煤礦掘進(jìn)巷道安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張照允，李 浩，王 磊，金 勇，胡亞洲

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東 濟寧 272102；2.南京北路自動化系統(tǒng)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 211161；3.東南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

1 煤礦安全系統(tǒng)研究背景

煤礦井下掘進(jìn)巷道工作環(huán)境惡劣，條件變化大，危險程度高，然而此處又是煤礦生產(chǎn)過程中必不可少的重要場所之一。如果在此處工作的系統(tǒng)發(fā)生故障，整個礦井的生產(chǎn)都將會受到影響，嚴(yán)重時可導(dǎo)致整個煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)癱瘓甚至威脅到井下工作人員的生命安全。

為了提高煤礦掘進(jìn)巷道監(jiān)控系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)巷道的少人化值守，從而達(dá)到減員增效、提高礦井自動化程度和安全程度的目的，本文設(shè)計了一種煤礦井下掘進(jìn)巷道安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用主站加多個監(jiān)控站的控制方式， 我們的主要任務(wù)是系統(tǒng)總體方案的設(shè)計、主站及監(jiān)控站的設(shè)計與實現(xiàn)，以及系統(tǒng)的現(xiàn)場運行調(diào)試工作。

2 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)主要包括主站、監(jiān)控站和擴音電話3部分。

主站是整個系統(tǒng)的控制中心，是現(xiàn)場信息采集與控制指令發(fā)出的核心設(shè)備；完成整個控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理、邏輯判斷與控制，以及對監(jiān)控站、擴音電話等設(shè)備的控制；同時還具備實時顯示系統(tǒng)各個傳感器等設(shè)備的狀態(tài)及運行參數(shù)的功能；此外，主站還負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的通信組網(wǎng)以及與以太網(wǎng)交換機的連接等。

監(jiān)控站實際上是主站的在掘進(jìn)巷道中的延伸，其主要任務(wù)是隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，對新增加的運輸設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備等進(jìn)行綜合控制和保護(hù)?？紤]到掘進(jìn)巷道環(huán)境惡劣，設(shè)備安裝、移動和調(diào)試的復(fù)雜，監(jiān)控站在具備主站部分控制功能的同時，還有體積小、易安裝和操作簡便的優(yōu)點。

掘進(jìn)巷道沿線設(shè)備運行環(huán)境復(fù)雜，對設(shè)備的啟停過程進(jìn)行語音提示不僅可以提高工作的效率，而且大大地提高了巷道的安全程度。工作人員通過擴音電話進(jìn)行語音聯(lián)系、匯報各個設(shè)備的運行狀態(tài)以及在出現(xiàn)緊急情況時及時通知系統(tǒng)沿線的其他工作人員。此外，皮帶沿線傳感器信號可直接接入擴音電話，通過擴音電話實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，來自監(jiān)控站的控制信號也可以通過擴音電話發(fā)送至皮帶機，從而減少了線纜敷設(shè)量。因此，擴音電話在掘進(jìn)巷道中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

主站及監(jiān)控站周邊都部署有多個設(shè)備及傳感器，主站與監(jiān)控站之間、主站與擴音電話之間、監(jiān)控站與擴音電話之間通過線纜進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而共同完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理、設(shè)備控制、通信組網(wǎng)等功能。系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

掘進(jìn)巷道安全集控系統(tǒng)主要涉及主站的設(shè)計、監(jiān)控站的設(shè)計和智能擴音電話設(shè)計[1-2]。本文的研究重點是主站和監(jiān)控站的設(shè)計與實現(xiàn)。

3 監(jiān)控系統(tǒng)主站軟硬件的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 功能設(shè)計

監(jiān)控主站作為整個集控系統(tǒng)的核心設(shè)備，是系統(tǒng)主要功能的實現(xiàn)平臺。本系統(tǒng)具備自動控制、集中手動控制和檢修等工作方式。自動控制是在整個皮帶機監(jiān)控系統(tǒng)中所有設(shè)備都在聯(lián)控狀態(tài)下的一種工作方式，手動控制是在整個皮帶機監(jiān)控系統(tǒng)中所有設(shè)備都在單控狀態(tài)下的一種控制方式。就地集中自動控制通過監(jiān)控主站的按鈕，一鍵實現(xiàn)皮帶機集控系統(tǒng)所有設(shè)備的自動連鎖控制，就是完全由主站根據(jù)設(shè)定的邏輯過程對整個系統(tǒng)進(jìn)行集中自動控制，各設(shè)備的運行滿足連鎖邏輯的要求，所有保護(hù)均投入使用。當(dāng)系統(tǒng)處于檢修狀態(tài)時，操作臺及遠(yuǎn)程監(jiān)控站均無法操作皮帶機啟停，保證皮帶機檢修期間檢修人員的人身安全。當(dāng)主站的控制器發(fā)生故障或設(shè)備調(diào)試等特殊情況下，可通過監(jiān)控主機上的按鈕實現(xiàn)皮帶機手動制停。

圖1 集控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

據(jù)煤礦皮帶機集控系統(tǒng)的控制要求，皮帶機自動控制依據(jù)以下原則：逆煤流啟動，順煤流停車；本臺皮帶機停止后，來煤方向皮帶機應(yīng)立即停車。任意一條皮帶機若存在兩個以上的來煤皮帶機，則所有來煤皮帶機與該皮帶機相互閉鎖；在皮帶機接到報警信號后（如堆煤、跑偏、撕裂等）應(yīng)立即停車，也可對一些報警信號進(jìn)行只報警不停車處理。

3.2 設(shè)備選型

根據(jù)主站功能的要求，需要選擇合適的硬件設(shè)備，才能實現(xiàn)該系統(tǒng)的功能。設(shè)備選型主要包括主控單元的選擇和顯示設(shè)備的選擇。

3.2.1 主控單元選型

本系統(tǒng)選用西門子S7-200系列可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）[3]作為系統(tǒng)主控單元，完全滿足現(xiàn)場數(shù)字量輸入輸出和模擬量信號處理要求，同時配置以太網(wǎng)通信模塊，作為控制系統(tǒng)的主干通信網(wǎng)絡(luò)。實現(xiàn)少人化掘進(jìn)巷道沿線設(shè)備集中連鎖控制，并對沿線設(shè)備進(jìn)行全面的數(shù)據(jù)采集[4]。

3.2.2 顯示設(shè)備選型

本次設(shè)計采用北京昆侖通泰人機界面，是一套以先進(jìn)的Cortex-A8 CPU為核心（主頻600 MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該產(chǎn)品設(shè)計采用了10.2英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率1 024×600），四線電阻式觸摸屏（分辨率4 096×4 096）。同時還預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件[5]，具備強大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能；通過組態(tài)軟件開發(fā)掘進(jìn)巷道安全集控系統(tǒng)監(jiān)控畫面，實現(xiàn)顯示設(shè)備的運行狀態(tài)和保護(hù)傳感器的狀態(tài)，軟件具備設(shè)備運行記錄查詢，報警信息查看，軟件參數(shù)設(shè)置等功能。

3.3 架構(gòu)設(shè)計

主站作為集控系統(tǒng)的核心設(shè)備，需具備復(fù)雜的邏輯編程控制能力。因此，我們選取PLC作為控制核心，PLC具備以太網(wǎng)接口、RS485通信接口、開發(fā)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）轉(zhuǎn)RS485通信接口，實現(xiàn)PLC和智能擴音電話的數(shù)據(jù)通信。皮帶沿線的擴音電話通過CAN總線和PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，皮帶沿線的傳感器就近接入到擴音電話內(nèi)部，實現(xiàn)整條皮帶沿線一條CAN總線通信，系統(tǒng)架構(gòu)簡潔。主機含有10寸人機顯示屏，實時顯示皮帶系統(tǒng)傳感器保護(hù)狀態(tài)，面板的操作按鈕可以對皮帶進(jìn)行集中控制。監(jiān)控系統(tǒng)主站結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控主站結(jié)構(gòu)

3.4 軟件流程設(shè)計

主站系統(tǒng)軟件設(shè)計主要完成皮帶運輸機運行狀態(tài)的控制和相應(yīng)的故障處理、應(yīng)急處理，同時響應(yīng)人機交互指令，為上位機提供皮帶運行中實時的狀態(tài)信號與參數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，軟件設(shè)計的主要流程如圖3所示。

圖3 主站軟件設(shè)計流程

4 監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)控站的軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 功能設(shè)計

掘進(jìn)巷道皮帶和刮板機隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，不斷進(jìn)行延伸、設(shè)備移動或者增加新的運輸設(shè)備，皮帶進(jìn)行延伸需要增加皮帶沿線的擴音電話和急停開關(guān)，增加新的皮帶需要增加新的監(jiān)控分站進(jìn)行皮帶綜合保護(hù)；掘進(jìn)巷道設(shè)備移動、增加需要進(jìn)行快速調(diào)試或者免調(diào)試滿足掘進(jìn)工作面生產(chǎn)的需要；同時掘進(jìn)巷道沿線設(shè)備運行環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備啟停過程需要進(jìn)行語音提示，人員需要通過擴音電話進(jìn)行語音聯(lián)系。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和對煤炭安全規(guī)程分析，皮帶監(jiān)控分站需要具備以下功能。

（1）皮帶機綜合保護(hù)裝置需要具備皮帶機完善的保護(hù)功能，產(chǎn)品需要具有打滑、堆煤、超溫、跑偏、煙霧、撕裂、急停、張緊、灑水等保護(hù)功能。

（2）監(jiān)控分站采用CAN總線通信，監(jiān)控分站可以通過CAN總線接入擴音電話，實現(xiàn)皮帶啟動前預(yù)警，故障語音智能播報，定位設(shè)備故障位置。

（3）監(jiān)控分站和擴音電話之間，監(jiān)控分站和監(jiān)控分站之間具備打點功能，同時監(jiān)控分站可以和擴音電話進(jìn)行語音對講，實現(xiàn)皮帶沿線局部的語音通信，方便人員之間通信聯(lián)絡(luò)。

（4）擴音電話具備傳感器接入功能，皮帶沿線一條CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，現(xiàn)場布線少，維護(hù)方便。

（5）快速調(diào)試功能，監(jiān)控分站對單條皮帶的綜合保護(hù)功能，不需要調(diào)試，設(shè)備接入即形成綜合保護(hù)功能，現(xiàn)場使用方便。

（6）快速連鎖控制功能，多條皮帶多個監(jiān)控分站之間通過撥碼開關(guān)簡單設(shè)置皮帶連鎖順序，即可實現(xiàn)皮帶直接的連鎖集中控制，現(xiàn)場調(diào)試和使用非常方便。

4.2 通信方式選擇

CAN總線擁有極高的可靠性，經(jīng)過環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境考驗，而煤礦也同樣存在這些復(fù)雜環(huán)境，同時CAN總線的實時性很高，完全滿足控制系統(tǒng)的要求。因此本次設(shè)計選用CAN總線作為監(jiān)控主站與監(jiān)控分站之間，監(jiān)控分站和智能擴音電話之間的現(xiàn)場通信總線，為系統(tǒng)通信穩(wěn)定提供技術(shù)保障。項目設(shè)計CAN轉(zhuǎn)RS485模塊和PLC的RS485接口對接[4]，設(shè)備如圖4所示。

圖4 CAN轉(zhuǎn)RS485模塊和PLC的RS485接口對接

4.3 架構(gòu)設(shè)計

監(jiān)控站采用嵌入式單片機設(shè)計，操作面板包括指示燈及液晶屏。監(jiān)控分站控制箱分為兩部分，上部為隔爆腔，下部為本安腔。本安腔面板由顯示屏、操作鍵盤、指示燈組成；隔爆腔有電源模塊和電機接口板等組成。隔爆腔內(nèi)部設(shè)計電源模塊支持AC127電源接入，電機接口板支持2臺電機的控制，同時支持灑水電磁閥控制。本安腔設(shè)計顯示屏進(jìn)行設(shè)備保護(hù)信息顯示，操作鍵盤采用IO模塊設(shè)計，接入操作按鈕進(jìn)行設(shè)備集中控制，指示燈顯示設(shè)備運行狀態(tài)，分站之間打點信號狀態(tài)和語音通信狀態(tài)；語音模塊實現(xiàn)與擴音電話之間的語音通信?？刂瓢暹M(jìn)行設(shè)備傳感器接入，對皮帶保護(hù)進(jìn)行信號采集。系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖5所示。

圖5 監(jiān)控站結(jié)構(gòu)

4.4 軟件流程設(shè)計

監(jiān)控站采用嵌入式單片機設(shè)計，軟件程序固化在ARM芯片內(nèi)部，可以通過撥碼開關(guān)進(jìn)行快速設(shè)置，系統(tǒng)架構(gòu)也可以隨著設(shè)備移動進(jìn)行系統(tǒng)擴容；多個監(jiān)控分站通過CAN總線連接，通過撥碼開關(guān)設(shè)置后，自動組成連鎖控制關(guān)系，實現(xiàn)多條皮帶或者刮板機的集中連鎖控制。監(jiān)控站通過檢測接入傳感器DIAI信號判斷皮帶運行狀態(tài)及對皮帶進(jìn)行保護(hù)，各監(jiān)控站之間通過can總線相互通信，完成煤流聯(lián)控功能。監(jiān)控站軟件設(shè)計流程圖如圖6所示。

圖6 監(jiān)控站軟件設(shè)計流程

5 系統(tǒng)的現(xiàn)場聯(lián)調(diào)與測試

5.1 系統(tǒng)主站的功能測試

測試時，我們主要測試主站的以下4個功能：綜合保護(hù)功能、語音通話功能、集中控制功能和人機界面顯示功能。

5.1.1 綜合保護(hù)功能

系統(tǒng)主站具備：打滑、堆煤、超溫、跑偏、煙霧、撕裂、急停、張緊、灑水等保護(hù)功能；現(xiàn)場通過人為改變傳感器狀態(tài)，使傳感器采集到非正常狀態(tài)信號，模擬設(shè)備的故障現(xiàn)象，驗證主站是否控制設(shè)備停機或者觸動電磁閥灑水；現(xiàn)場模擬主站保護(hù)正常；傳感器故障的情況下，主站和擴音電話通過語音播報設(shè)備傳感器故障位置，實現(xiàn)故障精確定位。

5.1.2 語音通話功能

安排兩個人員，一人在主站旁邊，一人在皮帶沿線擴音電話旁，皮帶擴音電話旁人員按下擴音電話局部按鈕說話，皮帶沿線其他擴音電話和主站喇叭播放說話內(nèi)容；主站旁邊人員按下主站對講按鈕說話，皮帶沿線擴音電話同樣播放說話內(nèi)容；設(shè)備沿線人員可以把擴音電話當(dāng)作對講機使用。

5.1.3 集中控制功能

把系統(tǒng)全部的監(jiān)控分站設(shè)置在遠(yuǎn)控模式，監(jiān)控主站設(shè)置在就地單控模式，操作面板按鈕可以實現(xiàn)對單條皮帶或者溜子的遠(yuǎn)程啟?？刂?，現(xiàn)場測試功能正常；監(jiān)控主站設(shè)置在就地集控模式，操作面板按鈕可以實現(xiàn)掘進(jìn)巷道煤流的逆煤流啟動，順煤流停機，現(xiàn)場測試功能正常。

5.1.4 人機界面顯示功能

通過組態(tài)軟件開發(fā)掘進(jìn)巷道安全集控系統(tǒng)監(jiān)控畫面，實現(xiàn)顯示設(shè)備的運行狀態(tài)和保護(hù)傳感器的狀態(tài)，軟件具備設(shè)備運行記錄查詢，報警信息查看，軟件參數(shù)設(shè)置等功能，通過改變傳感器信號狀態(tài)，觀察顯示屏信息顯示狀態(tài)，測試發(fā)現(xiàn)信號反應(yīng)速度快，大約在1秒鐘顯示屏信號改變?，F(xiàn)場測試如圖7所示。

圖7 主站人機界面

5.2 監(jiān)控站的功能測試

現(xiàn)場測試時測試了幾個功能：綜合保護(hù)功能、語音通話功能、快速連鎖功能和狀態(tài)顯示。其中綜合保護(hù)功能和語音通話功能的測試與主站類似，此處不再贅述。

5.2.1 快速連鎖功能

對2部溜子到6號皮帶按順序把撥碼開關(guān)設(shè)置為2—6，把監(jiān)控主站CAN地址設(shè)置為1；設(shè)置完成后把2—6號皮帶監(jiān)控分站全部設(shè)置到遠(yuǎn)控模式，在監(jiān)控主站設(shè)置為就地模式按下集控啟動，可實現(xiàn)1—6號皮帶的連鎖集中控制，現(xiàn)場調(diào)試和使用非常方便。

5.2.2 狀態(tài)顯示

監(jiān)控分站可以實時顯示系統(tǒng)保護(hù)傳感器的實時狀態(tài)和報警狀態(tài)，可以顯示集控系統(tǒng)其他監(jiān)控分站的控制模式和故障狀態(tài)，通過改變傳感器狀態(tài)和其他分站狀態(tài)，監(jiān)控分站信息顯示正確，設(shè)備正常。狀態(tài)顯示如圖8所示。

圖8 監(jiān)控站狀態(tài)顯示

6 結(jié)語

本文針對興隆莊煤礦掘進(jìn)巷道設(shè)備多，自動化程度較低，設(shè)備操作崗位多、啟動時間長、膠帶機空轉(zhuǎn)率高、生產(chǎn)效率低，且易引起誤操作等實際情況進(jìn)行少人化掘進(jìn)巷道安全集控系統(tǒng)技術(shù)研究。（1）通過基于PLC的煤礦井下掘進(jìn)巷道安全集控系統(tǒng)的建設(shè)，皮帶運輸?shù)男曙@著提高，系統(tǒng)完成后在1號皮帶機頭安排一名皮帶司機來對各條皮帶進(jìn)行集中控制，另外安排一名檢修人員，可減少膠帶機司機3～4名，勞動效率提高了1.5倍，工作效率大約可提高25%以上，而且隨著對運輸設(shè)備的有效監(jiān)控和實現(xiàn)掘進(jìn)線的高效通信，減少掘進(jìn)面運輸事故，保證掘進(jìn)的安全進(jìn)行，掘進(jìn)效率提高了5%。（2）基于PLC的煤礦井下掘進(jìn)巷道安全集控系統(tǒng)的實時工況監(jiān)測，智能故障診斷，語音智能播報，無線終端對擴音電話的語音對講等使用功能，讓集控人員可以實時掌握皮帶系統(tǒng)設(shè)備的工作狀態(tài)，人員及時溝通，極大地降低了設(shè)備的運行成本，提高了設(shè)備的開機率。

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