煤礦井下皮帶機集控改造及實踐研究

摘要：本文在簡述煤礦井下皮帶機集控改造必要性的基礎上，以某煤礦井下皮帶機為例，結合存在的問題，立足集控系統結構，采取集控軟件技術、硬件組成技術、視頻監控技術，進行了集控改造。實踐表明，通過保持原有皮帶機系統框架開展機械與電機改造，能夠達到預期控制功能要求，進而保障皮帶機運輸安全。

關鍵詞：煤礦；井下皮帶機；集控改造

DOI：10.12433/zgkjtz.20241325

皮帶機是煤礦井下運輸的關鍵設備，但易受到內外部因素影響，出現跑偏、打滑等故障，進而影響井下運輸工作。而皮帶機集控技術能夠利用信號檢測技術、總線技術、傳輸信號技術、計算機處理技術等，采集井下皮帶機運行數據，對皮帶機故障、開停等狀態進行遠程監控，將皮帶速度、電機溫度、電流等參數顯示出來，實現全程自動化控制。因此，為確保煤礦井下皮帶機穩定、安全運行，集控改造顯得尤為重要。

一、煤礦井下皮帶機集控改造的必要性

伴隨井下采面、巷道的開拓延伸，皮帶機運輸路線延長，逐漸暴露出許多傳統皮帶機問題，特別是井下語音通信系統、運輸控制系統，存在傳輸速度慢、運行環節多、安全性低等問題。為此，煤礦井下皮帶機應加強集控改造，對皮帶機頭、轉載點、機尾、落煤點等部位及主運皮帶加裝攝像頭與傳感器，連接地面集控室，有效存儲、展示攝像頭數據，及時發現異常。集控系統還能切換就地控制、遠程控制模式，集成設備參數及保護系統，使皮帶撕裂、跑偏、溫度等數據一目了然，控制上下游皮帶啟停，優化生產過程，提高生產安全性與效率。井下皮帶機集控改造能實現減人提效、集中控制，合理利用故障預警與在線診斷功能，提高生產自動化程度，減少人工干預，為建設智能化礦井、實現“高質量、低成本”發展夯實基礎。

二、煤礦井下皮帶機集控改造技術

以某煤礦井下皮帶機為例，皮帶長2300m，寬1000mm，運量1100t/h，速度1.15m/s，膠帶采取阻燃鋼絲繩芯，存在無法上傳皮帶機型號的情況，加上程序改動、故障查詢較為頻繁，需對其進行改造。

（一）集控系統結構

井下皮帶機集控系統由信息管理層、通信層、控制層構成，通過組網模塊與交換機直接通信，結構見圖1。

信息管理層設置操作員站，能夠根據人員職責設置使用權限，提供操作平臺，直觀顯示設備參數及運行狀態，對其實時監測。對傳感器及重要部件故障進行聲光報警，將報警數據儲存至數據服務器，有助于統計報警信息及事故分析。

通信層采用“現場總線+1000M以太環網”方案，整合嵌入式系統、鏈路聚合技術，使用28芯礦用阻燃光纜進行組建，保證各監控監測設備均能通過該網絡傳輸數據，從而提高數據傳輸效率。

控制層使用PLC與KTC101兩種控制系統。前者負責皮帶運輸機遠程開停，檢測設備運行狀態，利用分站控制設備，將數據顯示到平臺上。后者負責皮帶運輸機就地開停，控制設備和傳輸數據。

（二）集控軟件技術

井下皮帶機集控軟件可采集皮帶機數據，集成監控信息，存儲至工業數據庫。該產品以IAS為核心，具有高開放性、先進性、高可靠性特點，適用于跨地域、多系統、大數據工業聯網及數據集成。以太網終端采用組態軟件，可實現工業生產可視化監控，為技術人員、現場工程提供簡易開發環境，結合工程需求創建圖形窗口完成組態，實時傳遞設備運行參數。

皮帶機控制系統直接連接集控軟件，可實現井下、地面設備監控全覆蓋，做到井下無人值守。步驟如下：①組網實現軟件，與井下PLC直接通信，設定通信接口參數，保證參數的一致性。②PLC系統借助光電轉換模塊，轉換電信號為光信號，以光纖通信線路，連接光纖收發器、智能分站、工業交換機。通信成功即可在IDE軟件構建位置節點。③結合數據表將設備表與監控表對應，設定正確映射表，準確采集設備工況及運行參數。④軟件編輯配置設備位置，輸入設備相關屬性，完成點對點編輯，即可利用客戶端遠程控制井下設備。

（三）硬件組成技術

1.以太環網

工業以太網系統是多功能系統，核心設備包括礦用網絡智能分站、礦用以太網交換機、多功能智能網關、光端機、視頻服務器、接口轉換設備、網絡攝像儀及電源箱等。改造中采取“現場總線+以太環網”方式采集數據，針對井下特殊環境要求，采取1000M光纖環網，發送控制命令與上傳信息。該礦井設置環網中，系統使用RS30交換機20臺、核心交換機2臺，為煤礦皮帶機信息化控制提供穩定、高速的網絡平臺。

2.硬件組成

井下皮帶機集控系統使用光纖通信、計算機網絡技術，構建高速互聯網，實現設備視頻圖像、語音信息、設備運行信息的傳輸，完成遠程監控。該系統由網絡交換機、網絡分站、視頻服務器、網絡攝像儀等構成，考慮到篇幅有限，這里僅介紹網絡交換機與網絡分站。

①網絡交換機。井下皮帶機在使用中，考慮信號接入與環境情況，采取礦用隔爆千兆交換機為傳輸設備，提供100M以太網，額定電壓為交流127V，頻率50Hz，能夠組成光纖自愈環網，輸入電源廣泛，電源允許波動大（75%～120%），易檢修安裝，即便線路出現故障，也能迅速切換冗余鏈路，以保證系統的可靠性。

②網絡智能分站。為實現井下皮帶機數據無擁塞、可靠傳輸，要求傳輸速率≥100Mbps，與主干網自適應，且提供智能網關，便于接入監測設備、安全監控系統、終端設備、現場總線等。結合視頻分配器、網絡攝像儀與IP電話，可將設備圖像、語音信號等傳輸至平臺。該集控系統采取KJJ114智能分站，能夠實時監測瓦斯、風、電閉鎖等的狀態，檢測設備的開關狀態、溫度、啟停等情況。

3.傳輸數據

井下皮帶機終端發送數據至智能分站，利用分站轉換采集信號，通過網絡交換機連接環網，進而以IDS軟件集成數據，完成界面編輯。改造皮帶機電控系統使用KTC101，配置標準串口2個，以Modbus通信，利用控制分站，將皮帶機系統與工業以太網連接。考慮通信質量，在500m以內采取RS485線路，超過500m選用光纖通信，數據傳輸流程見圖2。

電控系統使用PLC監控現場設備，如果設備分散，則增設井下控制分站，以現場總線連接工業以太網。集控室調度服務器，借助接口通信協議，完成數據通信。

（四）視頻監控技術

井下皮帶機集控系統的視頻傳輸，由傳輸線、攝像單元、視頻分配器、光端機、顯示系統及服務器構成。井下攝像機配置低照度鏡頭、攝像機、阻燃光纜等，以視頻矩陣傳輸視頻信號至皮帶集控中心。在視頻監控方面，集控系統在皮帶機關鍵環節安裝網絡攝像儀，且在調度室配置視頻解碼器，安裝2臺視頻分配器，1臺矩陣切換主機，1套數字視頻服務器，5臺視頻解碼器。該多系統采取KBA5網絡攝像儀，利用工業以太網傳輸圖像至數據中心。液晶電視墻方面，設置12臺46寸液晶電視，按照4列3行順序排列，自由切換VGA與AV信號，顯示皮帶監控信息。

（五）PLC控制技術

PLC軟件利用文件塊方式編寫程序集所需數據，這類文件塊主要有功能塊、組織塊、數據塊等。組織塊是在各種條件下用戶使用的接口，由操作系統調用，可掃描程序與中斷執行程序；功能塊是用戶子程序，通過低頻率與低電壓實現多變頻器同時輸出，減少電網沖擊；數據塊是存儲數據區，負責存儲皮帶機運行參數數據。將皮帶機等信號直接接入PLC，實現自動控制。

三、煤礦井下皮帶機集控改造效果分析

（一）集控改造

在保持整體皮帶機框架不變基礎上，結合皮帶機特點、巷道布置形式，最惡劣工況為運段滿載，按照521kW最大負荷優化設計，采取驅動單元進行集中布置，不同工況功率要求見表1。

機械改造方面，改造4臺驅動單元底盤，采取“電機+減速機+液粘軟啟動+驅動滾筒”配置，安裝1套制動器液壓站，保留2臺盤式制動器。

電控改造方面，保留主控開關與電動機，增加軟啟動液壓站啟動開關，使用皮帶機集控系統，以光纖完成通信。工作方式包括遠控與就地兩種，滿足用戶調用、使用需求。

（二）實現目標

①采集信息。接入和采集各種運行數據、設備工況、保護信號，具備擴展性；可修改、定義北側模擬參數報警值、保護動作值。

②保護功能。系統擁有皮帶機機頭堆煤、欠速打滑、超溫斷電灑水、跑偏等保護功能；可選擇多種運行方式，以免人員誤操作。

③診斷故障。判斷設備運行參數閾值，檢測參數超出報警閾值，集控中心工作站將發送報警信號，提示值班人員檢修維護皮帶機設備。

④擴音功能。配置報警電話，出現異常事故利用語音廣播給出語音提示；提供停機、開機前預警提示。集控中心以撥號方式實現1對1與1對多通話。

⑤聯網功能。集控系統利用分站、主站等，借助以太網控制井下交換機，將監控數據集成處理，輸入集控信息平臺。

四、結語

綜上所述，為減少人員數量，規避人員誤操作，優化生產效率，針對某井下皮帶機集控情況，可采取現場總線、以太環網、組態軟件及PLC控制技術，改造電控系統。以以太環網及通信協議實現集控系統通信，完成信號采集與參數控制功能，能夠實現皮帶機可靠軟啟動與軟制動，滿足煤礦井下高效、安全運輸要求。

參考文獻：

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