綠水洞煤礦皮帶集控系統的應用與研究

劉杰

（川煤集團華榮能源有限公司綠水洞煤礦，四川 華鎣 638601）

綠水洞煤礦皮帶運輸系統由8條皮帶機呈Y字型水平首尾搭接而成，為了提升礦井自動化水平，實現自動化減員增效、節能、煤礦“無人則安”的發展目標，本方案依托綠水洞煤礦原有的工業環網和“綜合一體化生產控制系統”，本次采用對井下8條皮帶和2臺給煤機進行集中監控，同時對3個井下煤倉倉位進行監測。

1 系統設計原則

（1）可靠性。對煤礦皮帶自動化監控系統來說，系統的可靠性是安全、高效生產的重要保障。采用2臺監控計算機可互為備用，確保控制系統的靈活、可靠運行。同時，充分考慮控制系統可能受到的電源干擾、布線干擾和振動、灰塵、煤泥水等的影響。監控系統在信號采集方面，模擬量信號采集采用信號隔離器，開關量信號輸入、輸出采用中間繼電器隔離，以避免電磁干擾。在儀器儀表的選型中，采用高可靠性，并具有防爆資質的產品，以保證自動化系統在生產過程中能長期穩定可靠運行。（2）先進性。采用國內外先進的技術和設備以及最新的科研成果，確保改造后的系統功能穩定，運行可靠，在技術及管理等各方面都居國內同行業最先進水平。（3）前瞻性及可擴展性。系統在結構設計、軟件設計及硬件選型，必須具有前瞻性，既能為將來的系統完善留出擴展容量，又能具有靈活的網絡擴展能力，方便將來系統的擴展。（4）高性價比。在系統設計中應多做比較分析，以使得系統結構、硬件選型、系統的整體性能等方面具有高性價比。

2 設計方案

根據當前綠水洞煤礦實際情況，本著經濟、先進和可靠的原則。利用有關煤礦皮帶監控系統的科研成果，結合多處使用的成功經驗，設計出符合綠水洞煤現場實際情況的集控系統技術方案，方案實施后真正達到先進可靠、減員增效的目的。

本次采用方案的系統可分為地面及井下集中監控中心、以礦用本安型控制器為監控核心的膠帶運輸監控系統、視頻監控系統組成。在1#皮帶機頭設置1個井下集中控制中心，放置1臺防爆計算機和1臺防爆錄像機，用于井下集中控制和視頻監視，并上傳數據到地面監控室；在3#、6#、8#皮帶機頭分別放置1臺礦用本安型控制器，用于分布式集中控制，在1#、2#、4#、5#、7#皮帶機頭和7#皮帶機尾與8#皮帶機尾共7處分別放置1臺礦用本安型子站控制器，用于就近控制機電設備，于1#、4#、8#皮帶機頭煤倉分別放置1臺雷達波料位計，用于倉位監測和以煤倉和皮帶為核心實現系統聯動控制，在皮帶機頭、皮帶搭接處和落煤處設置攝像儀，用于觀測皮帶的運行情況；在每處控制點附近放置1臺礦用本安型光端機，用于系統的網絡建設，使其獨立形成1個網絡，在井下集中控制中心放置1臺PLC防爆箱用于采集和處理分布式集中控制主站的數據。

2.1 地面及井下集中監控中心

地面控制系統主機為1臺工控機，設置在可接入礦井環網的調度室內；可實現系統的一體化集中監控（畫面與視頻一體）和Web網頁訪問；并可實現圖形監控、動態圖形顯示、歷史數據采集管理、狀態趨勢圖、自診斷、報警等諸多功能；還可提供多種數據接口實現數據的共享與傳播。

井下集中監控中心由1臺防爆計算機、1臺防爆錄像機和1臺PLC防爆箱及操作臺組成，操作方便簡單，使用鼠鍵就可以查看視頻信息、監視和控制運輸監控系統。地面調度室與井下集控室的集控計算機互為雙機熱備。

2.2 以礦用本安型控制器為監控核心的膠帶運輸監控系統

系統具有能對膠帶輸送機的速度、煙霧、溫度、煤位、跑偏、撕裂、電機電流、膠帶張力等進行實時監測和保護控制，同時還具有急停閉鎖、自動灑水降溫、語音通話、動畫信息顯示、報警、聯網等功能；可單機運行，也可對多條膠帶輸送機組成的運輸系統及其相關設備進行集中監測、保護和控制。

（1）井下皮帶保護控制系統硬件配置。每條皮帶機頭配置一臺主控器或子站，用于接入該皮帶的堆煤、速度、煙霧、跑偏、超溫灑水等保護信號同時控制該皮帶的啟停；給煤機可設置一臺子站采集信號并控制給煤機；每臺IO配置一臺信號轉換器用于本安和非本安信號的轉換；皮帶沿線每隔100m設置一臺礦用本質安全型組合急停閉鎖開關，實現拉線急停閉鎖功能；皮帶沿線每間隔200m設置一臺礦用本質安全型組合擴音電話，實現語言通話；每200～700m設置一對跑偏，一級跑偏報警二級跑偏停車；機尾或落煤點處設置撕裂傳感器；變頻器提供RS485通信，調速可采用固定分段曲線，對外提供觸點實現啟停。

各主控器分別就近接入以太網光纖轉換模塊，經光纜到井下集中控制室，再進入礦井環網，與地面皮帶集控計算機連接通信。

（2）系統功能。控制方式。系統包括兩種控制方式：一是在計算機控制方式下，由工作人員在監控中心監控計算機上對設備進行控制操作；二是在控制器控制方式下，由工作人員在顯示控制臺上對設備進行控制操作，在監控中心監控計算機上可監測。

工作方式。系統具有集控、就地、檢修三種工作方式。遠程集中控制：通過監控計算機監控畫面向井下主控器發起車和停車指令，自動按流程順序起動、停止、聯鎖與保護；就地控制：由本司機根據生產要求在主控器上發出開車、停車指令，同時將信息傳給監控計算機；禁啟/檢修方式：當設備發生故障時，按下急停開關并鎖住則可實現設備檢修或禁啟。

（3）控制功能。集中自動控制膠帶機起動運行。由調度中心操作司機在地面監控計算機發出開車指令，系統按照聯鎖關系自動給相應的膠帶機控制器發出開車命令；各控制器收到開車命令后，自動發起動預告，然后起動相應電機，皮帶開始起動，同時監測各信號是否正常，并將信號傳給地面。

集中自動控制膠帶機正常停車。由調度中心監控計算機發出停車指令，系統按照聯鎖關系自動給相應的膠帶機控制器發出停車信號；各控制器收到停車信號后，自動先停機尾給煤機，延時一段時間待膠帶上的煤拉完后，控制停車,控制抱閘，并將信號傳給地面。

集中自動急停膠帶機。當任一膠帶機出現緊急停車故障時，如閉鎖、縱撕、堆煤等，則該控制器將緊急停車，停主電機，控制抱閘；同時，將信號傳給地面監控計算機；地面監控計算機接收到該控制器急停后，自動將與該皮帶有閉鎖關系的設備停止運行。

就地自動控制膠帶機。控制器將工作方式轉到單機自動時，則該膠帶的啟停直接由該控制器自動控制，該控制器將不參與集控，即不接受監控計算機的控制命令，但仍需將信號傳給主站；這樣監控計算機仍可監測、集控其他設備，而不受該設備的影響。

就地手動控制膠帶機。控制器將工作方式轉到單機手動時，則該膠帶的啟停直接由該控制器的手動轉換開關控制，它將不參與集控，即不接受監控計算機的控制命令，但仍需將信號傳給監控計算機，這樣監控計算機仍可監測該設備。

（4）檢測與保護功能。每條膠帶機設打滑、沿線閉鎖、跑偏、堆煤、超溫、自動防塵灑水等保護，并留有保護接口。

速度檢測、打滑和超速保護。實現低速打滑和超速保護。傳感器滾輪與膠帶輸送機軟連接，采用光電檢測原理，測速范圍廣，低速性能好，抗干擾能力強。

沿線急停閉鎖和故障位置檢測。選用拉繩急停閉鎖開關。用于膠帶輸送機沿線緊急閉鎖保護，具有故障地點識別功能，當閉鎖開關動作，控制機報警并發急停命令。

膠帶跑偏保護。用于運輸機膠帶跑偏檢測和保護用，成對使用。跑偏開關采用插接式的電纜連接方式，易于安裝和拆卸。該跑偏開關探測桿采用軟連接并可萬向轉動，可有效避免皮帶上大的物體對跑偏開關的沖擊而造成損壞。

堆煤檢測。傳感器一般吊掛在機頭膠帶卸載入口處，或機頭的煤倉內，當卸載點發生堆煤時，報警并急停。

超溫檢測。溫度傳感器檢測皮帶滾筒溫度，當溫度超過溫度傳感器的設定值時，傳感器動作，控制機報警。

急停。當任一膠帶機出現緊急停車故障時，控制器將緊急停車，同時將信號傳給監控計算機；監控計算機接收到該控制器信號后，自動將與該皮帶有閉鎖關系的設備停止運行。

顯示與報警。在監控計算機和顯示控制臺上可動態顯示各設備的運行狀態和故障信號；可實時顯示急停及跑偏位置、皮帶速度、滾筒溫度等模擬量信息；可自動漢字及語音提示各故障信息；可在現場設備起動前和起動過程中，通過預警器向現場發預告信息。

2.3 視頻監控系統

在井下集中控制中心放置1臺硬盤錄像機，用于視頻的集中管理；在每條皮帶機頭、機尾、給煤機處及皮帶轉彎度大處各放置1臺礦用本質安全型網絡攝像儀；在每臺攝像儀附近設置1臺礦用澆封兼本安型光端機，用于提供攝像儀電源和采集信號。

2.4 順煤流方案使用

為了防止帶式輸送機運輸的過程中產生堆煤的事故，通常帶式輸送機的開啟需要從首條皮帶依次啟動，在啟動的整個過程中，先啟動的皮帶一直處于空轉狀態中，這種啟動方式因為皮帶空轉導致電能的浪費。為此，采用智能視頻技術、載荷多少檢測、時間時序方式，充分利用計算機網絡和集中控制技術，實時進行信息數據采集、實現帶式輸送機順煤流啟車，無煤停車，從而有效減少皮帶空轉所帶來的經濟損失。

綠水洞煤礦運輸系統采用以下2個順煤流啟動方式的流程：1#流程為從7號皮帶＞6號皮帶＞5號皮帶＞2皮帶＞1皮帶，總長大約6500m，7號皮帶為變頻啟動，其余為電子軟起動方式；2#流程為從3號皮帶＞2皮帶＞1皮帶，總長大約2500m，控制方式為電子軟起動方式。

（1）膠帶機連鎖。膠帶機連鎖是指前部膠帶機停止，后部膠帶機也隨之停止，前部膠帶機沒有啟動，后部膠帶機也不能啟動，防止后部膠帶機運的煤堆積在機頭。（2）膠帶機煤流檢測。采用機械式和非接觸式共同使用，非接觸式采用超生波/激光傳感器檢測，機械式采用堆煤傳感器改造。（3）時間控制防止煤流檢測失效。為防止煤流檢測失效，添加程序時間控制，根據膠帶機長度計算煤流到達時間。程序設定的時間與煤流檢測傳感器檢測到煤流，這兩個條件任何一個到達，前部膠帶機必須在規定的時間內運行，否則，后部膠帶機連鎖停機。（4）無煤延時停車。當距離機尾100m處煤流傳感器檢測不到煤流時，延時L/V秒（L為皮帶長度，V為皮帶運行速度）將皮帶上的料拉空后自動停車。

2.5 根據煤倉倉位啟停及閉鎖設備

以井底煤倉和皮帶為核心實現系統控制和聯動。

煤倉臨近滿時，系統首先通過設定值進行預警（語音播報），提示人為干預，如集控員未進行人為干預，當煤倉數據達到極限閥值時，系統自動觸發相關命令停皮帶，在控制界面中彈出相應的視頻畫面。

煤倉臨近空時，系統首先通過設定值進行預警（語音播報），提示人為干預，如集控員未進行人為干預，當煤倉數據達到極限閥值時，系統自動觸發相關命令，停止相關皮帶。

2.6 系統特點

（1）系統設置井下集中控制中心，把視頻和控制系統集成在一起，可遠程集中監控系統運行情況，查看實時和歷史報警等參數，在同一界面可監視控制系統和視頻信息；（2）地面系統有Web發布功能，可實現無插件的網頁訪問；（3）可以井底煤倉和皮帶為核心實現系統控制和聯動；（4）可實現系統順、逆煤流啟動；（5）礦用本安型控制器按照本安型可編程自動化控制器功能設計，具備嵌入式計算機、可編程控制器、人機界面等功能，一機多用，節約用戶投資；（6）控制器之間可實現協同控制；（7）皮帶沿線保護傳感器就近接入總線，總線沿線設備地址自動分配、故障準確定位；（8）總線方式，航插快速連接，設備安裝維護方便；（9）集成模擬和VoIP數字電話通信功能，可靈活實現與礦用調度通信系統的互聯互通；（10）皮帶沿線布有護套鋼絲繩，解決拉力線纜難以實現拉線急停的功能。

2.7 主要設備技術性能

（1）本安型主控制器。實現控制急停閉鎖、打點預警、語音報警、通話等功能。（2）礦用隔爆兼本安直流電源。每路電源的電壓可以根據需要選配；采用快開門結構設計多路本安電源輸出。（3）急停閉鎖開關。設備具備位置自動識別，LED指示設備狀態，采用機械閉鎖方式，手動復位，雙向總線通信方式。（4）組合擴音電話。設備位置自動識別，LED指示設備狀態，語音通話、預警、打點功能。（5）跑偏傳感器。Ⅰ級、Ⅱ級各一組常開觸點無源觸點輸出方式。（6）智能輸入輸出。輸入兼容開關量和模擬量；輸出為電平方式，兼容觸點輸出。（7）本質安全型多功能終端。用于總線末端的總線匹配、數據監測和發送。采用低功耗的微處理器實現電壓監測，并傳輸到主控制器。（8）溫度傳感器。測量環境溫度。（9）灑水電磁閥。主要用于煤礦井下皮帶機頭的灑水降溫除塵。

3 采用煤流運輸集控系統能效分析

主煤流運輸系統建設實施完成后，極大地減少了系統的故障停機時間和檢修時間，采用集中控制系統后有效減少空轉時間節約電能。若按平均每天減少因故障停機或檢修影響生產10min，則每年累計減少的影響生產時間50h／年，輸送量按最大運量600t/h的50%計算，可多出煤30000t/年。

主煤流系統全部投入集控運行，并且采用順煤流啟車控制方式，將大大減少皮帶之間的啟動間隔時間，節約電能損耗，提高勞動生產率。

采用集中控制系統后，根據采面出煤的情況，按煤流設備逆煤流啟動計算設備空轉時間，每天生產起停4次，皮帶速度按2.5m/s計算，該項可節約空轉的電能1#流程煤流運輸設備207413度/年；2#流程煤流運輸設備566813度/年。

系統建設完善后，主煤流運輸系統崗位人員可減少至9人，減少工資投入，并充實了設備維護檢修隊伍，提高了維護質量，減少了事故發生，變被動檢修為主動的定期檢修，提高了設備的使用率。

膠帶機實現集控后可對各類運行數據自動長期保存，以便進行統計分析，逐步形成有效的預防和避免各類事故產生的管理機制，以保證煤礦的安全生產，防止重大機電事故及人身事故的發生，改善工作環境，提高勞動生產率。

完備可靠的保護功能，可有效降低皮帶因跑偏、打滑而導致的磨損問題，大大提高了膠帶機的使用壽命，相應減少了皮帶維護所產生的高額維修費用，適當地提高了運輸能力，增加了出煤量。

4 結語

綜上所述，完善皮帶集中控制系統可減少故障停機時間，延長膠帶機的使用壽命，提高礦井生產效率，為實現安全、高產、高效礦井打下堅實基礎；礦井可產生直接經濟效益約100萬/年，可精簡人員至少10人。