玉溪煤礦原煤運輸智能化控制系統的應用研究

栗躍鵬

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048000）

1 系統流程及現狀分析

玉溪煤礦礦井中原煤運輸控制系統在運行過程存在較多問題，包括膠帶機經常無煤時就空車運行，原煤供應不連續，設備的整體集成化監控及控制程度較低，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，需對該控制系統進行優化。

2 控制系統主要功能要求

2.1 皮帶保護功能

實現防滑、堆煤、跑偏、防撕裂、拉線急停、聯鎖、煙霧報警等皮帶保護功能[1-2]。

2.2 診斷預警功能

整個煤流系統各種監測參數的限值設置過低就會報警過多，設置過高又會導致微小故障積累，造成嚴重故障、損壞設備部件甚至導致非計劃停機。智能預警通過提取故障發生前的異常特征，把異常特征與組合參數的變化趨勢、異常波動、平衡匹配相關聯，形成礦井煤流系統故障特征規則庫，再通過實時秒級掃描所有參數并與特征規則實時比對，實現了煤流系統異常的早期預警[3]。

2.3 系統調速功能

根據玉溪煤礦工作面煤量等情況對順槽皮帶進行智能調速；根據該礦大巷皮帶的煤量情況實現對主斜皮帶的智能調速。

2.4 視頻聯動功能

系統自動同礦井視頻監控系統對接，在皮帶啟動、故障發生時，自動切換到相應的視頻。實現數據流與視頻流的深度融合，可以實現設備的啟停、故障等與視頻的聯動，同時支持PC、移動終端。

3 控制系統總體設計方案

控制系統包括底端的數據采集分系統層、各級監控分站層、工業網絡層及地面監控層等部分，如圖1所示。其中，數據采集分系統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據采集模塊，各類檢測模塊將檢測的數據通過RS485 總線傳輸至上端的PLC 控制器中進行數據的A/D 轉換及分析處理；同時，根據現場采集的信號和故障情況第一時間向上端發出反應及報警，人員可通根據報警提示信息有針對性的對運輸設備上的故障情況進行快速排除[4]。監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，主要負責接收下端采集的數據和對井下設備進行監控控制，是井下設備中各設備的臨時處理中心，經過分析匯總后的數據信息則通RS485 總線接口傳輸至上端的地面監控主站，并將井下原煤的運輸情況進行實時，包括了監控界面、工控機、電源、信號傳輸接口、集控軟件等部分。另外，系統的工業網絡則采用了TCP/IP 協議進行通信，光纖采用冗余環形光纖的以太網為基礎，構成了整個系統的網絡體系結構，有效實現了控制系統中通訊協議及接口的統一。

圖1 原煤運輸控制系統整體框架圖

4 控制系統關鍵模塊設計

4.1 PLC 控制模塊設計

為實現對整個運輸系統的有效控制，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，主要負責對控制系統中的數據采集分系統中所傳輸的數據進行分析、運算及判斷處理，并將判斷的結構傳輸至上機位顯示屏上進行運輸狀態的實時顯示，并向執行機構發出相應的執行命令，以實現對整個原煤運輸系統的全面控制。同時，PLC 控制器的機架則選用了標準的ControlLogix 模塊支架，背板選用了1756-A13，插槽數配備有13 個。另外，根據控制系統的實際運行需求，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 系統軟件總體控制程序設計

該控制系統的軟件控制邏輯包括輸入采樣、程序執行及輸出刷新階段，通過成熟的周期循環掃描法來實現對系統故障信息監控，提高系統的總體抗干擾能力。在系統控制邏輯上設計了主程序模塊、系統故障檢測模塊、控制算法模塊、數據轉換模塊及通訊模塊等部分，其中，主程序模塊主要在系統開始運行時對系統中各設備運行的相關參數及設備狀態進行操作和控制，并實時調用各模塊中數據信號。數據轉換模塊主要負責將采集的數據進行A/D 和D/A轉換，能將采集的電信號通過A/D 轉換模塊處理后轉換為相應的數字信號，并傳輸至編好的程序中進行數據的運行及分析處理。通訊模塊中設計觸摸屏與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計

膠帶的急停控制程序是整個原煤元過程中的關鍵程序。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。首先在設備傳動啟動后，通過PLC 控制器內部設置的程序來對皮帶堆煤情況進行判斷，若檢測到堆煤正常，則系統會對皮帶跑偏傳感器所傳輸的信號進行檢測，若出現異常現象，則發出相應的異常報警提示，上機位人員則會根據故障提示類型有針對性的對跑偏故障進行快速維修處理，大大縮短了設備的維修時間。另外，若檢測到設備出現了煙霧，則發出相應的報警提示，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，實現了整個環節的全程檢測判斷。

5 應用效果評價

為進一步驗證該控制系統的綜合性能，將該系統進行了現場應用測試，測試周期為4 個月。主要是將該系統經過改造后集成在井下運輸過程中。在系統運行過程中，膠帶機的啟動時間由原來的30 min縮短至10 min，節約了礦用能耗，系統的啟動界面圖如圖2 所示；同時，膠帶機空載時的空轉時間也明顯縮短，提高了設備的使用效率。人員的勞動強度及故障率也大大縮減；同時，該系統整體運行良好，能將井下運輸作業設備的工作狀態參數通過顯示界面進行實時顯示，顯示參數更加豐富，當某設備出現故障失效現象時，顯示界面能及時地發出相應的報警提示，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 控制系統啟動界面圖