煤礦皮帶運輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控改造實踐

趙海翔

(霍州煤電集團有限責任公司技術(shù)中心)

皮帶運輸機是煤礦的主要生產(chǎn)設(shè)備之一，特別是大型現(xiàn)代化煤礦，皮帶運輸機廣泛應(yīng)用在井下工作面、運輸巷、裝車站、地面煤樓等各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。在自動化技術(shù)的推動下，皮帶運輸系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制的瓶頸逐步被打破，各種解決方案也層出不窮。網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控節(jié)約了現(xiàn)場布線工作量，簡化了自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了運輸系統(tǒng)效率?？v觀各種解決方案，皮帶運輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控實現(xiàn)方式主要有基于單片機的開發(fā)和基于PLC的設(shè)計，從聯(lián)網(wǎng)方式來看，支持的協(xié)議標準有Profibus-DP、CAN、MPI、RS485、RS232、Ethernet等。借助各種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，將運輸系統(tǒng)內(nèi)不同類型、不同接口的設(shè)備和儀表都連接起來，實現(xiàn)監(jiān)控信息集中上傳，通過上位機可實現(xiàn)地面遠程控制設(shè)備運行。通過該網(wǎng)絡(luò)，語音信息、監(jiān)控數(shù)據(jù)、控制指令都可以傳輸，帶來極大的方便。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建皮帶運輸巷無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)逐漸成為可能，這為皮帶運輸系統(tǒng)監(jiān)控指明了新的方向。

1 皮帶網(wǎng)絡(luò)化控制改造的要求

皮帶運輸系統(tǒng)要實現(xiàn)自動化，主要完成沿線關(guān)聯(lián)設(shè)備的運行控制，運行中的各種綜合保護，圍繞這兩個方面，具體的功能要求包括：

1) 實現(xiàn)膠帶機安全運行保護，常見有跑偏、堆煤、撕裂、溫度、速度、煙霧、急停、張力、斷帶等保護功能。

2) 膠帶機控制功能，控制高壓柜斷路器的合閘、分閘，控制變頻器、軟啟動器、抱閘裝置等輔助設(shè)備的開、停。

3) 具備皮帶巷沿線打點、通話、語音報警功能。

4) 在此基礎(chǔ)上擴展上位機監(jiān)控功能，在地面以圖、表、曲線、數(shù)值、動態(tài)畫面等形式反映設(shè)備運行情況。

由于皮帶運輸系統(tǒng)具有線路長、設(shè)備多、有嚴格的連鎖關(guān)系等特點，所以，構(gòu)建覆蓋全線的自動化網(wǎng)絡(luò)十分必要，在完成所述基本功能的基礎(chǔ)上，能實現(xiàn)多機聯(lián)鎖運行，分散監(jiān)測，集中控制且實時參數(shù)通過生產(chǎn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)傳輸至各中心站，甚至到地面調(diào)度中心。

2 自動化改造解決方案對比

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

構(gòu)建監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是皮帶運輸系統(tǒng)實現(xiàn)自動化的重要基礎(chǔ)，眾多的參控設(shè)備和檢測儀表分布在長達幾千米甚至幾萬米的皮帶線上，通過生產(chǎn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，可精簡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)約布線的工作量，并易于實現(xiàn)集中控制。皮帶系統(tǒng)構(gòu)建監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是充分運用計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)的最新成果，先后出現(xiàn)了如圖1所示的基于局部網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)、基于現(xiàn)場總線的監(jiān)控系統(tǒng)、基于以太網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)[2]。圖1(a)所示的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)少量設(shè)備的近距離通信；圖1(b)所示的基于現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，可根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場分布情況，擴展網(wǎng)絡(luò)距離，多臺設(shè)備、多種設(shè)備均可通過總線傳輸數(shù)據(jù)；圖1(c)所示的結(jié)構(gòu)，是目前運輸系統(tǒng)實現(xiàn)集控的典型通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過建成的主干以太網(wǎng)(Ethernet)，所有分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無縫傳輸。

圖1 運輸系統(tǒng)自動化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

通過對比3種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)合井下實際情況，可選擇適合的組網(wǎng)形式。圖1(a)所述網(wǎng)絡(luò)中包含有模擬信號傳輸，抗干擾能力差，采用專門設(shè)計的通信協(xié)議，開放性差，且一旦投資完成，升級擴容難度大，可見適用性較差。圖1(b)所述現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)；一般采用標準協(xié)議，比如運輸系統(tǒng)中目前廣泛應(yīng)用的Profibus-DP、CAN Bus、RS485等協(xié)議[1]，大大提高了系統(tǒng)兼容性；這種方式將運輸系統(tǒng)信息處理環(huán)節(jié)延伸到運輸現(xiàn)場，節(jié)省了大量接線端子塊、隔離器、I/O卡等部件，降低系統(tǒng)成本。圖1(c)所述網(wǎng)絡(luò)直接將Ethernet通信服務(wù)器集成到皮帶機綜合保護控制裝置中，使以太網(wǎng)直接延伸至生產(chǎn)控制底層，實現(xiàn)真正的“一網(wǎng)到底”，與上層管理網(wǎng)協(xié)議兼容，進一步簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本。從實踐來看，目前運輸系統(tǒng)自動化改造，主要采用現(xiàn)場總線與Ethernet融合組網(wǎng)的方式，既滿足現(xiàn)場兼容性，又方便與上層管理網(wǎng)無縫連接。

2.2 實現(xiàn)方式

目前，運輸系統(tǒng)自動化的具體實現(xiàn)方式也呈現(xiàn)出多樣化，各個生產(chǎn)廠商根據(jù)最新的技術(shù)發(fā)展，不斷推出新的解決方案。如圖2所示，是一種典型的皮帶機網(wǎng)絡(luò)化保護控制系統(tǒng)解決方案，現(xiàn)場級采用CAN總線，將多臺監(jiān)控主機連接起來，在方便接入Ethernet的位置，配置聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)進入Ethernet由光纖傳輸至遠端，地面配置監(jiān)控上位機，配套專門的可視化監(jiān)控軟件，實現(xiàn)實時信息顯示，地面遠程控制，該解決方案將數(shù)據(jù)傳輸、語音通話、視頻監(jiān)控融為一體。總體來說，目前主要的解決方案可歸納如下：

1) 選用高性能微處理器設(shè)計監(jiān)控主機，外圍擴展多路模擬量、數(shù)字量通道，以完成皮帶多種保護功能，設(shè)計專門的語音電路、顯示電路、通信接口電路，使主機具備打點、通話、報警、顯示及聯(lián)網(wǎng)功能，支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要有CAN、RS232/485、Ethernet等。

2) 選用知名品牌的PLC模塊，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場情況靈活搭建監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過計算監(jiān)控皮帶的數(shù)據(jù)規(guī)模，合理選擇CPU模塊、I/O模塊、聯(lián)網(wǎng)模塊、接口模塊。根據(jù)運輸巷的分布，可設(shè)計成一主站多分站結(jié)構(gòu)；也可以設(shè)計成多個對等監(jiān)控站結(jié)構(gòu)，還可以根據(jù)現(xiàn)場需要，設(shè)置就地按鈕盒。

圖2 典型的皮帶機網(wǎng)絡(luò)化保護控制系統(tǒng)圖

2.3 方案對比

1) 系統(tǒng)性能。早期的基于單片機的皮帶機綜合保護裝置，穩(wěn)定性不如PLC系統(tǒng)好，各個廠家開發(fā)的保護裝置質(zhì)量差別也比較大。近幾年，微處理器的性能大幅度提高，基于高性能微處理器的皮帶保護控制主機，都表現(xiàn)出良好的性能，由于微處理器支持的資源增加，將通信接口、語音、操作按鈕、數(shù)據(jù)采集等功能集于一身的產(chǎn)品也得到應(yīng)用，穩(wěn)定、可靠，皮帶監(jiān)控裝置在現(xiàn)場放置，也利于現(xiàn)場就地操控。PLC系統(tǒng)能否真正發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，依賴于開發(fā)人員的經(jīng)驗。

2) 開發(fā)周期。PLC模塊基本為定型產(chǎn)品，開發(fā)工作量重點是模塊選型及軟件設(shè)計，開發(fā)周期短；而基于微處理器開發(fā)皮帶監(jiān)控裝置，涉及硬件電路設(shè)計、軟件設(shè)計、抗干擾設(shè)計、本安及防爆考慮等，開發(fā)周期較長。在遠程監(jiān)控需求刺激下，上位機監(jiān)控功能逐漸成為必選設(shè)計任務(wù)，PLC作為標準的模塊，已將常用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議及接口標準集成在開發(fā)環(huán)境中，很容易實現(xiàn)與Wincc、Intouch、Ifix、MCGS等組態(tài)軟件的通信，而基于微處理器的監(jiān)控裝置，一般都采用OPC技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的上位機讀取。從這個方面看，PLC系統(tǒng)開發(fā)周期比皮帶監(jiān)控裝置要短。但若采用一個技術(shù)成熟的皮帶監(jiān)控裝置構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)，其開發(fā)周期遠遠短于PLC系統(tǒng)開發(fā)。

3) 靈活性。皮帶監(jiān)控裝置通過擴展可以掛接語音通話、視頻監(jiān)控等子系統(tǒng)，而且可根據(jù)皮帶運輸巷實際設(shè)備情況，自由確定安裝位置，修改監(jiān)控程序，靈活性較好；PLC系統(tǒng)在上層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中，較為靈活，而現(xiàn)場應(yīng)用，則不如皮帶監(jiān)控裝置靈活。

4) 成本。設(shè)計一套PLC皮帶運輸自動化系統(tǒng)動輒上百萬元，甚至上千萬元，開發(fā)成本巨大；而基于微處理器的皮帶監(jiān)控裝置，表現(xiàn)出明顯的價格優(yōu)勢。

3 皮帶運輸系統(tǒng)自動化改造展望

近幾年，無線通信技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用力度越來越大，從運輸系統(tǒng)的特點來看，最適合應(yīng)用的應(yīng)該是覆蓋全線的無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，這樣，所有的監(jiān)控信息自適應(yīng)地傳輸至監(jiān)控分站，監(jiān)控分站再通過礦以太環(huán)網(wǎng)傳輸至地面管理中心。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的相關(guān)成果應(yīng)用到運輸系統(tǒng)自動化中，必將掀起一場新的革命。從井下生產(chǎn)實際來看，無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)非常方便，無論對于正常運行監(jiān)控信息的傳輸，還是對緊急情況下的調(diào)度、控制，甚至是事故救援，都將產(chǎn)生積極地影響。

無線運輸系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)想圖見圖3，將沿線各種監(jiān)控用傳感器改造為無線傳感器，直接與無線基站進行數(shù)據(jù)交換，再由無線基站傳輸至以太網(wǎng)。這樣的無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可覆蓋皮帶運輸巷、斜巷人車、井下(井上)人車、猴車等長距離運輸系統(tǒng)，成熟的無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)甚至可以延伸至采掘面，適應(yīng)采掘工作機動性的需要。目前，無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，語音通話，報警提示，命令下發(fā)等功能。

圖3 覆蓋運輸沿線的無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)想圖

4 總 結(jié)

皮帶運輸系統(tǒng)具有設(shè)備多、類型雜、布置分散、全線距離遠等特點，在自動化改造過程中，呈現(xiàn)出多種解決方案，在聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)方式、性能、成本、靈活性等方面各有差異。實現(xiàn)煤礦自動化，減少了檢修時間，提高了生產(chǎn)效率。相信皮帶運輸系統(tǒng)自動化將呈現(xiàn)更加便捷高效的未來。

[1] 張新文. 煤礦礦井皮帶運輸機集中控制[J].陜西煤炭技術(shù)，2000(2):45-46.

[2] 田 宇. PLC遠程監(jiān)控運輸機械電氣控制系統(tǒng)[D].武漢：武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008：5-6.