基于網絡環(huán)境的礦井鋼纜皮帶組集中控制系統的研究

張寧+蔣偉+覃光志+袁興+朱云霞+聞平

摘 要：礦井鋼纜皮帶是煤礦生產中的關鍵設備，用于長距離、大運量的運輸，是礦井出煤的主要通道，同時還作為交接班上、下井輸送人員和運送材料、矸石的通道，該文針對鋼纜皮帶在實際應用中的現狀及存在的問題，結合近幾年流行起來的工業(yè)網絡和集中控制技術，開發(fā)了一套基于以太網的鋼纜皮帶組集中控制系統，并已在現場得到了成功的應用。該系統較好地實現了在調度集控室對鋼纜皮帶運行狀況的實時監(jiān)控，能夠及時地監(jiān)視現場各運行參數的狀況，一旦現場系統運行有故障，可以實時地對事故進行相應的保護操作并進行報警，實現對各段皮帶實時、可靠、快速的運行監(jiān)控效果。

關鍵詞：鋼纜皮帶 集中控制 WINCC 工業(yè)網絡

中圖分類號：TD676 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（b）-0007-04

Abstract：The wire rope strap is the important equipment in the mining production. It is used in long distance transport. It is the main way of transport. It is used to transport people and stuff.This paper develops a centralized control system basing on Ethernet against the main problem with the industrial network technology. This system can monitor the wire rope strap status. Once a fault occurs， this system can protect and alarm.

Key Words：Wire rope strap； Centralized control； WINCC； Industrial network

煤礦巷道式鋼絲繩牽引皮帶式輸送機是用兩臺大功率電機拖動兩條牽引鋼絲繩作為牽引機構，膠帶帶有特制的雙面耳槽搭在兩條無極鋼絲繩上作為承載物料的構件，由傳動滾筒和鋼絲繩間的摩擦力驅動鋼絲繩和膠帶運行。同時通過液壓盤式剎車系統來達到制動的效果，滿足礦井運送煤礦和物資的需要。

鋼纜皮帶安裝于煤礦井下傾斜的巷道中，由兩臺大功率直流電機通過滾筒牽引鋼絲繩使皮帶運轉，從而達到提升煤炭、矸石、材料、人員等需要，是煤礦運輸生產的關鍵設備，所以其電控系統不同于普通電機啟動、停止控制需要，因直流電機功率很大，而且牽涉到安全問題，設備正常運轉時要經過起動、加速、等速、減速、爬行、減速、停止等不同的調速控制過程，而且由于礦井原煤運輸線路長、生產環(huán)節(jié)多、工藝復雜、運輸量不均衡、設備負荷變化大、頻繁停車等原因，造成耗電耗力，同時因制動系統不可靠或者設備出故障，事故率居高不下。

隨著工業(yè)自動化水平的提升，特別是國家對煤礦安全生產要求的提升，本著以人為本的生產理念，特別是工業(yè)網絡通訊及監(jiān)控軟件系統的發(fā)展，為了能完善和提高鋼纜皮帶組的自動控制技術，滿足煤炭安全高效可靠的生產需要，必須將煤礦鋼纜皮帶系統組成集中控制系統，運用高速發(fā)展的工業(yè)網絡通訊技術、DCS分布式設備數據采集技術和工業(yè)監(jiān)控軟件平臺系統，實時監(jiān)控整個皮帶組的整體運動情況，實時監(jiān)控一線生產數據情況，一旦監(jiān)控到有問題，就立即整改，防止事故的發(fā)生。

1 煤礦鋼纜皮帶輸送控制系統與工業(yè)網絡通訊技術簡介

1.1 煤礦鋼纜皮帶輸送控制系統

煤礦鋼纜皮帶輸送系統是整個煤礦輸送的核心，它的安全運行關系到整個煤炭生產的命脈。

鋼纜皮帶運輸機系統主要用于煤礦長距離、大負載、長時間等特殊要求的場合。它通過高強度的鋼絲繩牽引，通過大容量的直流電機牽引鋼絲繩，并配有液壓盤式制動系統，滿足長距離、高負載的輸送要求。圖1是鋼纜皮帶鋼絲繩牽引系統。

由于煤礦鋼纜皮帶系統特殊的安全需求，其整個電控系統相比傳統控制模式，具有不同的框架，其整個電控系統由底層單片控制的直流電機勵磁和轉子驅動電流電路系統、PLC邏輯控制系統、數字量多點式監(jiān)控系統、上位機軟件操作系統、硬件平臺操控系統等組成。

鋼纜皮帶組工業(yè)監(jiān)控系統的整體設計原則是統一管理監(jiān)控平臺，分布式運轉、網絡化數據就地采集，高速數據交換，采用DCS分布式單設備控制系統，通過本地網絡化數據信息采集，最后統一在一個監(jiān)控平臺上實時監(jiān)控生產，滿足煤炭要求的高效安全生產需要。圖2是DCS分布式單設備本地控制平臺。

1.2 工業(yè)網絡通訊技術系統

隨著工業(yè)自動技術的發(fā)展，特別是工業(yè)通訊網絡技術的發(fā)展，尤其是現在提出的工業(yè)4.0，工業(yè)自動化網絡通訊技術發(fā)展很快。

同時隨著數據信息化時代的到來，大數據處理技術的發(fā)展和云計算的發(fā)展，可以將工業(yè)分布式現場的大量生產數據，通過通訊網絡采集上來，進行集中運算處理，滿足工業(yè)信息化時代的要求。

工業(yè)網絡是在工業(yè)生產環(huán)境中的一種全數字化、雙向、多站的通信系統。工業(yè)網絡自出現以來，在我國得到迅速的發(fā)展，并已廣泛應用于鋼鐵、化工、軍事、樓宇控制等行業(yè)及領域。

隨著工業(yè)網絡的發(fā)展，工業(yè)自動化控制逐步由模擬量到數字量轉變，由集中式到分布式轉變，由封閉式到網絡通訊實時監(jiān)控的信息化通訊的模式轉變，滿足現代工業(yè)的高自動化、高信息化的轉變要求。

2 煤礦鋼纜皮帶運輸系統網絡集中控制系統的原理與應用

煤礦生產系統主要包括底層煤礦開采系統、煤礦分選系統、煤炭存放系統、煤礦運輸系統、煤礦精選系統等構成，其中煤礦生產運輸系統是核心之一，一般有立式提升機或者巷道式鋼纜皮帶構成。

巷道式煤礦主運系統是常用煤炭輸運系統，該系統通過多段分段運輸機構連接而成。每臺煤炭鋼纜皮帶運送系統有大容量直流電機牽引高強度的鋼絲繩帶動皮帶運輸，同時采用液壓盤式制動系統來實現安全制動，同時底層直流電機控制系統采用單片機控制直流電機的勵磁、轉子的電流驅動、PLC控制電氣系統、上位機監(jiān)控操作軟件平臺、硬件操作保護平臺構成，形成一套可靠的控制系統。為了滿足多皮帶配合安全有效運轉，需要將相對獨立的皮帶控制系統組成一個大的網絡控制平臺，通過網絡數據通訊實時監(jiān)控每臺鋼纜皮帶的運轉情況。

2.1 煤炭鋼纜皮帶輸送系統網絡控制系統硬件組成

鋼纜皮帶組工業(yè)網絡協調監(jiān)控系統按照分散運轉、集中監(jiān)控的原則，采用分布式本地控制，網絡通訊數據采集監(jiān)控，通過工業(yè)高速網絡通訊技術和計算機軟件技術是實現網絡集中數據監(jiān)控。

每套鋼纜皮帶電控PLC控制系統都配有網絡通訊模塊，網絡通訊模塊通過背板和PLC的CPU通訊，同時網絡通訊模塊通過工業(yè)以太網技術將數據實時傳輸到集中控制平臺，集中監(jiān)控平臺利用高速計算機軟件技術實時跟蹤每臺鋼纜皮帶的運轉數據，一旦數據異常啟動報警，讓相關技術人員進行故障實時排查，將故障及時處理。

系統具體功能如下。

（1）在煤礦企業(yè)集中控制調度室監(jiān)控系統中，通過工業(yè)以太網技術實時接收各地的鋼纜皮帶運轉數據，并通過軟件算法分析各種數據，實時分析數據情況，一旦異常進行報警提示，并給出相應的數據故障地址。

（2）每段皮帶運行系統在本地獨立運轉，同時通過網絡和其他鋼纜皮帶系統進行聯機通訊，并將自己的數據實時通過工業(yè)以太網傳輸給集中監(jiān)控計算機平臺。

（3）煤礦企業(yè)組成一個故障分析排查小組，一旦集中控制平臺分析數據有異常，技術人員進行故障分析并進行及時處理，高速有效地進行運轉。圖3是鋼纜皮帶監(jiān)控系統運輸監(jiān)控結構圖。

同時各自獨立的鋼纜皮帶電氣控制系統中使用兩個獨立的PLC子系統組成控制網絡，由操作PLC和保護PLC組成，兩套系統通過DP總線通訊，同時保護PLC采用冗余兩套PLC架構，一套處于熱機備用狀態(tài)，一旦檢測到一臺PLC出問題，立即進入工作。同時操作PLC系統通過485和上位機通訊，本地上位機帶有監(jiān)控和操作界面，實時顯示當前運轉情況。

2.2 煤礦鋼纜皮帶運輸網絡控制系統實際應用

煤礦鋼纜皮帶網絡監(jiān)控系統通過網絡化實時采集每臺鋼纜皮帶的數據，通過軟件分析數據情況。

集中監(jiān)控系統中采用主界面和分界面的方式，可以通過畫面切換實現系統各種功能。每臺鋼纜皮帶監(jiān)視畫面可以對皮帶的電流、電壓、溫度等參數進行監(jiān)控，實時監(jiān)控現場系統運行狀況，一旦軟件分析數據有異常，就報警，并通知相關技術人員進行分析處理。

在控制界面中可以實施遠程電機的開車、緊急停車、正常停車和安全復位等控制信號，通過遠程來顯示對現場設備的控制。

綜合自動化實際使用表明，該系統可以很好地滿足礦井生產的要求，能對現場皮帶運行系統進行實時的監(jiān)控，提高了煤礦運輸的安全可靠性和生產效率，為煤礦安全生產管理工作注入了新的活力，為建設數字化本質安全型礦井又添加了一塊基石。圖4為鋼纜皮帶網絡監(jiān)控系統實際使用圖。

3 結語

該文所研究的煤礦鋼纜皮帶運輸系統的綜合自動化充分利用了工業(yè)以太網通訊技術、PLC邏輯控制技術、計算機軟件算法技術、監(jiān)控軟件技術，實現對煤礦機電設備的遠程集中監(jiān)測與控制，并且各子系統既可以集中控制，也可以獨立自成體系單獨使用，提升了煤礦生產的安全系數。

該系統較好地實現了在統一集控室對鋼纜皮帶運行狀況的實時監(jiān)控，能夠及時地監(jiān)視現場各運行參數的狀況，一旦現場系統運行有故障可以實時地對事故進行相應的保護操作，實現對各段皮帶實時、可靠、快速的運行監(jiān)控效果。

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