煤礦掘進巷道安全監控系統的設計與實現

張照允，李 浩，王 磊，金 勇，胡亞洲

（1.兗州煤業股份有限公司興隆莊煤礦，山東 濟寧 272102；2.南京北路自動化系統有限責任公司，江蘇 南京 211161；3.東南大學 信息科學與工程學院，江蘇 南京 210096）

1 煤礦安全系統研究背景

煤礦井下掘進巷道工作環境惡劣，條件變化大，危險程度高，然而此處又是煤礦生產過程中必不可少的重要場所之一。如果在此處工作的系統發生故障，整個礦井的生產都將會受到影響，嚴重時可導致整個煤炭生產系統癱瘓甚至威脅到井下工作人員的生命安全。

為了提高煤礦掘進巷道監控系統的安全性和穩定性，實現巷道的少人化值守，從而達到減員增效、提高礦井自動化程度和安全程度的目的，本文設計了一種煤礦井下掘進巷道安全監控系統。該系統采用主站加多個監控站的控制方式， 我們的主要任務是系統總體方案的設計、主站及監控站的設計與實現，以及系統的現場運行調試工作。

2 監控系統總體方案設計

本系統主要包括主站、監控站和擴音電話3部分。

主站是整個系統的控制中心，是現場信息采集與控制指令發出的核心設備；完成整個控制系統的數據采集與處理、邏輯判斷與控制，以及對監控站、擴音電話等設備的控制；同時還具備實時顯示系統各個傳感器等設備的狀態及運行參數的功能；此外，主站還負責整個系統的通信組網以及與以太網交換機的連接等。

監控站實際上是主站的在掘進巷道中的延伸，其主要任務是隨著掘進工作面的推進，對新增加的運輸設備和監控設備等進行綜合控制和保護。考慮到掘進巷道環境惡劣，設備安裝、移動和調試的復雜，監控站在具備主站部分控制功能的同時，還有體積小、易安裝和操作簡便的優點。

掘進巷道沿線設備運行環境復雜，對設備的啟停過程進行語音提示不僅可以提高工作的效率，而且大大地提高了巷道的安全程度。工作人員通過擴音電話進行語音聯系、匯報各個設備的運行狀態以及在出現緊急情況時及時通知系統沿線的其他工作人員。此外，皮帶沿線傳感器信號可直接接入擴音電話，通過擴音電話實現數據采集，來自監控站的控制信號也可以通過擴音電話發送至皮帶機，從而減少了線纜敷設量。因此，擴音電話在掘進巷道中發揮著舉足輕重的作用。

主站及監控站周邊都部署有多個設備及傳感器，主站與監控站之間、主站與擴音電話之間、監控站與擴音電話之間通過線纜進行數據通信，從而共同完成系統數據采集、處理、設備控制、通信組網等功能。系統的總體框架如圖1所示。

掘進巷道安全集控系統主要涉及主站的設計、監控站的設計和智能擴音電話設計[1-2]。本文的研究重點是主站和監控站的設計與實現。

3 監控系統主站軟硬件的設計與實現

3.1 功能設計

監控主站作為整個集控系統的核心設備，是系統主要功能的實現平臺。本系統具備自動控制、集中手動控制和檢修等工作方式。自動控制是在整個皮帶機監控系統中所有設備都在聯控狀態下的一種工作方式，手動控制是在整個皮帶機監控系統中所有設備都在單控狀態下的一種控制方式。就地集中自動控制通過監控主站的按鈕，一鍵實現皮帶機集控系統所有設備的自動連鎖控制，就是完全由主站根據設定的邏輯過程對整個系統進行集中自動控制，各設備的運行滿足連鎖邏輯的要求，所有保護均投入使用。當系統處于檢修狀態時，操作臺及遠程監控站均無法操作皮帶機啟停，保證皮帶機檢修期間檢修人員的人身安全。當主站的控制器發生故障或設備調試等特殊情況下，可通過監控主機上的按鈕實現皮帶機手動制停。

圖1 集控系統總體結構

據煤礦皮帶機集控系統的控制要求，皮帶機自動控制依據以下原則：逆煤流啟動，順煤流停車；本臺皮帶機停止后，來煤方向皮帶機應立即停車。任意一條皮帶機若存在兩個以上的來煤皮帶機，則所有來煤皮帶機與該皮帶機相互閉鎖；在皮帶機接到報警信號后（如堆煤、跑偏、撕裂等）應立即停車，也可對一些報警信號進行只報警不停車處理。

3.2 設備選型

根據主站功能的要求，需要選擇合適的硬件設備，才能實現該系統的功能。設備選型主要包括主控單元的選擇和顯示設備的選擇。

3.2.1 主控單元選型

本系統選用西門子S7-200系列可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）[3]作為系統主控單元，完全滿足現場數字量輸入輸出和模擬量信號處理要求，同時配置以太網通信模塊，作為控制系統的主干通信網絡。實現少人化掘進巷道沿線設備集中連鎖控制，并對沿線設備進行全面的數據采集[4]。

3.2.2 顯示設備選型

本次設計采用北京昆侖通泰人機界面，是一套以先進的Cortex-A8 CPU為核心（主頻600 MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該產品設計采用了10.2英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率1 024×600），四線電阻式觸摸屏（分辨率4 096×4 096）。同時還預裝了MCGS嵌入式組態軟件[5]，具備強大的圖像顯示和數據處理功能；通過組態軟件開發掘進巷道安全集控系統監控畫面，實現顯示設備的運行狀態和保護傳感器的狀態，軟件具備設備運行記錄查詢，報警信息查看，軟件參數設置等功能。

3.3 架構設計

主站作為集控系統的核心設備，需具備復雜的邏輯編程控制能力。因此，我們選取PLC作為控制核心，PLC具備以太網接口、RS485通信接口、開發控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）轉RS485通信接口，實現PLC和智能擴音電話的數據通信。皮帶沿線的擴音電話通過CAN總線和PLC進行數據通信，皮帶沿線的傳感器就近接入到擴音電話內部，實現整條皮帶沿線一條CAN總線通信，系統架構簡潔。主機含有10寸人機顯示屏，實時顯示皮帶系統傳感器保護狀態，面板的操作按鈕可以對皮帶進行集中控制。監控系統主站結構如圖2所示。

圖2 監控主站結構

3.4 軟件流程設計

主站系統軟件設計主要完成皮帶運輸機運行狀態的控制和相應的故障處理、應急處理，同時響應人機交互指令，為上位機提供皮帶運行中實時的狀態信號與參數。根據系統功能的要求，軟件設計的主要流程如圖3所示。

圖3 主站軟件設計流程

4 監控系統中監控站的軟硬件設計與實現

4.1 功能設計

掘進巷道皮帶和刮板機隨著掘進工作面的推進，不斷進行延伸、設備移動或者增加新的運輸設備，皮帶進行延伸需要增加皮帶沿線的擴音電話和急停開關，增加新的皮帶需要增加新的監控分站進行皮帶綜合保護；掘進巷道設備移動、增加需要進行快速調試或者免調試滿足掘進工作面生產的需要；同時掘進巷道沿線設備運行環境復雜，設備啟停過程需要進行語音提示，人員需要通過擴音電話進行語音聯系。根據現場調研和對煤炭安全規程分析，皮帶監控分站需要具備以下功能。

（1）皮帶機綜合保護裝置需要具備皮帶機完善的保護功能，產品需要具有打滑、堆煤、超溫、跑偏、煙霧、撕裂、急停、張緊、灑水等保護功能。

（2）監控分站采用CAN總線通信，監控分站可以通過CAN總線接入擴音電話，實現皮帶啟動前預警，故障語音智能播報，定位設備故障位置。

（3）監控分站和擴音電話之間，監控分站和監控分站之間具備打點功能，同時監控分站可以和擴音電話進行語音對講，實現皮帶沿線局部的語音通信，方便人員之間通信聯絡。

（4）擴音電話具備傳感器接入功能，皮帶沿線一條CAN總線進行數據傳輸，現場布線少，維護方便。

（5）快速調試功能，監控分站對單條皮帶的綜合保護功能，不需要調試，設備接入即形成綜合保護功能，現場使用方便。

（6）快速連鎖控制功能，多條皮帶多個監控分站之間通過撥碼開關簡單設置皮帶連鎖順序，即可實現皮帶直接的連鎖集中控制，現場調試和使用非常方便。

4.2 通信方式選擇

CAN總線擁有極高的可靠性，經過環境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業環境考驗，而煤礦也同樣存在這些復雜環境，同時CAN總線的實時性很高，完全滿足控制系統的要求。因此本次設計選用CAN總線作為監控主站與監控分站之間，監控分站和智能擴音電話之間的現場通信總線，為系統通信穩定提供技術保障。項目設計CAN轉RS485模塊和PLC的RS485接口對接[4]，設備如圖4所示。

圖4 CAN轉RS485模塊和PLC的RS485接口對接

4.3 架構設計

監控站采用嵌入式單片機設計，操作面板包括指示燈及液晶屏。監控分站控制箱分為兩部分，上部為隔爆腔，下部為本安腔。本安腔面板由顯示屏、操作鍵盤、指示燈組成；隔爆腔有電源模塊和電機接口板等組成。隔爆腔內部設計電源模塊支持AC127電源接入，電機接口板支持2臺電機的控制，同時支持灑水電磁閥控制。本安腔設計顯示屏進行設備保護信息顯示，操作鍵盤采用IO模塊設計，接入操作按鈕進行設備集中控制，指示燈顯示設備運行狀態，分站之間打點信號狀態和語音通信狀態；語音模塊實現與擴音電話之間的語音通信。控制板進行設備傳感器接入，對皮帶保護進行信號采集。系統功能架構如圖5所示。

圖5 監控站結構

4.4 軟件流程設計

監控站采用嵌入式單片機設計，軟件程序固化在ARM芯片內部，可以通過撥碼開關進行快速設置，系統架構也可以隨著設備移動進行系統擴容；多個監控分站通過CAN總線連接，通過撥碼開關設置后，自動組成連鎖控制關系，實現多條皮帶或者刮板機的集中連鎖控制。監控站通過檢測接入傳感器DIAI信號判斷皮帶運行狀態及對皮帶進行保護，各監控站之間通過can總線相互通信，完成煤流聯控功能。監控站軟件設計流程圖如圖6所示。

圖6 監控站軟件設計流程

5 系統的現場聯調與測試

5.1 系統主站的功能測試

測試時，我們主要測試主站的以下4個功能：綜合保護功能、語音通話功能、集中控制功能和人機界面顯示功能。

5.1.1 綜合保護功能

系統主站具備：打滑、堆煤、超溫、跑偏、煙霧、撕裂、急停、張緊、灑水等保護功能；現場通過人為改變傳感器狀態，使傳感器采集到非正常狀態信號，模擬設備的故障現象，驗證主站是否控制設備停機或者觸動電磁閥灑水；現場模擬主站保護正常；傳感器故障的情況下，主站和擴音電話通過語音播報設備傳感器故障位置，實現故障精確定位。

5.1.2 語音通話功能

安排兩個人員，一人在主站旁邊，一人在皮帶沿線擴音電話旁，皮帶擴音電話旁人員按下擴音電話局部按鈕說話，皮帶沿線其他擴音電話和主站喇叭播放說話內容；主站旁邊人員按下主站對講按鈕說話，皮帶沿線擴音電話同樣播放說話內容；設備沿線人員可以把擴音電話當作對講機使用。

5.1.3 集中控制功能

把系統全部的監控分站設置在遠控模式，監控主站設置在就地單控模式，操作面板按鈕可以實現對單條皮帶或者溜子的遠程啟停控制，現場測試功能正常；監控主站設置在就地集控模式，操作面板按鈕可以實現掘進巷道煤流的逆煤流啟動，順煤流停機，現場測試功能正常。

5.1.4 人機界面顯示功能

通過組態軟件開發掘進巷道安全集控系統監控畫面，實現顯示設備的運行狀態和保護傳感器的狀態，軟件具備設備運行記錄查詢，報警信息查看，軟件參數設置等功能，通過改變傳感器信號狀態，觀察顯示屏信息顯示狀態，測試發現信號反應速度快，大約在1秒鐘顯示屏信號改變。現場測試如圖7所示。

圖7 主站人機界面

5.2 監控站的功能測試

現場測試時測試了幾個功能：綜合保護功能、語音通話功能、快速連鎖功能和狀態顯示。其中綜合保護功能和語音通話功能的測試與主站類似，此處不再贅述。

5.2.1 快速連鎖功能

對2部溜子到6號皮帶按順序把撥碼開關設置為2—6，把監控主站CAN地址設置為1；設置完成后把2—6號皮帶監控分站全部設置到遠控模式，在監控主站設置為就地模式按下集控啟動，可實現1—6號皮帶的連鎖集中控制，現場調試和使用非常方便。

5.2.2 狀態顯示

監控分站可以實時顯示系統保護傳感器的實時狀態和報警狀態，可以顯示集控系統其他監控分站的控制模式和故障狀態，通過改變傳感器狀態和其他分站狀態，監控分站信息顯示正確，設備正常。狀態顯示如圖8所示。

圖8 監控站狀態顯示

6 結語

本文針對興隆莊煤礦掘進巷道設備多，自動化程度較低，設備操作崗位多、啟動時間長、膠帶機空轉率高、生產效率低，且易引起誤操作等實際情況進行少人化掘進巷道安全集控系統技術研究。（1）通過基于PLC的煤礦井下掘進巷道安全集控系統的建設，皮帶運輸的效率顯著提高，系統完成后在1號皮帶機頭安排一名皮帶司機來對各條皮帶進行集中控制，另外安排一名檢修人員，可減少膠帶機司機3～4名，勞動效率提高了1.5倍，工作效率大約可提高25%以上，而且隨著對運輸設備的有效監控和實現掘進線的高效通信，減少掘進面運輸事故，保證掘進的安全進行，掘進效率提高了5%。（2）基于PLC的煤礦井下掘進巷道安全集控系統的實時工況監測，智能故障診斷，語音智能播報，無線終端對擴音電話的語音對講等使用功能，讓集控人員可以實時掌握皮帶系統設備的工作狀態，人員及時溝通，極大地降低了設備的運行成本，提高了設備的開機率。

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