機(jī)巷運(yùn)輸自動(dòng)化集中控制系統(tǒng)在沿溝礦的應(yīng)用

蔡正華，葉迪保，駱黃艷

（樂礦集團(tuán)，江西 景德鎮(zhèn) 333300）

1 概述

沿溝煤礦開采急傾斜煤層群，采用“急傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法”開采。 工作面煤炭經(jīng)機(jī)巷后采用刮板輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)運(yùn)至煤斗。 采區(qū)機(jī)巷運(yùn)輸系統(tǒng)基本運(yùn)輸單元由多條皮帶、刮板輸送機(jī)搭接形成。 沿溝煤礦現(xiàn)有的原煤開采輸送系統(tǒng)，均靠人工操作及巡檢維護(hù)。 因此，每部設(shè)備均需配備刮板輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)司機(jī)。 采面初采期，工作面走向長度較長， 皮帶、 刮板輸送機(jī)較多， 最多時(shí)可達(dá)9部，最少時(shí)也有5 部，造成企業(yè)用工多，人力成本占到企業(yè)噸煤成本的一半以上。 隨著國家煤礦安全監(jiān)察局《煤礦井下單班作業(yè)人數(shù)限員規(guī)定（試行）》的通知的下發(fā)及煤礦企業(yè)招工難等突出問題，自動(dòng)化減人工作已成為各煤礦企業(yè)發(fā)展趨勢和努力追求的目標(biāo)。 而采區(qū)工作面機(jī)巷運(yùn)輸集中自動(dòng)化控制系統(tǒng)能從根本上解決采區(qū)機(jī)巷設(shè)備用人多、 故障多、成本高等問題，具有重要的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

2 采區(qū)機(jī)巷運(yùn)輸自動(dòng)化集中控制系統(tǒng)簡介

采區(qū)機(jī)巷運(yùn)輸自動(dòng)化控制系統(tǒng)是以視頻、自動(dòng)化及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集于一體的智能監(jiān)控裝置；以智能模型為核心的控制思路，組成井下煤炭輸送的智能物聯(lián)網(wǎng)，達(dá)到全井無憂安全輸送。

2.1 系統(tǒng)框架

采區(qū)機(jī)巷運(yùn)輸自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，各智能控制分站是通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)接口連接在一起的。 各分站具有獨(dú)立工作能力， 可自主完成既定的任務(wù)，如數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)視、操作和控制等。 對礦井運(yùn)輸系統(tǒng)來說，就是針對每一條生產(chǎn)線設(shè)置一個(gè)智能控制分站，一條生產(chǎn)線包括由不同臺數(shù)的皮帶機(jī)與刮板機(jī)組成，獨(dú)立自主完成對一條生產(chǎn)線運(yùn)輸設(shè)備的控制、顯示和操作。 采區(qū)機(jī)巷運(yùn)輸自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 采區(qū)機(jī)巷運(yùn)輸自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 控制保護(hù)功能

系統(tǒng)為實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有完善的生產(chǎn)監(jiān)控管理功能，能對運(yùn)輸主要環(huán)節(jié)及相關(guān)的輔助環(huán)節(jié)的生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、顯示、記錄，對井下運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程集中監(jiān)控；同時(shí)配合工業(yè)電視系統(tǒng)進(jìn)行安全圖像監(jiān)視，以確保人員及設(shè)備的安全。 監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施后，操作員可在中控終端上監(jiān)視及控制運(yùn)輸生產(chǎn)過程，完成對運(yùn)輸生產(chǎn)及相關(guān)環(huán)節(jié)的“遙測、遙信和遙控”，實(shí)現(xiàn)了礦井運(yùn)輸生產(chǎn)系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化。 各設(shè)備的保護(hù)信號有打滑、堆煤、斷軸、超溫、煙霧、縱撕、灑水、跑偏、倉滿、急停閉鎖、斷鏈、板斜、掉鏈等。

2.3 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控中心站、網(wǎng)絡(luò)層、現(xiàn)場控制分站組成。 主要設(shè)備包括上位機(jī)、組態(tài)軟件、礦用隔爆交換機(jī)、 隔爆兼本安型PLC控制箱、 隔爆液晶屏、總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、防爆攝像頭及各類傳感器等部分。

2.4 外接數(shù)據(jù)交換

根據(jù)現(xiàn)場的設(shè)備布置情況， 采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 在設(shè)備層采用專用總線技術(shù)。 在控制層采用專用的控制網(wǎng)絡(luò)。 在系統(tǒng)接入的信息層采用工業(yè)以太網(wǎng)。 系統(tǒng)保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的暢通行，網(wǎng)絡(luò)具有路由的功能，能通過上位系統(tǒng)的以太網(wǎng)、路由到控制層和設(shè)備層。

2.5 系統(tǒng)功能

（1）實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測

各監(jiān)控子系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)工況參數(shù)，可以采用圖形、報(bào)表的形式顯示系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工況。

具體監(jiān)測的工況參數(shù)：如皮帶是否打滑、斷帶、跑偏、撕裂、煙霧，皮帶機(jī)是否堆煤，刮板機(jī)的聯(lián)軸器與減速器的溫度，電機(jī)的溫度、轉(zhuǎn)速，減速器內(nèi)的油位，刮板的運(yùn)行狀態(tài)，刮板機(jī)是否堆煤等。

（2）實(shí)時(shí)過程控制

分析采集的參數(shù)，各系統(tǒng)自動(dòng)完成過程控制或由操作員操作控制。 系統(tǒng)控制模式分為遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、就地運(yùn)行控制。 模式切換可在觸摸屏及上位機(jī)上完成。 正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)一般處于遠(yuǎn)程自動(dòng)控制狀態(tài)。 系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)程序控制生產(chǎn)線上設(shè)備自動(dòng)按順序啟動(dòng)、運(yùn)行、連鎖與保護(hù)及停車全過程的控制和監(jiān)測。 協(xié)助運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)可以處于遠(yuǎn)程手動(dòng)控制狀態(tài)。 根據(jù)生產(chǎn)要求由操作人員協(xié)助控制生產(chǎn)線上設(shè)備的開、停車，保留集中自動(dòng)控制的全部功能。 檢修試車時(shí)，系統(tǒng)處于就地運(yùn)行控制狀態(tài)。 通過現(xiàn)場設(shè)備控制柜上的起停裝置控制設(shè)備的開、停車，保留單臺設(shè)備的保護(hù)功能。

（3）歷史數(shù)據(jù)查詢

以上生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)均可存儲于生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)庫中，可實(shí)現(xiàn)歷史回顯、歷史趨勢分析，進(jìn)行綜合分析。 提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及曲線、歷史數(shù)據(jù)及曲線、報(bào)警參數(shù)記錄、報(bào)警數(shù)據(jù)、起停車的時(shí)間記錄等。

（4）視頻監(jiān)控

利用遠(yuǎn)程視頻攝像儀，在中控或各子站均可實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀況，通過網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)視頻傳至井上并保存，以便后期調(diào)閱。

（5）設(shè)備故障及模擬量超限報(bào)警

當(dāng)設(shè)備故障或模擬量超限時(shí)，生產(chǎn)監(jiān)測及管理網(wǎng)絡(luò)同步顯示故障設(shè)備名稱，并可實(shí)現(xiàn)報(bào)警、實(shí)時(shí)打印故障功能。 如設(shè)備出現(xiàn)各類故障時(shí)，系統(tǒng)將聲光報(bào)警并按預(yù)設(shè)程序進(jìn)行連鎖動(dòng)作， 并對故障時(shí)間、位置及類型等信息進(jìn)行記錄。

3 采區(qū)機(jī)巷集中自動(dòng)化控制系統(tǒng)在沿溝礦31701 工作面的應(yīng)用

3.1 機(jī)巷運(yùn)輸情況及存在問題簡介

31701 采區(qū)機(jī)巷共裝設(shè)皮帶輸送機(jī)二部、 刮板輸送機(jī)四部。 整條機(jī)巷全長700 余米，兩處90 度拐彎。 當(dāng)工作面來煤后，最后一部刮板輸送機(jī)司機(jī)發(fā)信號通知第一部司機(jī)，由第一部司機(jī)將皮帶輸送機(jī)開啟；等第一部開啟后，第二部司機(jī)再將二部皮帶輸送機(jī)開啟；按此步驟，直到最后一部刮板輸送機(jī)運(yùn)行。 為此礦人力資源部給該機(jī)巷定員20 人（操作工每班6 人、維修鉗工2 人）。 由于原有操作工藝復(fù)雜，導(dǎo)致該機(jī)巷存在三個(gè)方面問題：①從發(fā)出信號到設(shè)備全線運(yùn)轉(zhuǎn)起來，需10 多分鐘，一旦工作面來煤較快，極易壓死刮板輸送機(jī)。 ②由于下煤斜坡除下煤外，也是工作面進(jìn)風(fēng)巷，煤流不及時(shí)運(yùn)走，會影響工作面進(jìn)風(fēng)斷面，經(jīng)常造成工作面少風(fēng)、無風(fēng)作業(yè)及瓦斯超限；③由于工作面采用炮采，工作面出煤量極不穩(wěn)定。 為減輕工作量，崗位人員停機(jī)時(shí)間較少，尤其中、晚班，設(shè)備幾乎不停，造成刮板輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)長期空負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，中部槽、鏈環(huán)、托輥等零配件磨損消耗特別大； 這樣既增加了材料費(fèi)， 又增加了維修工作量， 還增加了電費(fèi)支出。為了有效化解老工藝給生產(chǎn)帶來的被動(dòng)影響，提高安全生產(chǎn)可靠性， 提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益， 沿溝礦于2018年10月采用EPC 模式，引進(jìn)北京昌盛傳動(dòng)技術(shù)有限公司采區(qū)機(jī)巷運(yùn)輸自動(dòng)化集中控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了31701 機(jī)巷運(yùn)輸設(shè)備集中自動(dòng)化控制。

3.2 系統(tǒng)安裝

為減少線路聯(lián)接，每臺設(shè)備上布置了一臺分站及一個(gè)紅外攝像頭，各臺設(shè)備傳感器通過分站PLC進(jìn)行程序處理，主站（操做臺）與控制分站之間通過光纖總線方式連接組成控制網(wǎng)絡(luò)，各控制分站是通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)接口連接在一起。 整條機(jī)巷只需增加光纜一根，兩芯屏蔽阻燃通訊線一根。 由于設(shè)備采用PLC 程序控制，設(shè)備未投入使用前，可用程序?qū)⑿略O(shè)備所有點(diǎn)進(jìn)行短接，確保了設(shè)備安裝期間不會對現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)造成影響。

3.3 系統(tǒng)操作

系統(tǒng)的控制方式：具有集中自動(dòng)運(yùn)行、單機(jī)自動(dòng)運(yùn)行、就地三種工作方式。 機(jī)巷只需兩人，一人操作、一人巡視；操作人員通過最后一部刮板輸送機(jī)尾攝像頭觀察來煤情況，一旦刮板輸送機(jī)尾煤量達(dá)30 mm，便發(fā)出指令從最后一部設(shè)備往前逐臺開啟。當(dāng)無煤時(shí)， 系統(tǒng)會從里面逐臺往外停止設(shè)備運(yùn)行，確保設(shè)備不會被煤流壓死。

4 使用效果分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效果

（1）人工成本收益：原6 臺設(shè)備操作人員18 人/天，改造后6 人/天，按礦機(jī)巷設(shè)備操作工崗位3 500 元/月（含四險(xiǎn)一金）計(jì)算，則年節(jié)約人工費(fèi)用12×4.2 萬元=50.4 萬元。

（2）電量支出收益：由于設(shè)備由原逆煤流啟動(dòng)改為順煤流啟動(dòng)及增加了停機(jī)頻率，通過機(jī)巷表計(jì)對比，電能節(jié)約可達(dá)30%以上。 按沿溝礦對近4年統(tǒng)計(jì)每臺設(shè)備單耗計(jì)算， 取平均值0.218 萬度臺/月，年合計(jì)用電量約為0.218×6 臺×12 個(gè)月=15.696萬度，按綜合電價(jià)0.79 元/ 度計(jì)算：15.696×0.79=12.4 萬元。 則年節(jié)約電費(fèi)：12.4×0.3=3.72 萬元。

（3）設(shè)備損耗收益粗算：改造后設(shè)備空運(yùn)行時(shí)間可減少30%，按皮帶機(jī)每臺設(shè)備價(jià)值約18 萬元，刮板輸送機(jī)每臺設(shè)備價(jià)值約10 萬元，6 臺設(shè)備合計(jì)約76 萬元；年節(jié)省設(shè)備損耗費(fèi)用76×0.3=22.8 萬元/年。

機(jī)巷運(yùn)輸系統(tǒng)集中自動(dòng)化控制改造后，與原系統(tǒng)相比預(yù)計(jì)4年可節(jié)約費(fèi)用為307.68 萬元， 除去支付北京昌盛傳動(dòng)技術(shù)有限公司投資82.66 萬元費(fèi)用外，沿溝礦四年可節(jié)約費(fèi)用225.02 萬元。

4.2 社會效果

通過該項(xiàng)目的實(shí)施，企業(yè)用工大量減少，若沿溝礦生產(chǎn)的五個(gè)采面全部投入采區(qū)機(jī)巷集中自動(dòng)化控制系統(tǒng)后，五個(gè)采區(qū)將直接減少一線作業(yè)人員50 人，將大幅度緩解目前煤礦招工難、用工多的突出問題；特別是滿足了《煤礦井下單班作業(yè)人數(shù)限員規(guī)定（試行）》通知的要求，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下人少則安、無人為安的安全理念和自動(dòng)化減人、機(jī)械化換人的目標(biāo)。

5 結(jié)語

機(jī)巷集中自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過沿溝礦近一年的使用，基本達(dá)到了無故障運(yùn)行，且安裝、使用方便，安全可靠性高，并得出如下結(jié)論：

1）本項(xiàng)目采用EPC 模式運(yùn)作，企業(yè)投資做到了零風(fēng)險(xiǎn)。

2）機(jī)巷運(yùn)輸系統(tǒng)集中自動(dòng)化控制改造后，與原系統(tǒng)相比預(yù)計(jì)4年可節(jié)約費(fèi)用為307.68 萬元，除去投資82.66 萬元費(fèi)用外， 四年可節(jié)約225.02 萬元。

3）通過該項(xiàng)目的實(shí)施，企業(yè)用工大量減少。 原系統(tǒng)每天需要18 人， 采區(qū)機(jī)巷集中自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)施后每天只需要6 人，大幅度減少了井下一線人員數(shù)量，切合《煤礦井下單班作業(yè)人數(shù)限員規(guī)定（試行）》的通知要求，實(shí)現(xiàn)煤礦井下人少則安、無人為安的安全理念和自動(dòng)化減人、機(jī)械化換人的目標(biāo)。