副井信號操車設(shè)備遠(yuǎn)程控制設(shè)計與應(yīng)用

張 衛(wèi) 李 建

（安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司，安徽霍邱237400）

1 項(xiàng)目背景

2015年6月11日，國家安全監(jiān)管總局下發(fā)的通知中提出建立較為完善的“機(jī)械化換人、自動化減人”標(biāo)準(zhǔn)體系，推動重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域機(jī)械化、自動化程度大幅提升”。2017年8月，五礦礦業(yè)控股有限公司成立了智慧礦山研究院，以安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司作為智慧礦山的依托單位，將自動化及信息化水平較好的安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司作為試點(diǎn)礦山，積極研究智慧礦山的關(guān)鍵技術(shù)、制定智慧礦山建設(shè)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，打造安全、綠色、高效的智慧礦山。2018年5月1日起，《智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》（GB/T34679-2017）開始實(shí)施。意味著智慧礦山建設(shè)開始以國家標(biāo)準(zhǔn)的形式落地推廣。2019年五礦礦業(yè)安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司加快推進(jìn)示范性智慧化礦山的建設(shè)，同時為了緩解企業(yè)人力資源緊張局面，改善井下從業(yè)人員工作環(huán)境，安徽開發(fā)礦業(yè)擬對在用2條副井提升機(jī)的信號操車設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制和遙控改造升級。在確保副井提升機(jī)安全運(yùn)行的前提下，取消井下各水平信號操車操作人員，井下信號操作設(shè)備改為遠(yuǎn)程集中控制或者專職信號工跟罐就地遙控控制，完成提升機(jī)井下各信號操作水平“無人值守”化運(yùn)行。

2 項(xiàng)目概況

安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司目前在用2條副井，分別為1#副井和聯(lián)合副井，負(fù)擔(dān)著全礦井下人員和物料的提升任務(wù)，1#副井總共有6個水平，聯(lián)合副井總共有4個水平，現(xiàn)信號操車系統(tǒng)各水平配備1名專職信號操作工，負(fù)責(zé)本水平信號操車設(shè)備的操作和設(shè)備點(diǎn)巡檢工作，未實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控或遙控運(yùn)行模式。

2條副井提升機(jī)的電氣控制系統(tǒng)設(shè)備均采用的是ABB公司的傳動系統(tǒng)（DCS800）、電控系統(tǒng)（PM861+PM856+CompactHMI6.0（Server-Client））和制動系統(tǒng)（Tube液壓站+PM856+BCC閘控板）；信號操車系統(tǒng)設(shè)備采用的是常熟市新虞電器有限責(zé)任公司的產(chǎn)品。

3 設(shè)計方案

3.1 設(shè)計目的、原則及要求

（1）本方案的設(shè)計目的是實(shí)現(xiàn)副井提升機(jī)信號操車系統(tǒng)的自動化。即在原相對獨(dú)立的信號操車控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加井口信號臺遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對井下各水平信號操車設(shè)備的集中遠(yuǎn)程控制；增加各水平的遙控裝置，實(shí)現(xiàn)跟罐信號工在罐籠里對到達(dá)水平的信號操車設(shè)備的遙控控制。

（2）設(shè)計原則。遵循“安全性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、開放性”的基本原則。在已有的自動化及信息化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造提升，以達(dá)到智慧礦山的水平；采用當(dāng)今先進(jìn)的智能化裝備和信息化技術(shù)，實(shí)施完成后整體相比較國內(nèi)外先進(jìn)礦山具有一定的先進(jìn)性；改造優(yōu)化過程中不破壞副井提升機(jī)的正常生產(chǎn)，改造后不會對設(shè)備的安全設(shè)施造成影響；改造后的系統(tǒng)具有良好的開放性，在需要的時候能夠良好地兼容當(dāng)前新技術(shù)、新設(shè)備及新系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)礦山自動化的不斷提升。

（3）設(shè)計要求。信號操車系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計需要按照《礦山安全規(guī)程》規(guī)定的要求進(jìn)行設(shè)計和檢驗(yàn)。多水平運(yùn)行的副井提升機(jī)信號系統(tǒng)需要滿足的要求有：①設(shè)置主點(diǎn)信號；②采用轉(zhuǎn)發(fā)信號系統(tǒng)，由地表信號工匯總后統(tǒng)一發(fā)給提升機(jī)控制系統(tǒng)；③信號系統(tǒng)進(jìn)行的相應(yīng)操作要滿足提升機(jī)閉鎖的要求；④系統(tǒng)配置后備提升信號系統(tǒng)，在提升信號系統(tǒng)故障情況下可應(yīng)急使用，可以發(fā)出“上提”、“下放”、“停車”、“緊?！?個聲光信號；⑤急停信號報警功能，與提升機(jī)安全控制回路閉鎖。

3.2 設(shè)計內(nèi)容

3.2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

副井信號系統(tǒng)采用可編程控制器+遠(yuǎn)程I/O單元構(gòu)成，通過分布式總線Profibus-DP連接，具有較靈活的調(diào)整性和擴(kuò)展性。各水平的信號操車系統(tǒng)遠(yuǎn)程I/O單元將本水平的閉鎖、急停、控制、保護(hù)、模擬信號、狀態(tài)、故障等信息傳輸給信號系統(tǒng)的可編程控制器。信號系統(tǒng)的PLC將井口和井下信號系統(tǒng)處理好的閉鎖、控制、保護(hù)等信號指令通過I/O傳輸給提升機(jī)控制系統(tǒng)，完成一次完整的副井提升機(jī)信號指令的控制傳輸過程。在原有的信息化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新增信號遠(yuǎn)程控制操作系統(tǒng)，各水平新增信號遙控系統(tǒng)和就地控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)信號遠(yuǎn)程集中控制和遙控控制，新設(shè)計的信號操車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1中，新增的井口遠(yuǎn)程控制操作臺的作用是負(fù) 責(zé)井下各水平信號操車設(shè)備的遠(yuǎn)程控制；負(fù)責(zé)向提升機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)各水平的提升信號狀態(tài)，其通訊方式是通過原信號操車通訊回路來實(shí)現(xiàn)的。井下各水平的操作臺的作用是負(fù)責(zé)本水平信號操車設(shè)備的就地控制；負(fù)責(zé)向井口遠(yuǎn)程控制操作臺發(fā)送本水平的提升信號狀態(tài)。在各水平原有操作臺的基礎(chǔ)上新增信號操車就地控制箱和信號遙控系統(tǒng)，新增的就地控制箱是對原操作臺個別功能的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)個別本地信號操車系統(tǒng)的功能。信號遙控系統(tǒng)是通過無線通訊的方式接收罐籠內(nèi)的手持遙控裝置的發(fā)送信號，再作用于原操作臺控制回路來完成信號操車的相應(yīng)動作。

3.2.2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

以聯(lián)合副井為例，在原系統(tǒng)的控制方式和控制邏輯程序基礎(chǔ)上，新增了遠(yuǎn)程集中控制操作系統(tǒng)；配備遠(yuǎn)程監(jiān)視和操作信號工1名，所有的遠(yuǎn)程操作均滿足原設(shè)備的運(yùn)行閉鎖條件。各水平中段的信號、限位、檢測傳感器的動作狀態(tài)都在遠(yuǎn)程操作臺上進(jìn)行動態(tài)顯示；當(dāng)所有操作臺按鈕同時切換到“遠(yuǎn)程”時可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作模式，當(dāng)任意按鈕“遠(yuǎn)程/就地”不滿足上述條件時，系統(tǒng)默認(rèn)為現(xiàn)場操作臺控制。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的主要工況過程：

（1）副井提升機(jī)正常運(yùn)行情況時（信號系統(tǒng)非檢修模式），手持遙控設(shè)備非遙控模式，遠(yuǎn)程操作人員選擇信號遠(yuǎn)程控制模式，選擇遠(yuǎn)程控制的信號水平，在確保提升機(jī)停止運(yùn)行的狀態(tài)下，提升機(jī)罐籠在該水平的到位信號使能，可啟動該水平液壓站操作相應(yīng)操車設(shè)備；當(dāng)操車系統(tǒng)的閉鎖1（安全門關(guān)閉到位）、閉鎖2（搖臺開啟到位）、閉鎖3（信號系統(tǒng)無硬件閉鎖）滿足提升機(jī)運(yùn)行的條件時，遠(yuǎn)控操作臺可以發(fā)出相應(yīng)提升信號。

（2）副井提升機(jī)在信號系統(tǒng)檢修模式時，遠(yuǎn)程操作人員選擇信號遠(yuǎn)程控制模式，選擇需要控制水平，在確保提升機(jī)停止運(yùn)行的狀態(tài)下，可啟動該水平液壓站操作相應(yīng)操車設(shè)備。當(dāng)操車系統(tǒng)閉鎖3（信號系統(tǒng)無硬件閉鎖）滿足提升機(jī)運(yùn)行的條件時，遠(yuǎn)控操作臺可以選擇提升模式、選擇去向水平并發(fā)出去向方向等提升信號。

3.2.3 遙控控制系統(tǒng)

在原系統(tǒng)的控制方式的基礎(chǔ)上，撤銷原各水平的專職信號工，井口設(shè)置專職跟罐信號工1名，配備信號操作手持遙控裝置；提升人員時，專職跟罐信號工負(fù)責(zé)跟隨罐籠運(yùn)行，完成各水平的操車設(shè)備的開閉操作和提升信號的發(fā)送；提物、下料時，停留在目的水平，擔(dān)任該水平的專職信號工。遙控控制系統(tǒng)的主要工況過程：

（1）副井提升機(jī)正常運(yùn)行情況時（信號系統(tǒng)非遠(yuǎn)控模式），跟罐人員手持信號操車控制器，選擇信號遙控控制模式，提升機(jī)罐籠到達(dá)目標(biāo)水平，在確保提升機(jī)停止運(yùn)行的狀態(tài)下，該水平的罐籠到位信號使能，跟罐人員可遠(yuǎn)程遙控打點(diǎn)停車信號、遙控啟動該水平液壓站操作相應(yīng)操車設(shè)備；當(dāng)操車系統(tǒng)的閉鎖1（安全門關(guān)閉到位）、閉鎖2（搖臺開啟到位）、閉鎖3（信號系統(tǒng)無硬件閉鎖）滿足提升機(jī)運(yùn)行的條件時，手持遙控設(shè)備可以選擇提升模式、選擇去向水平并發(fā)出去向方向等提升信號。

（2）當(dāng)手持遙控裝置出現(xiàn)故障時，跟罐信號工可根據(jù)實(shí)際情況操作就近控制箱控制該水平的信號操車設(shè)備，或通知遠(yuǎn)程操作人員來遠(yuǎn)程操作該水平的信號操車設(shè)備。

3.2.4 控制系統(tǒng)的硬件配置

遠(yuǎn)程操作臺需要實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場操作臺完全一致的操控功能，所以選用西門子S7-300系列的I/O模塊來配置一套新的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。在所有信號操車操作臺上新增加“遠(yuǎn)程/就地”選擇按鈕。遠(yuǎn)程安全回路主要設(shè)置信號系統(tǒng)緊急停車按鈕和操車檢修閉鎖按鈕。其控制方式為按鈕硬線直接串入提升機(jī)控制系統(tǒng)的安全回路。遠(yuǎn)程上位機(jī)組態(tài)軟件通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議與PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。遠(yuǎn)程操作臺與控制回路硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2

3.2.5 關(guān)鍵邏輯程序及注解

本設(shè)計是利用西門子公司的S7-300控制器編程軟件對操車設(shè)備的遠(yuǎn)程、遙控和就地控制的關(guān)鍵邏輯控制程序進(jìn)行設(shè)計和編譯。在編程界面，新建硬件結(jié)構(gòu)，添加通訊地址，設(shè)置模塊通道變量，設(shè)計控制程序如下。符號注解如表1。

（1）程序1示意如圖3，某水平操車液壓站油泵控制程序邏輯，該程序主要實(shí)現(xiàn)的功能分別為就地模式/遠(yuǎn)程模式/遙控模式時，按下油泵啟動按鈕，油泵電機(jī)開啟并保持輸出狀態(tài)的邏輯控制。

（2）程序2示意如圖4，為某水平安全門開閉控制程序邏輯，該程序主要實(shí)現(xiàn)的功能分別為就地模式/遠(yuǎn)程模式/遙控模式下，按下安全門開啟/關(guān)閉按鈕時，安全門開啟/關(guān)閉電磁閥輸出狀態(tài)的邏輯控制。

（3）程序3示意如圖5，為某水平搖臺起落控制程序邏輯，該程序主要實(shí)現(xiàn)的功能分別為就地模式/遠(yuǎn)程模式/遙控模式下，按下?lián)u臺抬起/落下按鈕時，安全門抬起/落下電磁閥輸出狀態(tài)的邏輯控制。

（4）程序4示意如圖6，為某水平檢修模式時，安全門和搖臺的操作邏輯程序，該程序主要實(shí)現(xiàn)的功能在遠(yuǎn)程模式和檢修模式同時滿足條件時，通過操作安全門或搖臺的啟停按鈕來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)水平安全門或搖臺設(shè)備的啟停功能。

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其余程序內(nèi)容不再贅述。

3.2.6 其他相關(guān)設(shè)備功能

（1）增加各水平乘罐人員要罐聯(lián)絡(luò)信號裝置和視頻監(jiān)控裝置，遠(yuǎn)程控制室和跟罐信號工能及時了解井下各水平的要罐需求，方便對罐籠的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)度。

（2）增加各水平候罐區(qū)提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示功能，方便各水平候罐人員了解提升機(jī)的運(yùn)行情況。

（3）增加聯(lián)絡(luò)呼叫功能，跟罐專職信號工能在井筒中與遠(yuǎn)程控制室的監(jiān)控人員進(jìn)行呼叫對講，要求通訊設(shè)備通話質(zhì)量清晰、待機(jī)時間長（20 h以上），通訊設(shè)備需一備一用。

4 風(fēng)險分析及解決措施

副井提升機(jī)信號操作系統(tǒng)進(jìn)過遠(yuǎn)程和遙控改造之后，無人值守崗位的安全風(fēng)險都有所增加。其增加的風(fēng)險點(diǎn)及解決措施如下：

（1）跟罐信號工的手持遙控裝置通訊中斷的風(fēng)險，導(dǎo)致信號工不能遙控操作目標(biāo)水平的信號操車設(shè)備。解決措施是在各水平的罐籠正常到位的合適位置安裝該水平的就地控制箱，無線通訊故障時跟罐人員可通過就地控制箱來發(fā)送信號。

（2）井下無人值守時，操車設(shè)備出現(xiàn)閉鎖信號的風(fēng)險，導(dǎo)致提升機(jī)無法正常運(yùn)行，且無人可以確認(rèn)現(xiàn)場的設(shè)備閉鎖情況。解決措施是各水平的操車重點(diǎn)部位增設(shè)監(jiān)控設(shè)施和上位機(jī)的動態(tài)組態(tài)，地表可遠(yuǎn)程清晰查看故障水平閉鎖位置的實(shí)際情況，遠(yuǎn)控旁路閉鎖故障，運(yùn)送維修工到達(dá)故障水平的二層平臺，然后對閉鎖問題進(jìn)行處理恢復(fù)。

（3）無人值守時，候罐人員在井下誤操作的風(fēng)險。解決措施是加強(qiáng)乘罐須知培訓(xùn)，增加候罐區(qū)域的監(jiān)控以及在各中段井口附近加裝封閉的安全防護(hù)欄，避免乘罐人員進(jìn)入原信號房對信號操車設(shè)備進(jìn)行誤操作。

（4）跟罐信號工跟地表遠(yuǎn)程監(jiān)控人員通話不便的風(fēng)險。解決措施是在罐籠里增加無線通訊設(shè)施，讓跟罐信號工可隨時跟地表遠(yuǎn)程監(jiān)控人員進(jìn)行對話通訊。

5 應(yīng)用效果

5.1 設(shè)備功能的應(yīng)用效果

（1）設(shè)計應(yīng)用后，遠(yuǎn)程操作臺新增了各水平信號操車設(shè)備的操作控制功能，通過控制權(quán)限的選擇來遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)了信號操車功能操作和監(jiān)視管理，比原系統(tǒng)新增了一套遠(yuǎn)程功能。

（2）設(shè)計應(yīng)用后，各水平新增加提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示，乘罐人員能提前知曉罐籠檢修情況、罐籠去向水平、罐籠所在位置等候罐信息，方便了乘罐人員自由安排乘罐時間。

（3）設(shè)計應(yīng)用后，原各水平信號改為由跟罐信號工通過無線遙控裝置在罐籠里遠(yuǎn)程操作所在水平的信號和操車設(shè)備，改變了原有的固定操作方式，增加了操作范圍。

（4）各水平操作臺冗余了一套無線操作設(shè)備，減少了設(shè)備故障率。

5.2 人員優(yōu)化的應(yīng)用效果

以1條擁有4個水平的聯(lián)合副井為例，在改造之前各水平設(shè)置1名信號工，1條井3班運(yùn)行制計算，合計需要18名專職信號工。2條井合計需要36名信號工，副井信號操車系統(tǒng)經(jīng)過遠(yuǎn)程控制改造以后每條井三班運(yùn)行制時只設(shè)置9名信號工（井下4個水平1名，遠(yuǎn)程操作臺1名）。2條副井提升系統(tǒng)減配18名信號操車的操作人員，大大優(yōu)化了副井提升機(jī)的人力資源數(shù)量，提高了勞動效率和設(shè)備的自動化水平。

5.3 系統(tǒng)安全性的應(yīng)用效果

（1）優(yōu)化改造后的信號操車系統(tǒng)的I/O單元通訊僅用于閉鎖、急停、控制、保護(hù)、信號的信息傳輸，現(xiàn)場總線的通訊用于模擬信號、狀態(tài)、故障信息的傳輸，不參于閉鎖、控制、保護(hù)、信號的傳輸。信號系統(tǒng)出現(xiàn)通訊中斷的情況時，不會影響提升信號及副井提升機(jī)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（2）罐籠運(yùn)行方式變?yōu)橛袑Ｂ毟扌盘柟るS罐運(yùn)行時，提升機(jī)出現(xiàn)故障，乘罐人員被困井筒中間時，跟罐信號工能及時聯(lián)系地表遠(yuǎn)控信號工，知悉提升機(jī)的恢復(fù)情況，并積極安撫和配合營救乘罐人員，避免了提升機(jī)被困井筒時造成的恐慌和未知的傷害。

6 結(jié)語

隨著社會和產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步，綠色發(fā)展和本質(zhì)安全的理念已經(jīng)成為礦山企業(yè)的共識和硬性要求。借助智慧化礦山的系統(tǒng)建設(shè)趨勢，降低生產(chǎn)管理成本，提高生產(chǎn)經(jīng)營效果，改善職工勞動強(qiáng)度和作業(yè)環(huán)境，提升設(shè)備本質(zhì)安全是“無人礦山、透明礦山、安全礦山、互聯(lián)礦山”的必然選擇。本項(xiàng)目設(shè)計的副井提升機(jī)信號操作遠(yuǎn)程和遙控控制系統(tǒng)是礦山企業(yè)自動化、信息化和智慧化建設(shè)的重要組成部分，它從根本上增強(qiáng)了設(shè)備的安全性能，優(yōu)化了人力資源配置，提高了生產(chǎn)效率，達(dá)到了設(shè)計的預(yù)期效果。