煤礦矸石充填投料輸送集控系統設計

錢 旭

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

近年來，基于“三下”壓煤的安全開采及礦區固體廢棄物規?；幚矶岢龅木C合機械化固體充填采煤技術，在我國進行了大范圍的推廣與應用，其中，投料輸送系統作為地面矸石等固體充填物料由地面向井下運輸的重要通道，是固體充填采煤技術實施成功的關鍵[1-3]。然而，由于投料輸送系統在運行過程中不可視，無法及時監控與處理，容易出現堵倉、堵管、空倉、堆煤等故障；傳統的方式是定時選派安全人員進行巡視，不僅需要停止投料系統的運行制約生產效率，而且巡視過程中不能完全檢查出所有的問題。因此，迫切的需要一種系統，監測及控制投料輸送系統的運行過程。

隨著礦山物聯網的迅速發展，實現自動化程度高、安全高效的生產方式必然是未來發展的趨勢，實時的集控監測成為了整個煤礦自動化系統的主要控制管理方式[4-6]。國內外比較大型、現代化礦井都建成了煤礦災害綜合監控系統、視頻監控系統、通信系統等[7-10]。且在煤礦開采、挖掘、運輸等作業環節均已采用不同程度的自動控制。矸石充填效率的提高、減員增效及降低系統故障率等都要求對矸石充填系統進行自動化集控、對充填作業各環節實時監控，實現充填投料輸送系統的實時監測以及各設備的遠程自動化控制[11-12]。

基于泰源煤礦矸石投料輸送系統的基本情況，采用理論分析、PLC 編程控制的方法，對集控系統進行了方案設計及設備配套，實現實時的監測投料過程中的皮帶運行狀態、給料機運行狀態、料位信息以及震動信息，并實現故障預警，保證生產的高效性與安全性。

1 煤礦矸石充填投料輸送集控系統總體設計

1.1 矸石充填投料輸送系統整體結構

固體充填投料輸送系統結構圖如圖1。

圖1 固體充填投料輸送系統結構圖Fig.1 Solid filling feeding conveying system structure diagram

矸石充填投料輸送系統是先在地面對固體充填物料進行預處理，然后由地面輸送系統將矸石物料輸送進入投料井口，將矸石從地面投到井內，自由落體至儲料倉上口，經緩沖裝置緩沖后進入儲料倉，通過給煤機放料至井底帶式輸送機，從而運輸至工作面進行充填。系統的主要設備包括投料管、緩沖裝置、帶式輸送機與給料機等。

投料輸送系統在輸送投料之前先將矸石投料進行篩分、破碎等操作，避免矸石膠結，再將矸石投料放入給料機經過帶式輸送機的運輸進入井內，矸石在投料井內做自由落體運動，井內儲料倉上部設置緩沖裝置避免投料時由于沖擊力過大造成系統故障，矸石經過緩沖裝置緩沖后進入儲料倉，然后經井下運輸系統運輸至充填工作面。

1.2 集控系統功能

集控系統功能框圖如圖2。

圖2 集控系統框圖Fig.2 Centralized control system block diagram

系統使用PLC 作為控制核心。通過PLC 自身所配有的以太網接口和光纖鏈路模塊，通過光纖將井下各種傳感器采集信息傳遞到地面控制中心。集控室中的工作人員可以實時監測給料機、帶式輸送機、投料管以及儲料倉的各種數據信息，并可以通過上位機軟件在地面遠程控制井下設備的運行。

系統設置雷達料位計與煤位傳感器采集儲料倉中物料的料位信息，避免出現滿倉或空倉的情況。震動傳感器用來檢測矸石物料下落到緩沖裝置上的震動信息，避免出現投料管堵塞無法檢測到震動的情況。雷達料位計、煤位傳感器與震動傳感器采集的信息均通過電纜傳輸到地面控制中心進行顯示，可以實時的檢測數據變化，避免發生故障。即使出現故障，系統將自動實現閉鎖停車。工作人員也可在控制中心通過上位機控制給料機與帶式輸送機的運行，以及監測給料機與帶式輸送機的運行狀態。

1）設備運行狀態采集。系統所有設備運行狀態的采集采用1 臺PLC 控制站，PLC 控制站不僅需要采集記錄井上下帶式輸送機和給料機的運行狀態，同時還需要采集記錄攝像儀、井上下皮帶秤、煤位傳感器、震動傳感器及雷達物位計的信號。

2）設備控制。投料控制室內放置1 臺工控機，配備音響設備，配電室控制箱上有指示燈和按鈕，內部有PLC 對設備信號進行處理。

3）控制設備的通信。地面PLC 站與井下分站使用光纖通過PROFIBUS-DP 通信，相互交換設備信息，地面控制主機采用網絡通信對2 個PLC 站的實現信號采集與設備控制。

4）視頻監控。4 臺攝像儀的視頻信號通過同軸電纜將傳輸到投料控制室，井下視頻信號和地面視頻信號通過1 個4 畫面分割器同時在操作室墻上1臺電視機顯示。

5）控制模式。帶式輸送機控制系統具備集控與檢修2 種模式，以便進行故障處理與設備檢修的操作。①當操作臺使用集控模式時，通過集控平臺或控制箱按鈕啟動地面帶式輸送機時需要檢查儲料倉深度，只有在儲料倉未滿的情況下才能啟動帶式輸送機，否則無法啟動；②當選擇檢修模式時，通過集控平臺或操作臺按鈕可任意啟動帶式輸送機，對儲料倉深度不做檢測，同時可以校正井上與井下電子皮帶秤的計量情況。

集控系統主要是對矸石輸送與矸石投料做集中控制，提高煤礦生產效率。集控系統的主要功能包括：帶式輸送機控制、給料機控制、帶式輸送機運行監測、給料機運行監測、矸石料位檢測、震動檢測等功能。

2 煤礦矸石充填投料輸送集控系統硬件

2.1 控制主站

PLC 控制主站包括電源模塊、CPU 模塊、模擬量輸入模塊和數字量輸出模塊。

CPU 模塊選擇CPU 315-2 PN/DP。該CPU 內置了2 個接口：第1 個接口是集成的MPI/DP 接口，最多能同時建立16 個與S7-300 編程器、PC 和OP 的連接；第2 個內置接口是1 個基于Ethernet TCP/IP的PROFINET 接口，它通過協議與眾多接口通訊，如在SIMATIC 控制器間進行數據通訊，與HMI 和SCADA 連接的PG/OP 通訊等。設計就是利用其第2個內置接口—基于Ethernet TCP/IP 的PROFINET 接口，實現開放的TCP/IP 通訊功能。

在控制主站中，S7-300 PLC 的CPU 配備有2個以太網接口，其中1 個連接上位機，與其組態軟件進行以太網通信；第2 個通過光纖連接井下設備，實現與井下分站PROFIBUS-DP 通信。根據系統需求，PLC 獲取的信號有：數字量輸入信號（DI）、數字量輸出信號（DO）和模擬量輸入信號（AI）3 種：①數字量輸入信號：雷達料位計料位信號、堆煤信號、運行指示等；②數字量輸出信號：控制帶式輸送機啟動與停止信號、控制給料機的啟動與停止信號、語音等；③模擬量輸入信號：震動傳感器震動信號等。

PLC 接口模塊連接圖如圖3。

圖3 PLC 接口模塊連接圖Fig.3 PLC interface module connection diagram

2.2 控制分站

控制分站是通過通信電纜將傳感器采集的料位信號、震動信號傳遞到地面的控制主站，在地面的集控中心可以實時的監控井下設備的運行，查詢故障。

控制中心可以使用PLC 控制箱或上位機軟件控制井下設備與地面設備，能夠對集控與檢修的工作方式進行切換、控制帶式輸送機啟動、停止、給料機啟動、停止等操作信號，還配備一鍵移動、一鍵停止功能。

系統使用雷達料位計和煤位傳感器聯合采集井下儲料倉內矸石的料位，并且通過井下采集分站將數據實時上傳至地面監控主機，直接的反應儲料倉內料位的變化情況，若出現料位過高或過低的情況，即發出報警信息。

通過震動傳感器檢測緩沖裝置的震動情況，判斷投料管是否暢通, 通過震動傳感器實時檢測震動信息，并且實時將采集的數據傳回至井上PLC 控制主站，并將數據傳遞到上位機，在上位機軟件上實時顯示采集的數據信息。若系統出現緊急故障報警，控制主站將發出閉鎖停車信號，進行停車處理。

通過井下分站與井上通過光纖進行信號傳輸，可實時顯示井上下設備運行狀態，顯示電子稱、料倉物料探測儀、震動傳感器，煤位傳感器的動作情況，進行地面調度控制。

3 煤礦矸石充填投料輸送集控系統軟件

3.1 主程序

主程序實現投料帶式輸送機與給料機進行啟動、停止以及故障保護等功能，主程序對子程序進行調度管理，實現分布式控制。系統的核心的功能模塊是利用集控系統功能公共模塊，通過該模塊對各個子程序進行調用控制。該子程序將采集傳輸的震動信號以及料位信號對投料輸送系統的啟動、停止、集控、檢修等功能進行集成編寫。系統公共模塊框圖如圖4。

圖4 系統公共模塊框圖Fig.4 The system of public module block diagram

料位輸入信號是通過雷達料位計與煤位傳感器聯合進行檢測，把采集的信號輸送給集控系統功能公共模塊，如有異常輸出報警，控制投料帶式輸送機與給料機的啟動或停止。

震動輸入信號是通過震動傳感器進行檢測，由于受儲料倉內環境的影響，隨著矸石在儲料倉內的積壓，可能會出現矸石膠結的現象，通過監測震動信號保證儲料倉下部出料口以及投料管的暢通，若沒有震動信號輸入，則出現堵塞情況，需要停止投料帶式輸送機與給料機運行，進行故障處理。

故障報警是作為語音警報功能進行語音輸出，有空倉報警、滿倉報警堆煤報警以及震動報警。收到報警信息后工作人員可通過控制中心進行調度控制，若工作人員沒有響應時，系統也會自動發出停車信號，停止投料輸送系統的工作，進行故障檢測。

3.2 流程控制

集中控制是操作人員通過上位機對整個系統進行遠程的調度與控制。集中控制設計一鍵啟停與分步啟停功能，一鍵啟停是根據程序的具體設定依次進行啟動與停止的操作，分步啟停是可以分別控制帶式輸送機的啟動與停止，及給料機的啟動與停止。

將煤礦矸石充填投料輸送集控系統分為啟動和停止2 部分。第1 部分為集控系統啟動流程，終端兩點是投料帶式輸送機與給料機，通過控制中心控制投料帶式輸送機與給料機的啟動工作；第2 部分為集控系統停止流程，終端兩點是投料帶式輸送機與給料機，通過上位機的控制對投料帶式輸送機與給料機進行停止，保證安全前提下進行故障檢測。

3.2.1 集控系統啟動流程

集控系統的啟動流程是由控制中心的工作人員，通過上位機控制軟件執行啟動操作，控制主站給帶式輸送機與給料機發出啟動命令，然后按照相應的啟動順序先啟動帶式輸送機，再啟動給料機。通過控制中心的上位機軟件可以實時監測帶式輸送機與給料機的運行狀態，避免產生運行時的故障。集控系統啟動流程圖如圖5。

圖5 集控系統啟動流程圖Fig.5 Flow chart of system startup

集控系統啟動流程是將露天煤礦矸石預處理系統洗選的矸石。通過給料機，經過投料帶式輸送機，輸送到投料井中，向井下投料。若充填物料直接由地面投到井下，經過計算造成的沖擊力過大，所以在井下安裝了傘形緩沖裝置，再投入儲料倉通過井下給料機，使用井下帶式輸送機進行傳輸充填。集控系統可以在就地控制箱或上位機電腦端啟動，在就地控制箱或上位機電腦上均可以使用一鍵啟動功能對帶式輸送機與給料機進行啟動，啟動流程為先啟動帶式輸送機，然后進行語音提示地面帶式輸送機啟動，再延時3 s，啟動給料機，進行語音提示地面給料機啟動。此時開始對地面矸石充填投料進行輸送，并實時顯示地面帶式輸送機與給料機的運行狀態，在上位機電腦與就地控制箱上顯示，方便集控室的工作人員監控。

3.2.2 集控系統停止流程

集控系統停止時由控制中心的工作人員通過上位機軟件進行停止操作，對主站發出停止指令。控制主站根據聯鎖關系自動給帶式輸送機與給料機依次發出停車信號；帶式輸送機與給料機收到停車信號后，自動先停給料機，延時20 s 等帶式輸送機上的料跑空再停止帶式輸送機，并將信號傳給主站。為了保障工作的安全、高效，在帶式輸送機和給料機運行中，如果傳感器報警就會立即自動停止帶式輸送機和給料機，停止流程也是先停止給料機，延時20 s 后再停止帶式輸送機。集控系統停止流程圖如圖6。

圖6 集控系統停止流程圖Fig.6 System stop flow chart

傳感器報警有滿倉報警、震動報警及堆煤報警。滿倉報警為通過雷達料位計與煤位傳感器檢測井下儲料倉的料位，判斷矸石充填投料是否堆滿，若出現滿倉情況再進行充填投料就造成滿倉溢出，所以需要停止投料的輸送，停止操作按照上述過程進行。

震動報警通過震動傳感器檢測井下緩沖裝置中是否有震動，若檢測不到震動，則有可能出現投料管中矸石充填投料堵塞所造成，需要緊急停止集控系統，進行故障檢測，疏通投料管。

堆煤報警為儲存倉中投料堆放過多，應停止投料，進行處理。

集控系統停止可以在就地控制箱或上位機電腦端由工作人員進行操作，另外當控制中心收到滿倉報警、震動報警以及堆煤報警等傳感器的警報時，集控系統也會自動進行停止操作，進行故障檢測，保障系統正常工作。集控系統主動停止操作可以在就地控制箱或上位機電腦上使用一鍵停止功能對給料機與帶式輸送機進行停止，先停止給料機，延時20 s等待帶式輸送機上的矸石投料跑空再停止帶式輸送機，完成工作人員的主動停止集控系統。集控系統也會被動停止，即控制中心收到傳感器報警時自動進行停止操作，停止流程與主動停止操作相同。

3.3 故障報警和故障處理

帶式輸送機的故障保護主要是之前提到的滿倉、震動以及堆煤保護等功能。通過現場傳感器檢測（如雷達料位計、震動傳感器以及煤位傳感器），將煤礦矸石充填投料輸送集控系統的工作狀態反饋給PLC。一旦發生故障，PLC 則做出相應的保護動作，通常為延時保護或輸出停止帶式輸送機與給料機信號。當故障解除后，重新啟動集控系統。故障檢測流程示意圖如圖7。

圖7 故障檢測流程示意圖Fig.7 Fault detection process diagram

1）滿倉報警。儲料倉用于儲存固體充填物料，以及在地面停止投料時，由于地面到井下高度較高，造成的瞬時沖擊力較大，需要在儲料倉上安裝緩沖裝置，將起到對下落物料的一個緩沖作用，物料通過緩沖裝置在進入儲料倉。投料井口至儲料倉上口高度為393 m，計算時考慮極限狀態，即投料管內充滿物料，此時需要停止供料，投料管內的物料仍然下落。因此，為防止堵管，儲料倉的容積需大于投料管內的物料的體積。結合充填采煤工作面的實際條件，確定儲料倉的直徑為6 m，高度為27.5 m，儲料倉容量約為663 m3。但是隨著矸石在儲料倉內的積壓，可能會出現矸石膠結的現象，造成儲料倉輸出口堵塞，儲料倉滿倉情況。為了檢測儲料倉輸出口是否堵塞，系統通過雷達傳感器與煤位傳感器相結合進行料位檢測，若料位過高出現滿倉情況，即判斷為物料堵塞，需及時清理，排除故障。

2）震動報警。由于矸石的膠結現象，投料管用于固體充填物料投料輸送系統，會出現管壁粘料情況，矸石物料在管壁上長時間累積，就會造成投料管堵塞，無法進行投料輸送。為了檢測投料管是否堵塞，在井下緩沖裝置安裝震動傳感器檢測震動，若出現運行狀態下震動情況，則出現投料管管道堵塞情況，需進行故障處理，保持投料管管道暢通。

3）故障處理。隨著投料系統工作時間的增加，矸石物料在儲料倉內存放的越來越多，矸石投料會出現局部膠結現象，另外，矸石物料在投料管內也可能會出現粘壁現象，造成投料系統的堵塞，無法正常工作。堵倉問題是投料輸送系統最常出現的問題，會嚴重影響煤礦的生產效率，從而造成系統故障，需要及時的進行相應的故障處理。

4 上位機軟件

4.1 系統控制界面

系統控制界面如圖8。

圖8 系統控制界面Fig.8 System control mode

控制界面上部有集控/檢修、電源指示按鍵。集控/檢修按鍵可以在集控模式與檢修模式間相互切換；電源指示按鍵可以顯示電源是否供電。

控制界面中部有帶式輸送機運行指示、給料機運行指示。帶式輸送機運行指示按鍵顯示帶式輸送機運行狀態；給料機運行指示按鍵顯示給料機運行狀態。

控制界面下部有一鍵啟動、帶式輸送機啟動、給料機啟動、一鍵停止、帶式輸送機停止、給料機停止按鍵。一鍵啟動按鍵與一鍵停止按鍵可以帶式輸送機與給料機順序啟動或停止，也可通過帶式輸送機啟動、給料機啟動、帶式輸送機停止、給料機停止4個按鍵對帶式輸送機與給料機分步啟動或停止。

4.2 系統運行模式

系統運行包括設備一鍵啟停和分步啟停2 種。

1）集控控制模式啟停。①就地控制箱上轉換開關打到集控位置；②在就地控制箱上啟動：在就地控制箱上按“一鍵啟動”按鍵，啟動帶式輸送機和給料機，啟動順序是帶式輸送機先啟動，隔3 s 給料機在啟動；③在就地控制箱上停止：在就地控制箱上按“一鍵停止”按鍵，停止帶式輸送機和給料機，停止順序是給料機先停止，隔20 s 等帶式輸送機上的料跑空再停止帶式輸送機；④在電腦上啟動：在電腦上按“一鍵啟動”按鍵，啟動帶式輸送機和給料機，啟動順序是帶式輸送機先啟動，隔3 s 給料機在啟動；⑤在電腦上停止：在電腦上按“一鍵停止”按鍵，停止帶式輸送機和給料機，停止順序是給料機先停止，隔20 s 等帶式輸送機上的料跑空再停止皮帶。

2）檢修控制模式啟停。①就地控制箱上轉換開關打到檢修位置；②在就地控制箱上啟動：在就地控制箱上分別按帶式輸送機和給料機“啟動”按鍵，啟動帶式輸送機和給料機；③在就地控制箱上停止：在就地控制箱上分別按帶式輸送機和給料機“停止”按鍵，停止帶式輸送機和給料機；④在電腦上啟動：在電腦上分別按帶式輸送機和給料機“啟動”按鍵，啟動帶式輸送機和給料機；⑤在電腦上停止：在電腦上分別按帶式輸送機和給料機“停止”按鍵，停止帶式輸送機和給料機。

當使用集控模式時，通過電腦或就地控制箱按鈕啟動帶式輸送機和給料機時需要檢查儲料倉深度，只有在儲料倉未滿的情況下才能啟動，否則無法啟動。在帶式輸送機和給料機運行中，如果傳感器報警（如滿倉報警、震動報警或堆煤報警）就會立即自動停止帶式輸送機和給料機。

當選擇檢修模式時，通過電腦或就地控制箱按鈕可任意啟動帶式輸送機和給料機，對儲料倉深度不做檢測。在帶式輸送機和給料機運行中，如果傳感器報警（如滿倉報警、震動報警或堆煤報警）不會自動停止帶式輸送機和給料機，對帶式輸送機和給料機的運行無影響。

5 結 語

設計了煤礦矸石充填投料輸送集控系統。對系統進行了整體設計，以PLC 為控制核心，設計了控制主站與分站，實現地面控制中心與井下采集分站進行數據通信。結合各個擴展模塊，搭建系統的控制框架，完成系統控制程序設計；根據系統的整體設計以及功能需求，設計控制流程，分別對主程序與相應子程序作出詳細設計；編寫了系統的集控啟動與集控停止的程序，并設計了滿倉、堆煤、震動等各個故障保護程序，在特殊情況下實現閉鎖停車等；設計矸石充填投料輸送系統上位機軟件，對實現的集中控制、就地控制、狀態顯示、閉鎖功能、歷史圖表功能、操作記錄/運行記錄與查詢和視頻監控的功能分別進行設計，保障系統安全工作。