玉溪煤礦原煤運輸智能化控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

栗躍鵬

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

1 系統(tǒng)流程及現(xiàn)狀分析

玉溪煤礦礦井中原煤運輸控制系統(tǒng)在運行過程存在較多問題，包括膠帶機經(jīng)常無煤時就空車運行，原煤供應(yīng)不連續(xù)，設(shè)備的整體集成化監(jiān)控及控制程度較低，井下操作控制所需人員較多，使得原煤運輸成本相對較高。因此，需對該控制系統(tǒng)進行優(yōu)化。

2 控制系統(tǒng)主要功能要求

2.1 皮帶保護功能

實現(xiàn)防滑、堆煤、跑偏、防撕裂、拉線急停、聯(lián)鎖、煙霧報警等皮帶保護功能[1-2]。

2.2 診斷預(yù)警功能

整個煤流系統(tǒng)各種監(jiān)測參數(shù)的限值設(shè)置過低就會報警過多，設(shè)置過高又會導(dǎo)致微小故障積累，造成嚴(yán)重故障、損壞設(shè)備部件甚至導(dǎo)致非計劃停機。智能預(yù)警通過提取故障發(fā)生前的異常特征，把異常特征與組合參數(shù)的變化趨勢、異常波動、平衡匹配相關(guān)聯(lián)，形成礦井煤流系統(tǒng)故障特征規(guī)則庫，再通過實時秒級掃描所有參數(shù)并與特征規(guī)則實時比對，實現(xiàn)了煤流系統(tǒng)異常的早期預(yù)警[3]。

2.3 系統(tǒng)調(diào)速功能

根據(jù)玉溪煤礦工作面煤量等情況對順槽皮帶進行智能調(diào)速；根據(jù)該礦大巷皮帶的煤量情況實現(xiàn)對主斜皮帶的智能調(diào)速。

2.4 視頻聯(lián)動功能

系統(tǒng)自動同礦井視頻監(jiān)控系統(tǒng)對接，在皮帶啟動、故障發(fā)生時，自動切換到相應(yīng)的視頻。實現(xiàn)數(shù)據(jù)流與視頻流的深度融合，可以實現(xiàn)設(shè)備的啟停、故障等與視頻的聯(lián)動，同時支持PC、移動終端。

3 控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

控制系統(tǒng)包括底端的數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)層、各級監(jiān)控分站層、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)層及地面監(jiān)控層等部分，如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)層中配備了各類電機功率傳感器、溫度傳感器及市場上成熟的智能數(shù)據(jù)采集模塊，各類檢測模塊將檢測的數(shù)據(jù)通過RS485 總線傳輸至上端的PLC 控制器中進行數(shù)據(jù)的A/D 轉(zhuǎn)換及分析處理；同時，根據(jù)現(xiàn)場采集的信號和故障情況第一時間向上端發(fā)出反應(yīng)及報警，人員可通根據(jù)報警提示信息有針對性的對運輸設(shè)備上的故障情況進行快速排除[4]。監(jiān)控分站層中則配備了1 號PLC主站、2 號PLC 主站、皮帶稱重PLC 站、破碎機PLC站等，主要負(fù)責(zé)接收下端采集的數(shù)據(jù)和對井下設(shè)備進行監(jiān)控控制，是井下設(shè)備中各設(shè)備的臨時處理中心，經(jīng)過分析匯總后的數(shù)據(jù)信息則通RS485 總線接口傳輸至上端的地面監(jiān)控主站，并將井下原煤的運輸情況進行實時，包括了監(jiān)控界面、工控機、電源、信號傳輸接口、集控軟件等部分。另外，系統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)則采用了TCP/IP 協(xié)議進行通信，光纖采用冗余環(huán)形光纖的以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，構(gòu)成了整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，有效實現(xiàn)了控制系統(tǒng)中通訊協(xié)議及接口的統(tǒng)一。

圖1 原煤運輸控制系統(tǒng)整體框架圖

4 控制系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計

4.1 PLC 控制模塊設(shè)計

為實現(xiàn)對整個運輸系統(tǒng)的有效控制，選用了市場上成熟的西門子S7-300 型PLC 控制器，該控制器主要由CPU、模擬量輸出模塊、儲存模塊、電源模塊、通訊接口模塊、I/O 接口模塊等部分，主要負(fù)責(zé)對控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)中所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分析、運算及判斷處理，并將判斷的結(jié)構(gòu)傳輸至上機位顯示屏上進行運輸狀態(tài)的實時顯示，并向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出相應(yīng)的執(zhí)行命令，以實現(xiàn)對整個原煤運輸系統(tǒng)的全面控制。同時，PLC 控制器的機架則選用了標(biāo)準(zhǔn)的ControlLogix 模塊支架，背板選用了1756-A13，插槽數(shù)配備有13 個。另外，根據(jù)控制系統(tǒng)的實際運行需求，為PLC 控制器配備了DC12V、DC5.5V、DC24V的電源模塊，輸入電壓為AC 220 V。

4.2 系統(tǒng)軟件總體控制程序設(shè)計

該控制系統(tǒng)的軟件控制邏輯包括輸入采樣、程序執(zhí)行及輸出刷新階段，通過成熟的周期循環(huán)掃描法來實現(xiàn)對系統(tǒng)故障信息監(jiān)控，提高系統(tǒng)的總體抗干擾能力。在系統(tǒng)控制邏輯上設(shè)計了主程序模塊、系統(tǒng)故障檢測模塊、控制算法模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊及通訊模塊等部分，其中，主程序模塊主要在系統(tǒng)開始運行時對系統(tǒng)中各設(shè)備運行的相關(guān)參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)進行操作和控制，并實時調(diào)用各模塊中數(shù)據(jù)信號。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊主要負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)進行A/D 和D/A轉(zhuǎn)換，能將采集的電信號通過A/D 轉(zhuǎn)換模塊處理后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，并傳輸至編好的程序中進行數(shù)據(jù)的運行及分析處理。通訊模塊中設(shè)計觸摸屏與PLC 控制器之間的通訊部分，可編程的PLC 與上機位之間的通訊，通訊接口則采用了RS485 接口。

4.3 膠帶急停控制流程設(shè)計

膠帶的急停控制程序是整個原煤元過程中的關(guān)鍵程序。在整套程序中考慮了皮帶堆煤、皮帶跑偏、電機工作溫度、煙霧、皮帶撕裂、皮帶打滑等控制邏輯判斷。首先在設(shè)備傳動啟動后，通過PLC 控制器內(nèi)部設(shè)置的程序來對皮帶堆煤情況進行判斷，若檢測到堆煤正常，則系統(tǒng)會對皮帶跑偏傳感器所傳輸?shù)男盘栠M行檢測，若出現(xiàn)異常現(xiàn)象，則發(fā)出相應(yīng)的異常報警提示，上機位人員則會根據(jù)故障提示類型有針對性的對跑偏故障進行快速維修處理，大大縮短了設(shè)備的維修時間。另外，若檢測到設(shè)備出現(xiàn)了煙霧，則發(fā)出相應(yīng)的報警提示，并啟動自動灑水裝置。對皮帶撕裂、皮帶打滑等邏輯判斷也采用了同樣的判斷邏輯。由此，實現(xiàn)了整個環(huán)節(jié)的全程檢測判斷。

5 應(yīng)用效果評價

為進一步驗證該控制系統(tǒng)的綜合性能，將該系統(tǒng)進行了現(xiàn)場應(yīng)用測試，測試周期為4 個月。主要是將該系統(tǒng)經(jīng)過改造后集成在井下運輸過程中。在系統(tǒng)運行過程中，膠帶機的啟動時間由原來的30 min縮短至10 min，節(jié)約了礦用能耗，系統(tǒng)的啟動界面圖如圖2 所示；同時，膠帶機空載時的空轉(zhuǎn)時間也明顯縮短，提高了設(shè)備的使用效率。人員的勞動強度及故障率也大大縮減；同時，該系統(tǒng)整體運行良好，能將井下運輸作業(yè)設(shè)備的工作狀態(tài)參數(shù)通過顯示界面進行實時顯示，顯示參數(shù)更加豐富，當(dāng)某設(shè)備出現(xiàn)故障失效現(xiàn)象時，顯示界面能及時地發(fā)出相應(yīng)的報警提示，并將故障類型及位置進行實時顯示，人員可快速對故障進行排除，不僅提高了人員的作業(yè)效率，而且使得整個運輸過程的自動化程度得到明顯提升。

圖2 控制系統(tǒng)啟動界面圖