(wǎng)交換機、多功能智能網(wǎng)關(guān)、光端機、視頻服務器、接口轉(zhuǎn)換設備、網(wǎng)絡攝像儀及電源箱等。改造中采取“現(xiàn)場總線+以太環(huán)網(wǎng)”方式采集數(shù)據(jù)，針對井下特殊環(huán)境要求，采取1000M光纖環(huán)網(wǎng)，發(fā)送控制命令與上傳信息。該礦井設置環(huán)網(wǎng)中，系統(tǒng)使用RS30交換機20臺、核心交換機2臺，為煤礦皮帶機信息化控制提供穩(wěn)定、高速的網(wǎng)絡平臺。

2.硬件組成

井下皮帶機集控系統(tǒng)使用光纖通信、計算機網(wǎng)絡技術(shù)，構(gòu)建高速互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)設備視頻圖像、語音信息、設備運行信息的傳輸，完成遠程監(jiān)控。該系統(tǒng)由網(wǎng)絡交換機、網(wǎng)絡分站、視頻服務器、網(wǎng)絡攝像儀等構(gòu)成，考慮到篇幅有限，這里僅介紹網(wǎng)絡交換機與網(wǎng)絡分站。

①網(wǎng)絡交換機。井下皮帶機在使用中，考慮信號接入與環(huán)境情況，采取礦用隔爆千兆交換機為傳輸設備，提供100M以太網(wǎng)，額定電壓為交流127V，頻率50Hz，能夠組成光纖自愈環(huán)網(wǎng)，輸入電源廣泛，電源允許波動大（75%～120%），易檢修安裝，即便線路出現(xiàn)故障，也能迅速切換冗余鏈路，以保證系統(tǒng)的可靠性。

②網(wǎng)絡智能分站。為實現(xiàn)井下皮帶機數(shù)據(jù)無擁塞、可靠傳輸，要求傳輸速率≥100Mbps，與主干網(wǎng)自適應，且提供智能網(wǎng)關(guān)，便于接入監(jiān)測設備、安全監(jiān)控系統(tǒng)、終端設備、現(xiàn)場總線等。結(jié)合視頻分配器、網(wǎng)絡攝像儀與IP電話，可將設備圖像、語音信號等傳輸至平臺。該集控系統(tǒng)采取KJJ114智能分站，能夠?qū)崟r監(jiān)測瓦斯、風、電閉鎖等的狀態(tài)，檢測設備的開關(guān)狀態(tài)、溫度、啟停等情況。

3.傳輸數(shù)據(jù)

井下皮帶機終端發(fā)送數(shù)據(jù)至智能分站，利用分站轉(zhuǎn)換采集信號，通過網(wǎng)絡交換機連接環(huán)網(wǎng)，進而以IDS軟件集成數(shù)據(jù)，完成界面編輯。改造皮帶機電控系統(tǒng)使用KTC101，配置標準串口2個，以Modbus通信，利用控制分站，將皮帶機系統(tǒng)與工業(yè)以太網(wǎng)連接?？紤]通信質(zhì)量，在500m以內(nèi)采取RS485線路，超過500m選用光纖通信，數(shù)據(jù)傳輸流程見圖2。

電控系統(tǒng)使用PLC監(jiān)控現(xiàn)場設備，如果設備分散，則增設井下控制分站，以現(xiàn)場總線連接工業(yè)以太網(wǎng)。集控室調(diào)度服務器，借助接口通信協(xié)議，完成數(shù)據(jù)通信。

（四）視頻監(jiān)控技術(shù)

井下皮帶機集控系統(tǒng)的視頻傳輸，由傳輸線、攝像單元、視頻分配器、光端機、顯示系統(tǒng)及服務器構(gòu)成。井下攝像機配置低照度鏡頭、攝像機、阻燃光纜等，以視頻矩陣傳輸視頻信號至皮帶集控中心。在視頻監(jiān)控方面，集控系統(tǒng)在皮帶機關(guān)鍵環(huán)節(jié)安裝網(wǎng)絡攝像儀，且在調(diào)度室配置視頻解碼器，安裝2臺視頻分配器，1臺矩陣切換主機，1套數(shù)字視頻服務器，5臺視頻解碼器。該多系統(tǒng)采取KBA5網(wǎng)絡攝像儀，利用工業(yè)以太網(wǎng)傳輸圖像至數(shù)據(jù)中心。液晶電視墻方面，設置12臺46寸液晶電視，按照4列3行順序排列，自由切換VGA與AV信號，顯示皮帶監(jiān)控信息。

（五）PLC控制技術(shù)

PLC軟件利用文件塊方式編寫程序集所需數(shù)據(jù)，這類文件塊主要有功能塊、組織塊、數(shù)據(jù)塊等。組織塊是在各種條件下用戶使用的接口，由操作系統(tǒng)調(diào)用，可掃描程序與中斷執(zhí)行程序；功能塊是用戶子程序，通過低頻率與低電壓實現(xiàn)多變頻器同時輸出，減少電網(wǎng)沖擊；數(shù)據(jù)塊是存儲數(shù)據(jù)區(qū)，負責存儲皮帶機運行參數(shù)數(shù)據(jù)。將皮帶機等信號直接接入PLC，實現(xiàn)自動控制。

三、煤礦井下皮帶機集控改造效果分析

（一）集控改造

在保持整體皮帶機框架不變基礎上，結(jié)合皮帶機特點、巷道布置形式，最惡劣工況為運段滿載，按照521kW最大負荷優(yōu)化設計，采取驅(qū)動單元進行集中布置，不同工況功率要求見表1。

機械改造方面，改造4臺驅(qū)動單元底盤，采取“電機+減速機+液粘軟啟動+驅(qū)動滾筒”配置，安裝1套制動器液壓站，保留2臺盤式制動器。

電控改造方面，保留主控開關(guān)與電動機，增加軟啟動液壓站啟動開關(guān)，使用皮帶機集控系統(tǒng)，以光纖完成通信。工作方式包括遠控與就地兩種，滿足用戶調(diào)用、使用需求。

（二）實現(xiàn)目標

①采集信息。接入和采集各種運行數(shù)據(jù)、設備工況、保護信號，具備擴展性；可修改、定義北側(cè)模擬參數(shù)報警值、保護動作值。

②保護功能。系統(tǒng)擁有皮帶機機頭堆煤、欠速打滑、超溫斷電灑水、跑偏等保護功能；可選擇多種運行方式，以免人員誤操作。

③診斷故障。判斷設備運行參數(shù)閾值，檢測參數(shù)超出報警閾值，集控中心工作站將發(fā)送報警信號，提示值班人員檢修維護皮帶機設備。

④擴音功能。配置報警電話，出現(xiàn)異常事故利用語音廣播給出語音提示；提供停機、開機前預警提示。集控中心以撥號方式實現(xiàn)1對1與1對多通話。

⑤聯(lián)網(wǎng)功能。集控系統(tǒng)利用分站、主站等，借助以太網(wǎng)控制井下交換機，將監(jiān)控數(shù)據(jù)集成處理，輸入集控信息平臺。

四、結(jié)語

綜上所述，為減少人員數(shù)量，規(guī)避人員誤操作，優(yōu)化生產(chǎn)效率，針對某井下皮帶機集控情況，可采取現(xiàn)場總線、以太環(huán)網(wǎng)、組態(tài)軟件及PLC控制技術(shù)，改造電控系統(tǒng)。以以太環(huán)網(wǎng)及通信協(xié)議實現(xiàn)集控系統(tǒng)通信，完成信號采集與參數(shù)控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)皮帶機可靠軟啟動與軟制動，滿足煤礦井下高效、安全運輸要求。

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