智能主運輸煤流集中控制系統自動化改造研究

王翠環

（山西王家嶺煤業有限公司，山西 忻州 036600）

1 工程概況

晉能控股煤業集團王家嶺煤業公司位于山西省河東煤田北部，行政隸屬于忻州市保德縣橋頭鎮和孫家溝鄉所轄。井田面積34.447 1 km2，地質儲量7.8億t，可采儲量4.4 億t，主要開采4 號煤、7 號煤、9 號煤，其中4 號煤平均厚度7.6 m，設計生產能力為500 萬t/a。

王家嶺煤業主運輸煤流系統主要包括3104 順槽帶式輸送機、2201 順槽帶式輸送機、3-1 主運二部帶式輸送機、3-1 主運大巷帶式輸送機、南翼主運帶式輸送機、3102 順槽帶式輸送機、配倉帶式輸送機，另外還包括給煤機、膠帶秤、撕裂檢測裝備等設備。以往采用人工分臺就地控制，存在協調性差、影響企業生產等問題，經技術調研，對主運輸煤流進行智能集中控制系統自動化改造。通過采用智能視頻分析技術，實現主煤流集中控制與智能調速功能，完成了智能主運輸煤流集中控制系統的自動化改造[1-6]，使主煤流系統內所有工藝設備及其輔助設備都具備智能視頻監控，遠程一鍵啟停，實時語音廣播，順煤流、逆煤流起車切換，設備參數遠程實時顯示，設備自動保護等多項功能，并且能夠在井下和調度室實時設定各種運行、生產工藝參數，實時監視各設備的當前狀態及參數、報警狀態。同時，主煤流系統可在就地、運程順序控制，遠程單臺控制，檢修等模式下快速切換，以適應不同的生產工況條件，在節能降耗、減員減崗、智能運輸、設備自診自保等方面取得了顯著效果。

2 智能主運輸煤流集中控制系統的改造

2.1 改造方案

王家嶺煤業井下智能主運輸煤流集中控制系統如圖1。井下智能主運輸煤流集中控制系統以自下而上的系統架構，依次通過數據感知層、PLC 控制層、網絡傳輸層、監控信息層，進而實現無縫融入礦井現用煤礦綜合監測集成平臺。由井下現場監控站通過對過程量及現場的各種數據進行實時測量采集，經過PLC 綜合處理后，將數據傳送到現場所控設備，完成設備的自動啟停；并且通過獨立工業以太網經井下交換機送到地面工作站，實現地面監視監控各設備的當前工作狀態、運行參數及報警狀態。

圖1 井下智能主運輸煤流集中控制系統結構示意圖

該系統硬件通信部分依托獨立控制的光纖工業以太網，同時完成系統的單機控制和多部帶式輸送機的順/逆煤流啟動、順/逆煤流停車的控制和監測功能。監控系統上位控制主機使用網絡平臺將運輸系統及配套設備的狀態信息和實時數據傳送給調度室監控主機，調度監控主機使用組態軟件實時動態顯示運輸系統及配套設備運行狀態和詳細參數。管理人員在地面即可掌握主煤流集中控制系統及配套電控系統的所有監測數據及工作狀態，又可根據自動化控制信息，實現井下主煤流集中控制系統及配套電控系統的遙測、遙控，并為礦領導提供生產決策信息。監測監控主機可以動態顯示運輸系統運行的模擬圖、運行參數圖表，記錄系統運行和故障數據，并顯示故障點以提醒操作人員注意。同時，管理人員可以在遠方對系統運行需要調整的參數進行修改（前提是這參數在現場能被修改）。

2.2 關鍵設備分析

主要采用了以下關鍵設備：礦用防爆型計算機、西門子S7-1200PLC 指令系統、工業以太網交換機、廣天下智能調速系統、SCADA 組態軟件、MODBUS 通信設備、EIP 協議轉換設備、Profibus通信設備、PLC 模擬量模塊。

2.3 關鍵技術和理論分析

智能主運輸煤流集中控制系統通過現場各智能感知層設備采集的工業數據，經工業以太網交換機處理，完成對主煤流集中控制系統的毫秒級數據采集，同時采用SCADA 組態軟件及西門子S7-1200PLC 指令系統能夠對主煤流集中控制系統數據的有序流動進行管理。數據采集使用了先進的數據集成方式，通過高效的連通性，通過多種方式連接到設備和其他系統，實現了將多個廠家的設備統一到同一控制系統中，進而實現對現場進行實時的圖形化監控。

該系統同時充分利用了礦用防爆型計算機的DiretXI0 硬件加速特性，最大限度地利用微軟Windows Presentation Foundation（WPF） 和Silverlight 實現豐富的2D 和3DHM/SCADA 功能，形成基于現場操作和實時數據的2D 和3D 視圖。該系統的組態軟件除支持傳統模擬工業電視信號外，還支持ONVF 協議，可以直接接入視頻監控系統，實現軟件與視頻等的雙向報警聯動。通過工業以太網交換機，完成數據的上傳；通過MODBUS 通信設備，完成對帶式輸送機保護系統、變頻器控制系統以及其他具有通信功能的移變和組合開關等設備進行數據采集和遠方控制；通過EIP 協議轉換模塊、Profibus 通信模塊完成對變頻器的集成和數據的上傳；通過IO 模塊，將主運輸系統中的破碎機納入集控；通過模擬量模塊滿足張力、油壓信號（2 個AI）的接入，通過一系列的軟硬件集成組合，構建成先進的、可視化的智能主運輸煤流集中控制平臺。

3 應用效果分析

王家嶺煤業使用智能主運輸煤流集中控制自動化改造系統后，主運輸固定崗位全部實現“無人值守”。該系統的監測監控、PLC、交換機、防爆計算機等設備主要在24 V 供電條件下運行，運行成本極低，且該系統操作人員主要為調度人員8 人，通過自動化平臺即可實現一鍵啟停操作。地面集控人員能夠更加清晰、直觀和精準地掌握井下各煤流運輸系統的運行情況，能夠實時對井下帶式輸送機各項運行參數進行記錄，能夠更迅速、有效地處理和解決生產過程中出現的各種問題，實現礦井的安全、高效、自動化運行。智能化控制系統由于采用順煤流啟動方式，在原主煤流控制基礎上加以自動化改造，保留原就地啟動方式和控制邏輯，結合自身情況充分滿足了王家嶺煤業主煤流集中控制系統發展的需要，在3～5 年內領先于同類煤炭行業相關技術。PLC 由于采用現代大規模集成電路技術，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有高可靠性、高穩定性。此外，PLC 帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發出警報信息。在應用軟件中，還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC 以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。

智能主運輸煤流集中控制自動化改造系統的軟件和硬件配制及系統結構的創新性具有完善的擴展整合功能。一方面，在保留原有系統的同時，留有充裕的擴展容量；另一方面，系統具有靈活的結構。整個系統是由PLC 控制系統、上位工業計算機組成一個全方位的計算機集中控制系統，采用多數據接口完成對不同廠家設備的功能整合，形成了具備監測、監控、實時通信、智能調速自診自保、大數據采集等多功能集合的智能化集控系統。同時該系統支持3種主流移動客戶端訪問，除支持PC端訪問外，還支持的移動平臺有蘋果IOS、谷歌Android、微軟WindowsPhone。

4 效益分析

4.1 智能主運輸煤流集中控制系統改造前成本

（1）電力消耗。一部主運帶式輸送機全年綜合電力消耗費用：455.4 萬元。1500 kW（單部帶式輸送機綜合功率）×20 h（運行時間）×330 d（運行天數）×0.46 元/kW·h（電費單價）=455.4 萬元。

（2）人工成本。一部主運帶式輸送機全年人工成本89.1 萬元。

4.2 智能主運輸煤流集中控制系統改造后效益

（1）電力消耗。一部主運帶式輸送機全年綜合電力消耗費用396.2 萬元。1500 kW（單部帶式輸送機綜合功率）×20 h（運行時間）×330 d（運行天數）×0.46 元/（kW·h）（電費單價）×87%=396.2（萬元）。該系統投入后，每部主運帶式輸送機全年可節約電力消耗費用約59.2 萬元，綜合電力消耗降低13%。

（2）人工成本指標。該系統投入后每部主運帶式輸送機可減崗1 人，一部主運帶式輸送機全年人工成本為59.4 萬元。3（四班三運行工作制）×2（單部帶式輸送機崗位工）×300（單班單人人工費）×330（運行天數）=59.4（萬元）。該系統投入后每部主運帶式輸送機全年可節約人工成本29.7萬元，人工成本降低33.6%。

5 結語

智能主運輸煤流集中控制自動化改造系統的設計及應用可結合礦井實際情況，進行功能擴展及延伸，具有較高的實用性。同時可針對項目工程進行分步實施，不影響自主系統正常運行，應用效果良好，適用性廣。當前，智能主運輸煤流集中控制自動化改造系統已經在王家嶺煤業進行了實踐應用，效果理想，可為大型礦井以及井下長距離多運輸線路主運系統的智能集中控制自動化改造提供案例參考。