基于工業(yè)以太網(wǎng)的煤礦井下膠帶輸送機監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

鄧風(fēng)永 王朝陽

（1.焦作市明株自動化工程有限責(zé)任公司，河南 焦作454000；2.焦作華飛電子電器股份有限公司，河南 焦作454000）

煤碳產(chǎn)業(yè)是我國國民經(jīng)濟快速發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐的加快，能源需求增長加速，煤炭產(chǎn)量也迅速增長，但是由于煤礦井下作業(yè)遠(yuǎn)離地面，地形復(fù)雜，環(huán)境惡劣，井下監(jiān)控設(shè)備落后等原因，嚴(yán)重制約著我國煤礦的安全開采，煤礦井下監(jiān)控設(shè)備的更新已經(jīng)迫在眉睫。

我國多數(shù)煤礦井下均采用分布式監(jiān)控系統(tǒng)，即現(xiàn)場設(shè)備與控制器一對一的信息交換方式，該控制方式實時性差、信息集成能力不強、可靠性不易保證、系統(tǒng)不開放、可集成性差、可維護性不高，嚴(yán)重影響著礦井綜合自動化程度的提高。

伴隨著計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的高速發(fā)展，信息交換的領(lǐng)域已經(jīng)覆蓋了工廠、企業(yè)的各個角落，但是我國建設(shè)煤礦綜合自動化的速度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展。如何讓煤礦運用這些先進的自動化技術(shù)已成為我國礦山行業(yè)研究的熱點。 基于此，本文提出了在礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)基礎(chǔ)上建立井下膠帶輸送機監(jiān)控系統(tǒng)的實施方案，以提高我國礦井的綜合自動化程度。

1 煤礦井下膠帶輸送機監(jiān)控系統(tǒng)的分析

煤礦井下膠帶輸送機是煤礦井下運輸線的重要組成部分，一個煤礦的安全生產(chǎn)與輸送機的安全、穩(wěn)定運行是密不可分的。 老式的井下膠帶輸送機保護裝置，無法實現(xiàn)裝置之間的實時信息交換，更不能將現(xiàn)場膠帶機的實時信息上傳至井上，以供井上調(diào)度人員對膠帶機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。 保護裝置之間只有簡單的I/O 閉鎖，雖能滿足現(xiàn)場運行要求，但是隨著礦井自動化網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，這種分布式控制思想已經(jīng)不能融入到整個礦井的自動化系統(tǒng)當(dāng)中，而且制約著礦井綜合自動化水平的提高。

相比井下膠帶輸送機的控制系統(tǒng)，煤礦井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)要更容易。老式的煤礦井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)，是由井下本安攝像儀、光端機組成的，雖然設(shè)備構(gòu)成簡單，但是隨著井下監(jiān)控地點的增加，就需要足量的視頻線路將視頻信號傳遞到地面上。 這樣一來，視頻線路的鋪設(shè)就變得復(fù)雜化，因此制約了監(jiān)控地點的建立，也無法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，維護不方便。

2 基于工業(yè)以太網(wǎng)的煤礦井下膠帶輸送機監(jiān)控系統(tǒng)的介紹

本文提出的煤礦井下膠帶輸送機監(jiān)控系統(tǒng)主要由輸送機集中控制和輸送機運行視頻監(jiān)控兩部分組成，它依賴于工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)與地面監(jiān)控計算機和工業(yè)電視進行實時數(shù)據(jù)交換[1]。 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

如圖1 所示， 該系統(tǒng)的輸送機集中控制部分分為三個網(wǎng)絡(luò)層次：設(shè)備層、控制層以及信息層[2-3]。在設(shè)備層，主要通過控制從站與現(xiàn)場設(shè)備進行信息交換，并采用總線式傳感器、總線式急停開關(guān)等對該輸送機實施保護，因此其可靠性大大提高、布線減少、安裝方便，并可實現(xiàn)快速故障診斷；在控制層，主要利用現(xiàn)場總線技術(shù)[4-5]使控制主站與控制從站進行信息交換， 實現(xiàn)設(shè)備層各個控制從站之間的I/O 控制、閉鎖和報文傳送， 并將I/O 網(wǎng)絡(luò)的功能和對等信息傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，保證了信息的實時性和確定性。同時，它也支持實時數(shù)據(jù)的傳輸，例如現(xiàn)場信息的上傳以及控制指令的下傳等；在信息層，采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，通過TCP/IP 協(xié)議，將膠帶輸送機集中控制系統(tǒng)的所有信息顯示在地面監(jiān)控電腦上，以便生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控人員實時掌握井下運輸線的工作情況并對其進行控制操作，它還能將膠帶輸送機的實時信息連接至企業(yè)的信息系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的視頻監(jiān)控部分由本安型攝像儀、本安型光端機、網(wǎng)絡(luò)視頻編碼器以及網(wǎng)絡(luò)視頻解碼器等相關(guān)設(shè)備組成。網(wǎng)絡(luò)視頻編碼器可以將多路視頻信號編碼、壓縮成一路TCP/IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)視頻信號，通過以太環(huán)網(wǎng)將網(wǎng)絡(luò)視頻信號上傳至地面網(wǎng)絡(luò)視頻解碼器，解碼成標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號以供多個設(shè)備使用。

3 系統(tǒng)主要組成

3.1 地面控制中心監(jiān)控部分

地面控制中心設(shè)置兩臺工業(yè)控制計算機（互為熱備），配合相應(yīng)的主流組態(tài)軟件及傳輸接口，對井下運輸線上所有膠帶輸送機的模擬狀態(tài)進行圖形顯示，各條膠帶輸送機的故障狀態(tài)及相關(guān)模擬量也可在地面監(jiān)控中心的工業(yè)控制計算機上實時顯示。

地面控制中心的工業(yè)控制計算機也可作為整個膠帶機集控系統(tǒng)的控制中心，控制各條膠帶輸送機及其他設(shè)備的開停。

圖1 基于工業(yè)以太網(wǎng)的煤礦井下膠帶輸送機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 集中控制部分

該系統(tǒng)的集中控制部分以建設(shè)數(shù)字化礦井為目的，從提高煤礦企業(yè)效益的角度，構(gòu)架涵蓋煤礦井下膠帶輸送機的安全監(jiān)控、生產(chǎn)控制、設(shè)備監(jiān)控的各個層次的自動化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。各層次均采用國際先進的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以達到系統(tǒng)安全、有效的運行。系統(tǒng)可對整個生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)控，能實時采集和顯示現(xiàn)場各生產(chǎn)環(huán)節(jié)設(shè)備的運行狀態(tài)，具備數(shù)據(jù)處理及與礦井綜合控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)功能。

該系統(tǒng)采用多種控制方式，既可以集中啟動整條膠帶輸送機運輸線，又可以靈活地進行就地控制。 因此可以使整條膠帶輸送機運輸線在有煤時按序啟動，無煤時按序停止，大大提高了膠帶輸送機的輸煤效率，降低了膠帶輸送機的空載運行時間，減少了電能的浪費，實現(xiàn)了系統(tǒng)的節(jié)能降耗。

該系統(tǒng)還具有在整條膠帶輸送機運輸線上的故障定位功能。相比老式控制裝置故障無法定位， 需要大量人員逐個排查既浪費時間，浪費人力、效率低又耽誤生產(chǎn)的缺陷，該系統(tǒng)在設(shè)計時充分考慮了故障定位功能。 故障出現(xiàn)后無需大量人員去逐個排查，只需一名維護人員按照系統(tǒng)故障提示的位置去排除故障即可，系統(tǒng)故障后恢復(fù)時間大大縮短，維護人員的使用效率也有很大提高。

3.3 視頻監(jiān)控部分

在井下設(shè)置一臺多路網(wǎng)絡(luò)視頻編碼器，將本安攝像儀輸出的標(biāo)準(zhǔn)的模擬視頻信號經(jīng)編碼調(diào)制、壓縮后發(fā)送到以太環(huán)網(wǎng)上，供地面設(shè)備接收。該系統(tǒng)中，井下多臺攝像儀共用一個環(huán)網(wǎng)交換機的接口，提高了網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)絡(luò)端口的利用率，從而提高了系統(tǒng)整體的網(wǎng)絡(luò)性。

在地面控制中心設(shè)置一臺多路網(wǎng)絡(luò)視頻解碼器，由網(wǎng)絡(luò)視頻解碼器提取以太環(huán)網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)視頻信號，經(jīng)過解壓縮、解碼成標(biāo)準(zhǔn)的模擬視頻信號傳出，再由視頻分配器將視頻信號分配給矩陣切換器和硬盤錄像機，實時顯示井下膠帶輸送機的運行狀態(tài)和視頻備份。

一個大型礦井安裝的視頻信號不會超過100 路，經(jīng)壓縮后需要約50Mbyte 網(wǎng)絡(luò)帶寬，而現(xiàn)在的礦井環(huán)網(wǎng)帶寬多為1000Mbyte，因此足以滿足視頻信號的帶寬。 使用網(wǎng)絡(luò)視頻信號后，將大幅地節(jié)省井下視頻攝像儀的安裝過程，非常便于維護，而且不受線路的制約，可以滿足井下多處視頻監(jiān)控的需求。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)通用的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，可以和全礦井綜合自動化系統(tǒng)實現(xiàn)匯接，實現(xiàn)信息共享。 系統(tǒng)的軟、硬件均為冗余設(shè)計，這樣使系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性大大提高。 系統(tǒng)中信息交換由下而上逐級集中，控制既可集中于信息層操作，又可分散于設(shè)備控制層實施。信息交換實時性好，可靠性高，風(fēng)險分散，使用方便，組合靈活。更重要的是系統(tǒng)技術(shù)先進、功能完善、配置靈活，各個子站均可獨立自成體系，可以按照礦井要求分步配置，進而實現(xiàn)最佳配置。

［1］張申.煤礦井下綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究[J].煤炭學(xué)報,2002,4.

［2］張浩,譚克勤,朱守云.現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)手冊(第一冊)[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2002,8.

［3］張浩,譚克勤,朱守云.現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)手冊(第二冊)[M].上海科學(xué)技術(shù)出版社,2004,1.

［4］劉曙光.現(xiàn)場總線技術(shù)的進展與展望[J].自動化與儀表,2000,15(3):1-6.

［5］趙君.現(xiàn)場總線技術(shù)進展[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報,2002,7(2):56-60.