斜溝煤礦原煤運(yùn)輸皮帶機(jī)集中控制系統(tǒng)應(yīng)用

康志華

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦 山西興縣033299）

斜溝煤礦井下原煤生產(chǎn)運(yùn)輸主要采用帶式輸送機(jī)，承擔(dān)著全年1 500萬噸原煤運(yùn)輸任務(wù)，是全礦生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著斜溝煤礦開采的深入，井下運(yùn)輸皮帶的距離和數(shù)量都在增加，當(dāng)前已經(jīng)形成較大規(guī)模。傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)人員操作環(huán)節(jié)多，巡視檢修耗費(fèi)時(shí)間長，占用了礦井生產(chǎn)大量的人力、物力，還有較高的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此在2019年對斜溝煤礦主運(yùn)輸皮帶機(jī)進(jìn)行了集中控制系統(tǒng)的升級改造，達(dá)到了預(yù)期效果。

1 斜溝煤礦原煤主運(yùn)輸系統(tǒng)概況及存在的問題

1.1 斜溝煤礦主運(yùn)輸系統(tǒng)概況

斜溝煤礦的井下基本采掘布局分為上、下兩個(gè)水平，其運(yùn)輸系統(tǒng)主要采用的是帶式輸送機(jī)，其中上水平及地面固定輸送帶共10條，水平及地面固定輸送帶共6條。上水平11采區(qū)下運(yùn)帶式輸送機(jī)服務(wù)11采區(qū)，12采區(qū)上運(yùn)帶式輸送機(jī)服務(wù)12采區(qū)，+700北翼一部、二部、三部帶式輸送機(jī)及15采區(qū)下運(yùn)帶式輸送機(jī)服務(wù)小井15采區(qū)，+700南翼帶式輸送機(jī)服務(wù)正在開拓的13采區(qū)。五路集中帶式輸送機(jī)將四個(gè)采區(qū)采掘面生產(chǎn)的原煤運(yùn)輸至8#煤井底煤倉，再經(jīng)1#主斜井強(qiáng)力帶式輸送機(jī)運(yùn)輸至1#上倉帶式輸送機(jī)，最后經(jīng)1#上倉刮板輸送機(jī)運(yùn)輸至地面原煤倉。下水平21采區(qū)下運(yùn)帶式輸送機(jī)服務(wù)21采區(qū)，將21采區(qū)采掘面生產(chǎn)的原煤運(yùn)輸至13#煤井底煤倉，再經(jīng)2#主斜井強(qiáng)力帶式輸送機(jī)運(yùn)輸至2#上倉帶式輸送機(jī)，最后經(jīng)2#上倉刮板輸送機(jī)運(yùn)輸至地面原煤倉。斜溝煤礦的兩個(gè)水平原煤煤流示意圖1和圖2所示：

圖1上水平皮帶運(yùn)輸結(jié)構(gòu)示意圖

圖2下水平皮帶運(yùn)輸結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1和圖2可以看出，斜溝煤礦的主運(yùn)輸系統(tǒng)2 500 m以上的輸送皮帶有8條，特別是+640北翼皮帶的運(yùn)輸距離達(dá)到了6 350 m，屬于超長距離運(yùn)輸。11盤區(qū)皮帶、25盤區(qū)皮帶、21盤區(qū)皮帶等高差都在300 m以上，都屬于大高差運(yùn)輸，當(dāng)輸送煤炭時(shí)需要制動(dòng)停車時(shí)，會(huì)造成運(yùn)輸設(shè)備震動(dòng)幅度較大，為了克服下滑力選用了液粘粘性軟啟動(dòng)裝置和液壓盤式制動(dòng)器的成套控制技術(shù)作為其減速制動(dòng)系統(tǒng)，液壓盤式制動(dòng)器克服該下運(yùn)帶式輸送機(jī)的下滑力，同時(shí)與液粘軟啟動(dòng)裝置配合使用，以適應(yīng)該大型下運(yùn)帶式輸送機(jī)的重載斷電停車制動(dòng)、重載停車后的重載啟動(dòng)、重載正常制動(dòng)停車、空載啟動(dòng)等各種復(fù)雜工況，實(shí)現(xiàn)可靠啟動(dòng)、制動(dòng)和安全保護(hù)，但是對這些重點(diǎn)區(qū)域的皮帶運(yùn)輸情況、減速制動(dòng)裝置的運(yùn)行狀態(tài)和造成的設(shè)備損壞又很難發(fā)現(xiàn)[1]。往往又很難巡視和監(jiān)控。綜合來看斜溝煤礦的主運(yùn)輸系統(tǒng)具有距離長、數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，特別是長運(yùn)距皮帶較多，在日常操作、巡視、維護(hù)上具有較高困難。

1.2 斜溝煤礦主運(yùn)輸系統(tǒng)存在的問題

（1）目前斜溝煤礦大多數(shù)運(yùn)輸皮帶已進(jìn)行了PLC控制改造，能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立控制單臺(tái)主機(jī)與輔機(jī)，當(dāng)初在進(jìn)行PLC改造的過程中，受限于邊生產(chǎn)邊改造條件制約，只有重點(diǎn)區(qū)域相鄰較近的少部分皮帶形成了局部集控，例如圖1中的1#主斜井、1#上倉及配倉刮板機(jī)已實(shí)現(xiàn)局部集控，但與井下北翼+700、11采區(qū)皮帶均和15采區(qū)等皮帶沒有集控功能，其他皮帶只是各自為陣獨(dú)立運(yùn)行，造成全礦運(yùn)輸控制系統(tǒng)的信息孤島，不能起到有效信息互通和連鎖控制，需完善現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。

（2）對皮帶電機(jī)、減速器、滾筒等設(shè)備的在線檢測不完善，對于設(shè)備的在線巡監(jiān)與日常維護(hù)只停留在人工階段，以及零部件的供應(yīng)無法納入全生命周期管理。

（3）對于突發(fā)情況的應(yīng)急預(yù)案在實(shí)施集控后還沒有形成，如發(fā)生有異常聲響、異味、和皮帶著火時(shí)，倉滿、堵煤、皮帶撕裂等故障時(shí)，還沒有形成人員調(diào)配及備品備件更換流程和預(yù)案。

（4）當(dāng)前斜溝煤礦的主運(yùn)輸系統(tǒng)的日常操作、運(yùn)行、巡視還是以人工為主，加之斜溝煤礦的皮帶數(shù)量多、距離長，造成職工工作強(qiáng)度大，風(fēng)險(xiǎn)高，因此急需引入機(jī)器人系統(tǒng)減少安全隱患，提高工作效率。

2 斜溝煤礦原煤主運(yùn)輸集控系統(tǒng)升級改造

為了實(shí)現(xiàn)斜溝煤礦主運(yùn)輸系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)聯(lián)控，做到減人增效，提高礦井運(yùn)輸安全管控能力，我們分別對斜溝煤礦上水平的10條皮帶和下水平的6條皮帶進(jìn)行了集控系統(tǒng)升級改造，主要對幾下幾個(gè)方面進(jìn)行了改造

2.1 皮帶控制系統(tǒng)的升級改造

斜溝煤礦大部分的運(yùn)輸皮帶已經(jīng)完成PLC控制的升級，但是還有部分順槽皮帶未安裝PLC控制及在線監(jiān)測，以及有些原來主運(yùn)皮帶的PLC控制器不能滿足此次升級的雙網(wǎng)通信功能也必須進(jìn)行更換。因此我們采用了KXJ127型礦用隔爆兼本安型PLC控制箱對不滿足要求的皮帶進(jìn)行的升級改造。

控制箱是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，其內(nèi)包含SIMAT?IC S7-300系列PLC控制器（含ETH-MPI（DP）轉(zhuǎn)換器卡、DP光電轉(zhuǎn)換器）和網(wǎng)路交換機(jī)各一臺(tái)。KXJ127型PLC控制器能為運(yùn)輸皮帶提供啟動(dòng)、停止、復(fù)位、急停、備用等按鈕及手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，能夠完成變頻和輔助設(shè)備所有功能控制；其具有故障自診斷功能，PLC集控系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)通訊出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)判定故障源及故障類型，并發(fā)出報(bào)警；KXJ127型PLC控制器具有1路以太網(wǎng)接口和1路DP通信接口，能夠滿足集控建設(shè)的雙網(wǎng)需求。PLC控制器與交換機(jī)結(jié)合能夠?qū)⑵л斔蜋C(jī)的所有信號(hào)、參數(shù)、監(jiān)控畫面通過萬兆光纖寬帶傳送至地面集控，斜溝煤礦皮帶PLC控制器的安裝情況如下表1所示。

表1斜溝煤礦皮帶PLC控制器安裝情況統(tǒng)計(jì)表

同時(shí)我們還對部分功能不夠完善的運(yùn)輸皮帶更換了KXB127型礦用就地控制箱，其具有以太網(wǎng)通訊接口，滿足集控一體化通信需求。同時(shí)就地控制箱具有就地、集控和檢修等工作方式切換，當(dāng)集中控制時(shí)（萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)在單動(dòng)或聯(lián)動(dòng)位置均可），通過上位機(jī)直接實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停；當(dāng)需要連接外部其他設(shè)備時(shí)，可通過“外部聯(lián)鎖”繼電器連接；當(dāng)需要急停時(shí)，可按下“急停閉鎖開關(guān)”，就地箱上的指示燈熄滅，運(yùn)行的電機(jī)停止運(yùn)行，滿足了集控系統(tǒng)運(yùn)行后的多種模式切換需求。

為了滿足皮帶運(yùn)輸控制設(shè)備和視頻監(jiān)控在失電后的應(yīng)急操作，我們對部分沒有UPS的皮帶控制系統(tǒng)增加了UPS無間斷電源，皮帶在全部實(shí)行集中監(jiān)控后現(xiàn)場將無人操作，就需要可靠電源保證應(yīng)急監(jiān)控操作。

2.2 集中控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

目前斜溝煤礦已建設(shè)完成井下寬帶光纖網(wǎng)+4G無線寬帶網(wǎng)全覆蓋（包括21主運(yùn)皮帶巷、11主運(yùn)皮帶巷、+700主運(yùn)皮帶巷），實(shí)現(xiàn)皮帶沿線覆蓋，完全滿足皮帶通訊系統(tǒng)帶寬要求。本次集控建設(shè)增加控制DP專網(wǎng)，與以太環(huán)網(wǎng)備用方式組成控制網(wǎng)絡(luò)冗余系統(tǒng)，即PLC控制器經(jīng)DP專網(wǎng)和環(huán)網(wǎng)備用方式傳輸、視頻信息通過環(huán)網(wǎng)上傳，PLC控制器正常工作時(shí)采用DP專網(wǎng)進(jìn)行傳輸控制，當(dāng)DP專網(wǎng)由于特殊原因中斷后，將切入環(huán)網(wǎng)進(jìn)行傳輸控制。保障控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連續(xù)性、安全性。斜溝煤礦皮帶集控系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示

圖3斜溝煤礦皮帶集控系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3中在2#主井、21盤區(qū)和+640北翼皮帶等現(xiàn)場的PLC裝置負(fù)責(zé)各水平所有單個(gè)皮帶的PLC分控系統(tǒng)的調(diào)度指揮，每個(gè)運(yùn)輸皮帶的工作參數(shù)統(tǒng)一上傳至主系統(tǒng)PLC后，主系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)部的邏輯程序?qū)⒅噶钕逻_(dá)到各分系統(tǒng)PLC，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)及輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)各部皮帶的前后聯(lián)動(dòng)聯(lián)鎖。同時(shí)在PLC控制網(wǎng)絡(luò)的指令安全性上都采用了特殊的數(shù)據(jù)加密模式，系統(tǒng)上位機(jī)采用不同層級的權(quán)限登陸模式，再配合斜溝煤礦整體網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的防病毒入侵設(shè)備，有效防止非法入侵。

2.3 斜溝煤礦主運(yùn)輸系統(tǒng)輔助設(shè)備應(yīng)用

根據(jù)各皮帶的長度和攝像頭的監(jiān)控范圍，應(yīng)用礦用隔爆型攝像儀增加了崗位上攝像頭的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)全線監(jiān)控，全面掌握現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況[2]。礦用隔爆型攝像儀使用高清彩色網(wǎng)絡(luò)攝像頭，在井下低光環(huán)境畫面依然清晰。在井底煤倉、落煤點(diǎn)等煤塵大的地方安裝了本安型除塵攝像儀。所有監(jiān)控的視頻信號(hào)采用基于光纖的以太網(wǎng)傳輸，畫面流暢、無卡頓。

1#、2#倉上運(yùn)輸皮帶、+700南北翼皮帶、+640皮帶為斜溝煤礦重點(diǎn)要害場所，引入了皮帶巡檢機(jī)器人在皮帶沿線巡視，搭載各種傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測值守段的環(huán)境狀況，包括：高清攝像機(jī)、瓦斯傳感器、煙霧傳感器、紅外溫度傳感器、拾音器等。

2.4 斜溝煤礦主運(yùn)輸系統(tǒng)集控中心建設(shè)

全礦主運(yùn)輸系統(tǒng)集控系統(tǒng)設(shè)置在礦井調(diào)度指揮中心，同時(shí)把皮帶主運(yùn)輸各項(xiàng)功能接入調(diào)度室一體化平臺(tái)。皮帶運(yùn)輸集控中心由上位機(jī)、scada軟件系統(tǒng)、交換機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、UPS裝置等組成，其系統(tǒng)構(gòu)成情況如圖4所示。

圖4斜溝煤礦主運(yùn)輸系統(tǒng)集控功能示意圖

從圖3可以看出，斜溝煤礦主運(yùn)輸系統(tǒng)集控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)看到全礦井皮帶運(yùn)輸參數(shù)、故障報(bào)警情況、各類報(bào)表、各運(yùn)輸皮帶實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面、巡檢機(jī)器人的巡檢結(jié)果，各PLC裝置通信狀態(tài)以及集成的應(yīng)急管理流程和預(yù)案措施等，實(shí)現(xiàn)了礦井運(yùn)輸各環(huán)節(jié)全流程監(jiān)控。皮帶集控以管控平臺(tái)為主進(jìn)行操作控制，同時(shí)值班人員通過調(diào)度室一體化平臺(tái)也可以實(shí)現(xiàn)一鍵啟停操作，即順煤流啟動(dòng)、逆煤流停機(jī)，還能自動(dòng)完成皮帶機(jī)的系統(tǒng)邏輯控制、保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)控、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)等[3]。

開發(fā)了主運(yùn)輸集控系統(tǒng)移動(dòng)APP，做為子模塊嵌入礦井統(tǒng)一的移動(dòng)APP中，實(shí)現(xiàn)井下工作人員人員移動(dòng)APP巡檢監(jiān)控，達(dá)到應(yīng)急處突管理要求。

3 斜溝煤礦原煤主運(yùn)輸皮帶機(jī)集控系統(tǒng)應(yīng)用效果

斜溝煤礦主運(yùn)輸系統(tǒng)在投入使用后，方便了運(yùn)輸皮帶的操作，能夠提前發(fā)現(xiàn)故障隱患，有效的減少了影響生產(chǎn)的大事故發(fā)生，做到了減人提效，帶來了明顯經(jīng)濟(jì)效益，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 集控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、功能豐富

斜溝煤礦主運(yùn)輸集控系統(tǒng)采用成熟的技術(shù)和可靠的設(shè)備，對關(guān)鍵設(shè)備有備份或冗余措施。系統(tǒng)軟件有維護(hù)保障能力和較強(qiáng)的容錯(cuò)及系統(tǒng)恢復(fù)能力，雙網(wǎng)雙服務(wù)器的設(shè)置保證了一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)宕機(jī)不影響整個(gè)系統(tǒng)，確保系統(tǒng)在極端情況下可以長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)采用了分布式體系和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以適應(yīng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)展、功能擴(kuò)充、配套軟件升級的需求，可隨時(shí)依需要對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充或裁剪，要求具有足夠的靈活性。

創(chuàng)新型的開發(fā)了移動(dòng)APP功能和WEB發(fā)布功能，通過WEB發(fā)布功能可以在礦局域網(wǎng)內(nèi)任何一臺(tái)終端機(jī)經(jīng)授權(quán)后，可以查詢視頻監(jiān)控畫面，方便了各級領(lǐng)導(dǎo)職工掌握信息進(jìn)行決策；通過移動(dòng)手機(jī)APP結(jié)合礦區(qū)高速4G網(wǎng)絡(luò)，職工能夠隨時(shí)查看每部皮帶機(jī)的監(jiān)控參數(shù)和圖像，實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)情況，提高全礦運(yùn)輸效率，實(shí)現(xiàn)了對運(yùn)輸系統(tǒng)的有效監(jiān)督和實(shí)時(shí)管理。

3.2 帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測

如圖5所示，斜溝煤礦皮帶集控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測每臺(tái)運(yùn)輸電機(jī)的電流、電壓、功率、頻率、電機(jī)繞組溫度、軸承溫度、主傳動(dòng)滾筒的軸溫等參數(shù)，同時(shí)各項(xiàng)參數(shù)能方便的進(jìn)行報(bào)警值的設(shè)定，當(dāng)檢測數(shù)據(jù)超過設(shè)定值時(shí)，能及時(shí)彈出報(bào)警的畫面，并根據(jù)現(xiàn)場需要進(jìn)行報(bào)警解除或停機(jī)，同時(shí)還能在上位機(jī)中可方便的進(jìn)行故障查詢、報(bào)警解除、報(bào)表分析等操作。通過對皮帶運(yùn)輸機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控能夠提前發(fā)現(xiàn)異常情況情況，運(yùn)輸系統(tǒng)故障率同期下降了30%，啟停機(jī)完成時(shí)間縮短了40%，有效提高了生產(chǎn)效率。

圖5斜溝煤礦帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測畫面

3.3 集控系統(tǒng)操作方便、減人提效

斜溝煤礦的主運(yùn)輸皮帶在過去都是在每部皮帶配備兩名皮帶司機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場操作和巡視，在設(shè)備運(yùn)行上是被動(dòng)模式，通過此次集控系統(tǒng)的升級改造，井下各皮帶操作司機(jī)可以全部取消，只需要一人在調(diào)度室就能夠操控全礦運(yùn)輸皮帶的啟停和巡視巡檢工作，每班可減少崗位司機(jī)32人，減出的人員進(jìn)行轉(zhuǎn)崗分流，留下少部分人成立應(yīng)急搶修組，在人員投入上每年可節(jié)省691.2萬元，做到了減人提效。

4 結(jié)束語

斜溝煤礦主運(yùn)輸皮帶集中控制系統(tǒng)的應(yīng)用，有效解決了斜溝礦井下運(yùn)輸皮帶多，操作分散，巡檢距離長的難題，提高了礦井運(yùn)輸皮帶的協(xié)同運(yùn)輸能力和生產(chǎn)效率。提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，為斜溝煤礦全面建設(shè)智慧礦山奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。