基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的礦井鋼纜皮帶組集中控制系統(tǒng)的研究

張寧+蔣偉+覃光志+袁興+朱云霞+聞平

摘 要：礦井鋼纜皮帶是煤礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，用于長(zhǎng)距離、大運(yùn)量的運(yùn)輸，是礦井出煤的主要通道，同時(shí)還作為交接班上、下井輸送人員和運(yùn)送材料、矸石的通道，該文針對(duì)鋼纜皮帶在實(shí)際應(yīng)用中的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，結(jié)合近幾年流行起來(lái)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和集中控制技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一套基于以太網(wǎng)的鋼纜皮帶組集中控制系統(tǒng)，并已在現(xiàn)場(chǎng)得到了成功的應(yīng)用。該系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了在調(diào)度集控室對(duì)鋼纜皮帶運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠及時(shí)地監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)各運(yùn)行參數(shù)的狀況，一旦現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)運(yùn)行有故障，可以實(shí)時(shí)地對(duì)事故進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作并進(jìn)行報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)各段皮帶實(shí)時(shí)、可靠、快速的運(yùn)行監(jiān)控效果。

關(guān)鍵詞：鋼纜皮帶 集中控制 WINCC 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD676 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）11（b）-0007-04

Abstract：The wire rope strap is the important equipment in the mining production. It is used in long distance transport. It is the main way of transport. It is used to transport people and stuff.This paper develops a centralized control system basing on Ethernet against the main problem with the industrial network technology. This system can monitor the wire rope strap status. Once a fault occurs， this system can protect and alarm.

Key Words：Wire rope strap； Centralized control； WINCC； Industrial network

煤礦巷道式鋼絲繩牽引皮帶式輸送機(jī)是用兩臺(tái)大功率電機(jī)拖動(dòng)兩條牽引鋼絲繩作為牽引機(jī)構(gòu)，膠帶帶有特制的雙面耳槽搭在兩條無(wú)極鋼絲繩上作為承載物料的構(gòu)件，由傳動(dòng)滾筒和鋼絲繩間的摩擦力驅(qū)動(dòng)鋼絲繩和膠帶運(yùn)行。同時(shí)通過(guò)液壓盤(pán)式剎車(chē)系統(tǒng)來(lái)達(dá)到制動(dòng)的效果，滿(mǎn)足礦井運(yùn)送煤礦和物資的需要。

鋼纜皮帶安裝于煤礦井下傾斜的巷道中，由兩臺(tái)大功率直流電機(jī)通過(guò)滾筒牽引鋼絲繩使皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到提升煤炭、矸石、材料、人員等需要，是煤礦運(yùn)輸生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，所以其電控系統(tǒng)不同于普通電機(jī)啟動(dòng)、停止控制需要，因直流電機(jī)功率很大，而且牽涉到安全問(wèn)題，設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)要經(jīng)過(guò)起動(dòng)、加速、等速、減速、爬行、減速、停止等不同的調(diào)速控制過(guò)程，而且由于礦井原煤運(yùn)輸線路長(zhǎng)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)多、工藝復(fù)雜、運(yùn)輸量不均衡、設(shè)備負(fù)荷變化大、頻繁停車(chē)等原因，造成耗電耗力，同時(shí)因制動(dòng)系統(tǒng)不可靠或者設(shè)備出故障，事故率居高不下。

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的提升，特別是國(guó)家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)要求的提升，本著以人為本的生產(chǎn)理念，特別是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊及監(jiān)控軟件系統(tǒng)的發(fā)展，為了能完善和提高鋼纜皮帶組的自動(dòng)控制技術(shù)，滿(mǎn)足煤炭安全高效可靠的生產(chǎn)需要，必須將煤礦鋼纜皮帶系統(tǒng)組成集中控制系統(tǒng)，運(yùn)用高速發(fā)展的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、DCS分布式設(shè)備數(shù)據(jù)采集技術(shù)和工業(yè)監(jiān)控軟件平臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)皮帶組的整體運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)時(shí)監(jiān)控一線生產(chǎn)數(shù)據(jù)情況，一旦監(jiān)控到有問(wèn)題，就立即整改，防止事故的發(fā)生。

1 煤礦鋼纜皮帶輸送控制系統(tǒng)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 煤礦鋼纜皮帶輸送控制系統(tǒng)

煤礦鋼纜皮帶輸送系統(tǒng)是整個(gè)煤礦輸送的核心，它的安全運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)煤炭生產(chǎn)的命脈。

鋼纜皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)主要用于煤礦長(zhǎng)距離、大負(fù)載、長(zhǎng)時(shí)間等特殊要求的場(chǎng)合。它通過(guò)高強(qiáng)度的鋼絲繩牽引，通過(guò)大容量的直流電機(jī)牽引鋼絲繩，并配有液壓盤(pán)式制動(dòng)系統(tǒng)，滿(mǎn)足長(zhǎng)距離、高負(fù)載的輸送要求。圖1是鋼纜皮帶鋼絲繩牽引系統(tǒng)。

由于煤礦鋼纜皮帶系統(tǒng)特殊的安全需求，其整個(gè)電控系統(tǒng)相比傳統(tǒng)控制模式，具有不同的框架，其整個(gè)電控系統(tǒng)由底層單片控制的直流電機(jī)勵(lì)磁和轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)電流電路系統(tǒng)、PLC邏輯控制系統(tǒng)、數(shù)字量多點(diǎn)式監(jiān)控系統(tǒng)、上位機(jī)軟件操作系統(tǒng)、硬件平臺(tái)操控系統(tǒng)等組成。

鋼纜皮帶組工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)原則是統(tǒng)一管理監(jiān)控平臺(tái)，分布式運(yùn)轉(zhuǎn)、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)就地采集，高速數(shù)據(jù)交換，采用DCS分布式單設(shè)備控制系統(tǒng)，通過(guò)本地網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)信息采集，最后統(tǒng)一在一個(gè)監(jiān)控平臺(tái)上實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)，滿(mǎn)足煤炭要求的高效安全生產(chǎn)需要。圖2是DCS分布式單設(shè)備本地控制平臺(tái)。

1.2 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)系統(tǒng)

隨著工業(yè)自動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，尤其是現(xiàn)在提出的工業(yè)4.0，工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)發(fā)展很快。

同時(shí)隨著數(shù)據(jù)信息化時(shí)代的到來(lái)，大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展和云計(jì)算的發(fā)展，可以將工業(yè)分布式現(xiàn)場(chǎng)的大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)采集上來(lái)，進(jìn)行集中運(yùn)算處理，滿(mǎn)足工業(yè)信息化時(shí)代的要求。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的一種全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)自出現(xiàn)以來(lái)，在我國(guó)得到迅速的發(fā)展，并已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、化工、軍事、樓宇控制等行業(yè)及領(lǐng)域。

隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化控制逐步由模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)變，由集中式到分布式轉(zhuǎn)變，由封閉式到網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)時(shí)監(jiān)控的信息化通訊的模式轉(zhuǎn)變，滿(mǎn)足現(xiàn)代工業(yè)的高自動(dòng)化、高信息化的轉(zhuǎn)變要求。

2 煤礦鋼纜皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集中控制系統(tǒng)的原理與應(yīng)用

煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括底層煤礦開(kāi)采系統(tǒng)、煤礦分選系統(tǒng)、煤炭存放系統(tǒng)、煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)、煤礦精選系統(tǒng)等構(gòu)成，其中煤礦生產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)是核心之一，一般有立式提升機(jī)或者巷道式鋼纜皮帶構(gòu)成。

巷道式煤礦主運(yùn)系統(tǒng)是常用煤炭輸運(yùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)多段分段運(yùn)輸機(jī)構(gòu)連接而成。每臺(tái)煤炭鋼纜皮帶運(yùn)送系統(tǒng)有大容量直流電機(jī)牽引高強(qiáng)度的鋼絲繩帶動(dòng)皮帶運(yùn)輸，同時(shí)采用液壓盤(pán)式制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)，同時(shí)底層直流電機(jī)控制系統(tǒng)采用單片機(jī)控制直流電機(jī)的勵(lì)磁、轉(zhuǎn)子的電流驅(qū)動(dòng)、PLC控制電氣系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控操作軟件平臺(tái)、硬件操作保護(hù)平臺(tái)構(gòu)成，形成一套可靠的控制系統(tǒng)。為了滿(mǎn)足多皮帶配合安全有效運(yùn)轉(zhuǎn)，需要將相對(duì)獨(dú)立的皮帶控制系統(tǒng)組成一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊實(shí)時(shí)監(jiān)控每臺(tái)鋼纜皮帶的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

2.1 煤炭鋼纜皮帶輸送系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)硬件組成

鋼纜皮帶組工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)按照分散運(yùn)轉(zhuǎn)、集中監(jiān)控的原則，采用分布式本地控制，網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)采集監(jiān)控，通過(guò)工業(yè)高速網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集中數(shù)據(jù)監(jiān)控。

每套鋼纜皮帶電控PLC控制系統(tǒng)都配有網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，網(wǎng)絡(luò)通訊模塊通過(guò)背板和PLC的CPU通訊，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊模塊通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)郊锌刂破脚_(tái)，集中監(jiān)控平臺(tái)利用高速計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)實(shí)時(shí)跟蹤每臺(tái)鋼纜皮帶的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，一旦數(shù)據(jù)異常啟動(dòng)報(bào)警，讓相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行故障實(shí)時(shí)排查，將故障及時(shí)處理。

系統(tǒng)具體功能如下。

（1）在煤礦企業(yè)集中控制調(diào)度室監(jiān)控系統(tǒng)中，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)接收各地的鋼纜皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)軟件算法分析各種數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)情況，一旦異常進(jìn)行報(bào)警提示，并給出相應(yīng)的數(shù)據(jù)故障地址。

（2）每段皮帶運(yùn)行系統(tǒng)在本地獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和其他鋼纜皮帶系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)通訊，并將自己的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)平臺(tái)。

（3）煤礦企業(yè)組成一個(gè)故障分析排查小組，一旦集中控制平臺(tái)分析數(shù)據(jù)有異常，技術(shù)人員進(jìn)行故障分析并進(jìn)行及時(shí)處理，高速有效地進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。圖3是鋼纜皮帶監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)輸監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖。

同時(shí)各自獨(dú)立的鋼纜皮帶電氣控制系統(tǒng)中使用兩個(gè)獨(dú)立的PLC子系統(tǒng)組成控制網(wǎng)絡(luò)，由操作PLC和保護(hù)PLC組成，兩套系統(tǒng)通過(guò)DP總線通訊，同時(shí)保護(hù)PLC采用冗余兩套PLC架構(gòu)，一套處于熱機(jī)備用狀態(tài)，一旦檢測(cè)到一臺(tái)PLC出問(wèn)題，立即進(jìn)入工作。同時(shí)操作PLC系統(tǒng)通過(guò)485和上位機(jī)通訊，本地上位機(jī)帶有監(jiān)控和操作界面，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

2.2 煤礦鋼纜皮帶運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

煤礦鋼纜皮帶網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)采集每臺(tái)鋼纜皮帶的數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件分析數(shù)據(jù)情況。

集中監(jiān)控系統(tǒng)中采用主界面和分界面的方式，可以通過(guò)畫(huà)面切換實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各種功能。每臺(tái)鋼纜皮帶監(jiān)視畫(huà)面可以對(duì)皮帶的電流、電壓、溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，一旦軟件分析數(shù)據(jù)有異常，就報(bào)警，并通知相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行分析處理。

在控制界面中可以實(shí)施遠(yuǎn)程電機(jī)的開(kāi)車(chē)、緊急停車(chē)、正常停車(chē)和安全復(fù)位等控制信號(hào)，通過(guò)遠(yuǎn)程來(lái)顯示對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。

綜合自動(dòng)化實(shí)際使用表明，該系統(tǒng)可以很好地滿(mǎn)足礦井生產(chǎn)的要求，能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)皮帶運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，提高了煤礦運(yùn)輸?shù)陌踩煽啃院蜕a(chǎn)效率，為煤礦安全生產(chǎn)管理工作注入了新的活力，為建設(shè)數(shù)字化本質(zhì)安全型礦井又添加了一塊基石。圖4為鋼纜皮帶網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際使用圖。

3 結(jié)語(yǔ)

該文所研究的煤礦鋼纜皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化充分利用了工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)、PLC邏輯控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件算法技術(shù)、監(jiān)控軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)與控制，并且各子系統(tǒng)既可以集中控制，也可以獨(dú)立自成體系單獨(dú)使用，提升了煤礦生產(chǎn)的安全系數(shù)。

該系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了在統(tǒng)一集控室對(duì)鋼纜皮帶運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠及時(shí)地監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)各運(yùn)行參數(shù)的狀況，一旦現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)運(yùn)行有故障可以實(shí)時(shí)地對(duì)事故進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)各段皮帶實(shí)時(shí)、可靠、快速的運(yùn)行監(jiān)控效果。

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