基于工業以太網的煤礦井下膠帶輸送機監控系統的應用研究

鄧風永 王朝陽

（1.焦作市明株自動化工程有限責任公司，河南 焦作454000；2.焦作華飛電子電器股份有限公司，河南 焦作454000）

煤碳產業是我國國民經濟快速發展的基礎，隨著我國基礎設施建設步伐的加快，能源需求增長加速，煤炭產量也迅速增長，但是由于煤礦井下作業遠離地面，地形復雜，環境惡劣，井下監控設備落后等原因，嚴重制約著我國煤礦的安全開采，煤礦井下監控設備的更新已經迫在眉睫。

我國多數煤礦井下均采用分布式監控系統，即現場設備與控制器一對一的信息交換方式，該控制方式實時性差、信息集成能力不強、可靠性不易保證、系統不開放、可集成性差、可維護性不高，嚴重影響著礦井綜合自動化程度的提高。

伴隨著計算機、通信、網絡等信息技術的高速發展，信息交換的領域已經覆蓋了工廠、企業的各個角落，但是我國建設煤礦綜合自動化的速度還遠遠落后于工業自動化技術的發展。如何讓煤礦運用這些先進的自動化技術已成為我國礦山行業研究的熱點。 基于此，本文提出了在礦井工業以太環網基礎上建立井下膠帶輸送機監控系統的實施方案，以提高我國礦井的綜合自動化程度。

1 煤礦井下膠帶輸送機監控系統的分析

煤礦井下膠帶輸送機是煤礦井下運輸線的重要組成部分，一個煤礦的安全生產與輸送機的安全、穩定運行是密不可分的。 老式的井下膠帶輸送機保護裝置，無法實現裝置之間的實時信息交換，更不能將現場膠帶機的實時信息上傳至井上，以供井上調度人員對膠帶機的運行狀態進行實時監控。 保護裝置之間只有簡單的I/O 閉鎖，雖能滿足現場運行要求，但是隨著礦井自動化網絡的建設，這種分布式控制思想已經不能融入到整個礦井的自動化系統當中，而且制約著礦井綜合自動化水平的提高。

相比井下膠帶輸送機的控制系統，煤礦井下視頻監控系統的實現要更容易。老式的煤礦井下視頻監控系統，是由井下本安攝像儀、光端機組成的，雖然設備構成簡單，但是隨著井下監控地點的增加，就需要足量的視頻線路將視頻信號傳遞到地面上。 這樣一來，視頻線路的鋪設就變得復雜化，因此制約了監控地點的建立，也無法實現網絡化，維護不方便。

2 基于工業以太網的煤礦井下膠帶輸送機監控系統的介紹

本文提出的煤礦井下膠帶輸送機監控系統主要由輸送機集中控制和輸送機運行視頻監控兩部分組成，它依賴于工業以太網環網與地面監控計算機和工業電視進行實時數據交換[1]。 其系統結構圖如圖1所示。

如圖1 所示， 該系統的輸送機集中控制部分分為三個網絡層次：設備層、控制層以及信息層[2-3]。在設備層，主要通過控制從站與現場設備進行信息交換，并采用總線式傳感器、總線式急停開關等對該輸送機實施保護，因此其可靠性大大提高、布線減少、安裝方便，并可實現快速故障診斷；在控制層，主要利用現場總線技術[4-5]使控制主站與控制從站進行信息交換， 實現設備層各個控制從站之間的I/O 控制、閉鎖和報文傳送， 并將I/O 網絡的功能和對等信息傳輸網絡結合起來，保證了信息的實時性和確定性。同時，它也支持實時數據的傳輸，例如現場信息的上傳以及控制指令的下傳等；在信息層，采用工業以太網技術，通過TCP/IP 協議，將膠帶輸送機集中控制系統的所有信息顯示在地面監控電腦上，以便生產調度監控人員實時掌握井下運輸線的工作情況并對其進行控制操作，它還能將膠帶輸送機的實時信息連接至企業的信息系統。

該系統的視頻監控部分由本安型攝像儀、本安型光端機、網絡視頻編碼器以及網絡視頻解碼器等相關設備組成。網絡視頻編碼器可以將多路視頻信號編碼、壓縮成一路TCP/IP 協議的網絡視頻信號，通過以太環網將網絡視頻信號上傳至地面網絡視頻解碼器，解碼成標準的視頻信號以供多個設備使用。

3 系統主要組成

3.1 地面控制中心監控部分

地面控制中心設置兩臺工業控制計算機（互為熱備），配合相應的主流組態軟件及傳輸接口，對井下運輸線上所有膠帶輸送機的模擬狀態進行圖形顯示，各條膠帶輸送機的故障狀態及相關模擬量也可在地面監控中心的工業控制計算機上實時顯示。

地面控制中心的工業控制計算機也可作為整個膠帶機集控系統的控制中心，控制各條膠帶輸送機及其他設備的開停。

圖1 基于工業以太網的煤礦井下膠帶輸送機監控系統結構圖

3.2 集中控制部分

該系統的集中控制部分以建設數字化礦井為目的，從提高煤礦企業效益的角度，構架涵蓋煤礦井下膠帶輸送機的安全監控、生產控制、設備監控的各個層次的自動化網絡系統。各層次均采用國際先進的工業自動化網絡技術，以達到系統安全、有效的運行。系統可對整個生產過程進行集中監控，能實時采集和顯示現場各生產環節設備的運行狀態，具備數據處理及與礦井綜合控制系統聯網功能。

該系統采用多種控制方式，既可以集中啟動整條膠帶輸送機運輸線，又可以靈活地進行就地控制。 因此可以使整條膠帶輸送機運輸線在有煤時按序啟動，無煤時按序停止，大大提高了膠帶輸送機的輸煤效率，降低了膠帶輸送機的空載運行時間，減少了電能的浪費，實現了系統的節能降耗。

該系統還具有在整條膠帶輸送機運輸線上的故障定位功能。相比老式控制裝置故障無法定位， 需要大量人員逐個排查既浪費時間，浪費人力、效率低又耽誤生產的缺陷，該系統在設計時充分考慮了故障定位功能。 故障出現后無需大量人員去逐個排查，只需一名維護人員按照系統故障提示的位置去排除故障即可，系統故障后恢復時間大大縮短，維護人員的使用效率也有很大提高。

3.3 視頻監控部分

在井下設置一臺多路網絡視頻編碼器，將本安攝像儀輸出的標準的模擬視頻信號經編碼調制、壓縮后發送到以太環網上，供地面設備接收。該系統中，井下多臺攝像儀共用一個環網交換機的接口，提高了網絡資源和網絡端口的利用率，從而提高了系統整體的網絡性。

在地面控制中心設置一臺多路網絡視頻解碼器，由網絡視頻解碼器提取以太環網上的網絡視頻信號，經過解壓縮、解碼成標準的模擬視頻信號傳出，再由視頻分配器將視頻信號分配給矩陣切換器和硬盤錄像機，實時顯示井下膠帶輸送機的運行狀態和視頻備份。

一個大型礦井安裝的視頻信號不會超過100 路，經壓縮后需要約50Mbyte 網絡帶寬，而現在的礦井環網帶寬多為1000Mbyte，因此足以滿足視頻信號的帶寬。 使用網絡視頻信號后，將大幅地節省井下視頻攝像儀的安裝過程，非常便于維護，而且不受線路的制約，可以滿足井下多處視頻監控的需求。

4 結束語

該系統具有標準通用的工業以太網協議，可以和全礦井綜合自動化系統實現匯接，實現信息共享。 系統的軟、硬件均為冗余設計，這樣使系統的安全性、穩定性大大提高。 系統中信息交換由下而上逐級集中，控制既可集中于信息層操作，又可分散于設備控制層實施。信息交換實時性好，可靠性高，風險分散，使用方便，組合靈活。更重要的是系統技術先進、功能完善、配置靈活，各個子站均可獨立自成體系，可以按照礦井要求分步配置，進而實現最佳配置。

［1］張申.煤礦井下綜合業務數字網網絡結構的研究[J].煤炭學報,2002,4.

［2］張浩,譚克勤,朱守云.現場總線與工業以太網絡應用技術手冊(第一冊)[M].上海科學技術出版社,2002,8.

［3］張浩,譚克勤,朱守云.現場總線與工業以太網絡應用技術手冊(第二冊)[M].上海科學技術出版社,2004,1.

［4］劉曙光.現場總線技術的進展與展望[J].自動化與儀表,2000,15(3):1-6.

［5］趙君.現場總線技術進展[J].哈爾濱理工大學學報,2002,7(2):56-60.