閉鎖擴音電話在煤礦皮帶控制系統中的應用

張仰望

(中煤能源大屯煤電公司姚橋煤礦，江蘇 徐州 221611)

1 概述

皮帶輸送機是煤礦生產中非常重要的運輸設備，它能否安全高效的運行，直接決定著礦井機電設備的開機率和產量。目前，皮帶輸送機控制系統主要采用PLC的控制模式，它能夠為自動化控制應用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當前煤礦企業對自動化的需要，可以與擴音電話、工業電視等系統構成一個完整的操作、調度、監視網絡，實現對整個皮帶控制系統的遙測、遙信、遙控。

中煤集團大屯公司姚橋煤礦位于蘇魯交界的微山湖西岸，礦井地質儲量5.4億t，原設計能力為年產120萬t，經過幾次改擴建，礦井生產能力達到年產300萬t以上，2010年以來年生產原煤達到445萬t，是江蘇省境內規模最大的特大型礦井。目前姚橋礦主煤流運輸系統共21部皮帶機，全部實現了集中控制，由地面監控室統一操作。

針對姚橋礦東六一號皮帶大巷，要求采用PLC集中控制，在PLC中能夠顯示擴音電話狀態、閉鎖位置，并且控制系統能和地面集控中心互聯互通。因此提出了一種基于RS485通信方式，Modbus-RTU通信協議擴音電話組成的新型控制系統。該擴音電話具備閉鎖功能，同時集成了語音、數字通信、狀態采集的功能，在皮帶沿線發生危險或存在安全隱患時，通過按下擴音電話的閉鎖按鈕，可以給皮帶控制系統一個控制信號，從而可以對設備做出相應的反應，提高煤礦安全生產的水平。當閉鎖發生時，話機的位置也同步傳輸到皮帶控制系統的PLC中，從而可以判斷話機的具體位置，可以快速定位便于排查，提高煤礦功效及經濟效益。

2 技術方案

姚橋煤礦東六一號皮帶大巷全長1650 m，整個皮帶控制系統中的閉鎖擴音電話一般安裝于皮帶架外側，按100 m均勻布置，共安裝了17臺擴音電話。控制部分為西門子S7-300系列PLC，在皮帶機頭設立主站，控制器采用315-DP模塊，自帶以太網接口，配置有數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊，所有IO模塊都經過信號隔離以后進入模塊，實現對模塊通道的保護。為了便于現場的使用，沿線擴音電話一般由機頭電源集中供電，擴音電話采用內置電池，當有外電時給話機電池充電，擴音電話的語音部分全部由電池供電。擴音電話具備語音通信接口，可以直接接入PLC上的語音預警信號，實現設備的啟車、停車及故障預警，提醒沿線人員注意；具備閉鎖按鈕，當拍下閉鎖按鈕時，能將該閉鎖動作信號傳輸到PLC中進行相應的動作；具備定位功能，從PLC的組態界面能直觀地看出是第幾臺擴音電話發生的閉鎖動作。綜上所述，如何實現擴音電話的集中供電、閉鎖定位及可靠的控制是設計的重點及難點。閉鎖擴音電話在皮帶控制系統的典型應用如圖1。

圖1 閉鎖擴音電話在皮帶控制系統的典型應用

3 產品設計及工作原理

基于上述方案，閉鎖擴音電話的實現主要基于以下關鍵部分：

（1）擴音電話的恒流源充電設計

由于擴音電話內置電池，擴音電話在工作時使用的是電池電量，并且現場使用一般都需要集中供電，減少線纜的敷設，同時可以克服從皮帶沿線取電的不便利性。為了降低負載變動時對電源供電的影響，該擴音電話的充電采用恒流源的充電模式[1]。

恒流源是輸出電流保持恒定的電流源，而理想的恒流源應該具有以下特點：

a.不因負載(輸出電壓)變化而改變；

b.不因環境溫度變化而改變；

c.內阻為無限大（以使其電流可以全部流出到外面）。

基于以上特性，該擴音電話采用了LM334Z組成的恒流源電路進行電池的充電，如圖2。

如 圖2所 示，由U1、U2、U3、U5共4只LM334Z組成了電池充電的恒流源電路。以U1為例，通過電阻R16接到U1的2腳和3腳之間，查閱LM334Z的相關資料[2]可以得出，U1的3腳輸出電流IU3=0.067/R16=10 mA。撥碼開關SW1可以設置電池端的充電電流，從圖中通過計算可以得知，該電路的最小充電電流為15 mA，最大充電電流為40 mA。穩壓二極管1N4741A將電壓鉗至11 V，因此滿足了擴音電話內部電池組9.6 V（8節串聯）的充電。

圖2 擴音電話電池充電電路

由恒流源的特性得知，隨著話機的增多，原理上只是增加了供電端的電流，整個沿線的負載主要集中在線纜上的壓降損耗。該系統中，推薦使用2.5平方的銅材質的線纜傳輸電源。通過查閱相關資料，如果采用導體結構為19/0.41的電纜，20 ℃銅導體電阻為7.41 Ω/km。以每臺話機最大充電電流40 mA，1 km內間距100 m安裝一臺擴音電話共10臺，因此擴音電話的供電端口最大電流為400 mA，線纜等效后理論上沿線的壓降根據歐姆定律U=IR可以計算出U=0.4×7.41=2.964 V≈3 V。考慮到接觸電阻或其他因素的影響，采用單臺本安18 V電源可以帶載不低于15臺擴音電話（間距100 m/臺），基本上能夠滿足一般皮帶擴音電話的集中供電要求。在姚橋煤礦東六一號皮帶大巷使用中，在皮帶機頭采用一臺DC18V本安電源供電，通過讀取最后一臺擴音電話電壓高于DC13V，滿足了對沿線所有擴音電話的集中供電需要。

（2）擴音電話通信定位

閉鎖擴音電話另外一個重要功能是閉鎖定位功能。在機殼閉鎖結構上放置兩個微動開關，當閉鎖結構動作時微動開關同步動作。在設計上，一個微動開關的常開觸點與話機線纜中的兩根線并接在一起，該組線纜接入到PLC的DI點中作為干節點使用。當此微動開關動作時，PLC的DI檢測到相應的輸入，從而可以通過程序進行相應的控制。由于此微動開關在擴音電話中無通信邏輯，因此PLC能及時做出反應，提高系統的安全性能。

閉鎖結構上的另外一個微動開關用于給擴音電話內部提供一個開關量信號。擴音電話內部具有通信板，采用Modbus-RTU通信協議，RS485的傳輸方式。當擴音電話檢測到閉鎖微動開關的動作信號后，作為一個輸入點，通信板將采集到的信號存入寄存器中，成為一個變化量。當PLC檢測到閉鎖動作后，開始向沿線的通信從站設備（擴音電話）發出查詢命令，當讀取到相應寄存器的變化值，同時讀取從站的地址。在實際使用中，每一個從站地址代表一臺擴音電話的地址，施工時按照順序設置即可對每一臺擴音電話進行標定，在讀取相應寄存器變化值時同時將從地址讀取，從而實現對話機閉鎖的快速定位。

此外通信模塊提供4路開關量輸入及1路模擬量輸入接口，必要時可以采集沿線的一些開關量信號及模擬量信號，同時該通信模塊實時采集了擴音電話內部的電池電壓、外接供電電壓，所有的數據采集數據都通過RS485總線的方式接入到機頭PLC的通信接口中。

4 主要技術指標

基于上述設計，所述的閉鎖擴音電話滿足以下技術指標：

（1）供電指標

① 額定工作電壓：DC18V；② 最大工作電流：≤100 mA。

（2）音頻指標

① 頻率帶寬：350～3000 Hz ；② 擴音響度：≥85 dB（A）（音頻線輸入1 kHz，500 mV信號時）；③ 語音失真度：≤15%（擴音響度為85 dB時）；④ 頻率響應：≤±6 dB（350～3000 Hz）。

（3）RS485通信信號指標

① 傳輸方式：半雙工RS485，雙極性；② 傳輸速率：9.6 kbps；③ 信號工作電壓峰峰值：1～12 V。

5 煤礦應用

目前，該擴音電話系統在姚橋礦的東六一號皮帶大巷中安裝使用，主要實現了以下功能：

（1）擴音電話語音傳輸采用標準音頻模式，通過IP語音廣播實現地面和井下的實時語音聯系，可以實現地面對井下語音及打點、井下各電話對講及打點等多種語音功能，如果出現事故異常，地面主控室通過語音系統給出語音報警提示信號。

（2）啟動語音預警功能。每次啟動前除了報警信號之外，同時播報“皮帶機準備啟動，注意安全”，更好地提醒巷道內人員。各種傳感器故障時播報具體信息，井下巡檢人員更好地掌握故障內容。

（3）采用PLC的集中控制模式，在皮帶系統運行過程中，按下任何一臺話機的閉鎖按鈕，都可以實現對設備的停車，從而保障煤礦的安全生產。閉鎖話機的位置能夠通過通信傳輸到PLC中，可以快速定位，便于故障檢修及恢復。

（4）擴音電話具有4路開關量輸入，將沿線的拉繩開關及機尾的跑偏開關信號接入到了擴音電話中。當傳感器動作時，PLC通過程序處理能進行相應的動作，減少了線纜的敷設。在實際使用中動作反應時間低于2 s。

（5）通過機頭PLC的組態集控，實現沿線擴音電話狀態（如電池電量、語音工作狀態）、皮帶沿線電源狀態、沿線閉鎖狀態等在線監測顯示功能。

（6）在皮帶控制系統檢修期間，崗位工在維修期間，拍下話機的閉鎖按鈕再進行相關操作。當閉鎖拍下時，皮帶不能啟車，從而可以提高安全性，當檢修完成時恢復閉鎖即可恢復系統正常。同時，檢修期間的語音通信可以及時地和其他崗位工相互交流故障問題，提高工作效率。

6 結語

基于在姚橋煤礦東六一號皮帶實際使用效果，該閉鎖擴音電話具有安裝簡單、信號傳輸抗干擾性強、運行穩定可靠等特點，可以將沿線擴音電話的狀態集成到皮帶機頭更直觀地顯示，標準的音頻制式便于地面集控，提高了煤炭開采的自動化水平，給煤礦的安全、高效生產提供了有力的技術支撐，具有一定的推廣價值。