高應力、沖擊煤層中下山皮帶遠程監控系統的研究與應用

摘 要：目前，礦井皮帶運輸系統是原煤運輸的重要環節，因此其安全高效運行受到很大程度的重視。由于耿村煤礦礦井皮帶運輸系統分布廣，信息分散及控制要求高，隨著礦井生產規模的不斷擴大，以及技術水平的不斷提高，現代化礦井也需要現代化管理，加上礦井沖擊地壓危害影響，對皮帶運輸系統的控制和管理提出了更高要求。本文針對處于沖擊地壓危險區域的強力皮帶，探索其在地質條件復雜、地鼓變形發展較快的區域如何實現無人化操作。

關鍵詞：高應力煤層；下山皮帶；遠程監控

中圖分類號：TD634.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）10-0098-03

High Stress， Impact Coal Seam down the Mountain Belt

Remote Monitoring System Research and Application

WANG Shaobo TANG Feihuang

（Gengcun Coal Mine Henan Energy Yima Mining Company，Mianchi Henan 472431）

Abstract： At present， the mine belt transportation system is an important link of raw coal transportation， so its safe and efficient operation has been paid great attention to. Because gengcun coal mine belt transportation system is widely distributed， information dispersion and control requirements of high characteristics， with the continuous expansion of mine production scale， as well as the continuous improvement of technical level， modern mine also needs modern management， combined with mine rock burst hazards， the belt transportation system control and management put forward higher requirements. In this paper， in view of the strong belt in the dangerous ground pressure zone， how to realize the unmanned operation in a region with complex geological conditions and rapid deformation of the ground drum was explored in this paper.

Keywords： high stress coal seam；downhill belt；remote monitoring

1 問題的提出

沖擊地壓防治作為煤炭行業一大難題，至今仍沒有較好的防治辦法。在沖擊地壓危險區域實施設備的無人化操作，是當前沖擊地壓礦井實現安全生產的重要途徑和技術手段。隨著煤礦安全生產新技術的不斷推廣應用和管理水平的不斷提高，如何將皮帶機生產過程作為一個整體來考慮，形成全生產過程的綜合監控，是本項目研究的方向。

耿村煤礦西延伸皮帶巷位于西區上山強力皮帶巷以下，擔負著整個西區上山的原煤運輸任務。受井下實際條件限制，西延伸皮帶機布置在2-3煤層與2-3煤頂板巖石交界處，并處于沖擊地壓應力集中區。此處經六通巷與軌道相連接，機頭往上約100m是第五通道，機頭往下緊挨是西區13230工作面上巷，附近巷道布置較多，壓力大，極易變形，巷道支護困難。西延伸皮帶機頭布置在此處，對其安全運行具有一定影響。該項目以耿村煤礦西區延伸強力皮帶遠程監控系統為例，重點論述沖擊地壓危險區域設備遠程監控系統控制技術。

2 遠程控制系統總體設計方案

西區延伸皮帶機型號為DTL100/100/4×560S，全長450m，帶速3.15m/s，機頭無緩沖煤倉，采取溜煤槽與上部皮帶進行搭接，驅動裝置采用變頻電控系統控制，安裝有唐山開誠設計的500kW變頻器4臺，PLC控制系統是基于西門子S7-300PLC的控制系統。該系統具備DP現場總線及工業以太網CP343-1控制接口，且西區1#變電所安裝有環網交換機，具備遠程控制的硬件條件。

①在西區1#變電所設計安裝遠程控制箱作為控制核心，配置與現場原唐山開誠電控系統功能一致的操作臺，利用PROFIBUS總線通訊，進行遠程控制數據交換，從而實現皮帶機遠程啟停控制。同時，利用工業以太網，將現場設備的實時電壓、電流及保護狀況等運行參數同步傳輸至遠控操作臺上位機顯示屏上，實現對皮帶機狀態的實時監視。

②在西區1#變電所安裝視頻監控系統，對四個驅動及現場皮帶沿線布置8個攝像頭，實時監視皮帶運行狀況。

③加裝語音報警系統，實現皮帶開啟時，沿線語音提示報警，同時具備與現場遠程對講、打點等通訊功能，保證設備安全運行。

3 實施方案介紹

3.1 設計原則

①驅動、控制系統設計與選型，遵循技術先進、配置優良、運行安全可靠及經濟合理的原則[1]，以保證系統長期穩定運行為目標，使系統總體性能達到國內同行業先進水平。

②傳感器的設計與選型要滿足膠帶運輸機運行管理對自動化的要求，即膠帶運輸機運行過程中各環節自動控制和報警、自動保護、自動操作及自動調節，提高系統的運行效率，降低運行成本，對系統的重要過程參數、設備狀態等進行集中監測。

③硬件的選擇配置要符合IEC和GB標準，產品具有高性能、高標準，能滿足不斷升級換代的需要，且易于擴展，操作維護簡便。配套系統軟件完整，系統具有二次開發功能，并預留與礦井綜合自動化系統通信的接口。

3.2 系統設計

3.2.1 網絡拓撲設計。原系統采用西門子S7-300平臺構建帶式輸送機本地站點控制系統，同時具備DP現場總線及工業以太網接口；系統接口較完備，可拓展性佳。增加遠控站點后的系統拓撲圖如圖1所示。

3.2.2 遠控控制箱的設計。控制箱是整個膠帶機集中控制系統的核心，選用SIEMENS公司的S7-300 PLC完成整個系統的數據采集與控制；內置DI/DO 64點，實現被控對象與PLC輸出點一一對應，保證對變頻器及保護裝置的控制。配置PROFIBUS通訊模塊、Ethnernet模塊，與變頻器及綜合自動化系統通訊，實現遠程控制和監控。

該控制箱可與國內各種膠帶機軟起動設備配合，變頻驅動裝置可實現膠帶機軟起動、軟停車，延長膠帶機使用壽命。

3.2.3 本安型遠程操作臺的設計。遠控站點應與原控制站點實時通信，及時顯示帶式輸送機系統的狀態并能操作控制該系統；具備原控制站點的所有指示狀態及操作邏輯，并與其操作動作相互閉鎖；應至少配備如下按鈕及顯示屏以完成遠控站點與操作員之間的人機交互：遠控站點的設計應兼容原控制系統的通信方式，即基于S7-300系列控制器的PROFIBUS-DP及以太網通信。

本設計方案遠控點操作臺具備“啟用”“停用”兩種模式。

①啟用操作。以遠控操作臺作為集控中心，接收來自皮帶機現場的電流、電壓及保護狀態等參數，操作員只能在遠控點按程序開、停皮帶機操作，其操作方式與原操作臺相同。

此時，遠控點操作臺選用旋鈕均應打至“啟用”位置，操作面板對應的皮帶機4臺電機選擇等控制旋鈕均打至“選擇”位置，遠控操作臺工作方式打在“就地”工作方式，檢查操作臺顯示屏界面無故障報警信息，按下操作臺“啟動”按鈕，皮帶自動按程序進行預警開車。

②停用操作。以原現場集控臺為集控中心，遠控操作臺上位機仍能接收來自皮帶機現場的電流、電壓及保護狀態等參數，但操作人員只允許在原現場操作臺進行開、停皮帶機操作。

此時，遠控操作臺旋鈕打至“停用”位置，遠控操作臺控制指令被屏蔽，不允許操作，但急停按鈕有效。

3.2.4 視頻監視系統設計。①根據現場實際觀測，并結合現場操作人員的操作習慣，在帶式輸送機沿線增加8路視頻攝像頭，由同軸模擬信號轉換為光電信號通過光纖網絡傳送至遠控站點位置的視頻服務器并接由顯示設備輸出帶式輸送機運行現場的實際狀況。遠控點視頻監控如圖2所示。

②系統具有實時日期和時鐘視頻疊加功能，對輸送機全程視頻圖像進行實時日期、時鐘預覽和錄像，保證運輸過程的完整性和真實性。其日期和時鐘在畫面中的顯示方式和顯示位置可根據現場實景進行調整。

③系統的預覽顯示畫面在多畫面顯示方式下，其顯示位置可進行人為調整。

④系統具有錄像資料轉制DVD光盤存儲功能，便于資料的保存和資料審閱的便捷，對剩余硬盤容量顯示和不足警示，提供線性和循環錄像兩種模式，并具有客戶端錄像資料的檢索、管理和回放功能。

3.2.5 現場語音報警及語音通話系統（見圖3）。原設備現場已存在現場總線式的語音報警及通話系統，在距機頭位置300m處設置一遠控站點。為保證整個現場通信系統的暢通及完備性，在沿線增加4臺語音報警箱，需將現場設備總線延伸至遠控站點處并配置相關設備。

通過此配置可將原系統所具備的聲音報警及語音通話系統拓展至遠程控制站，完成原控制系統功能與遠程控制站點功能的對接，實現遠程打點、通話及報警等功能。

3.3 系統實現功能及特點

3.3.1 系統實現功能。①設備控制方式和工藝流程選擇、啟車預告、系統單起/程序啟停、系統運行的閉鎖、過程參數的實時監測。②診斷功能，能快速準確地識別模塊配置錯誤、模擬量超程及線路斷線等故障，自動報告總線通訊錯誤還是網絡錯誤。③網絡通訊功能，利用已建成的工業以太環網，將兩套操作系統組成一個網絡，將現場采集的信息匯集到西區1#變電所遠控站點，并在操作臺上位機同步顯示，同時，也可將遠控點指令通過網絡傳現場操作臺。④各種檢測和保護功能，實現對各種電壓、電流、保護狀態等運行參數的監控，并用圖形軟件在屏幕上顯示出動態畫面，實現對所有設備保護信號的檢測。⑤啟停車聲光預告和語音報警功能，啟停車前可利用廣播系統和信號系統預告；若系統出現故障，可在上位機上提示故障并進行語音報警。⑥視頻聯動功能，通過攝像機對西延伸皮帶機重點部位進行監視，并通過視頻網絡將圖像傳至遠控點，使操作人員能及時獲取大量直觀的現場圖像，為安全生產提供保障。

4 實施效果

4.1 使用效果

西區延伸皮帶遠程監控系統投入使用以來，通過采用沖擊地壓危險區域無人化遠程監控技術，從根本上解決了沖擊地壓類型礦井危險區域設備生產期間人員躲避問題，實現皮帶機崗點的無人操作，累計安全生產原煤約150萬t，充分證明該技術具有便于實施監控、遠距離操作的特點，產生了巨大的技術、安全和社會效益。

整個系統采用智能PLC控制運行，安裝西區1#變電所上位機完全復制現場原硬件設備實時運行的畫面監控和操作，可實現設備運行電流、電壓、保護狀態參數遠程監視、故障報警和故障記錄等多種功能，使職工無需進行過多培訓就可以進行設備開啟和停止，極大地降低了操作工人的學習難度。

4.2 經濟與社會效益分析

4.2.1 減少設備啟停車時間，降低電耗。根據現場開停車的需要，通過不斷完善調整啟停車程序，最大程度地減少啟停車時間，考慮與上山皮帶同時啟車，縮短啟車時間；詳細計算兩部皮帶的閉鎖關系，盡量縮短停車時間，降低電耗。

4.2.2 先進的監測系統，減少事故處理時間，提高經濟效益。該系統運行可靠，維修量小。在事故發生時，其先進的監測系統能及時準確地找出事故發生地點，便于采取正確的處理措施，縮短事故處理時間，按平均每月事故處理減少0.5h計算，每年可節約6h，按600t/h計算，每年可減少損失3 600t原煤；按400元/t計算，可減少損失資金3 600×400=144萬元。

5 結語

系統投運后，實現了沖擊地壓危險區域皮帶機司機崗位無人化操作，從根本上解決了操作人員的人身安全問題，滿足了耿村煤礦在新形勢下的防沖工作需要。

參考文獻：

[1]韓秀琪，楊曉輝，宋永寶.礦井皮帶遠程監控系統的設計與實現[C]//劉成，朱拴成.煤礦綜合自動化與機電技術.徐州：中國礦業大學出版社，2012.