基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)

尹瑞光

（煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司 遼寧省撫順市 113122）

隨著人們對資源的不斷研發(fā)利用，世界上的各種各樣的資源儲備大量消耗，使得社會各界開始逐漸了解到經(jīng)濟(jì)發(fā)展不能依靠能源，需要邁向可持續(xù)發(fā)展道路。我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提出減少能源消耗，生態(tài)環(huán)保的原則。

煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)，基于高質(zhì)量、高效能、高規(guī)范的目的，同時根據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)整體規(guī)劃的準(zhǔn)則完成了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計。由1990年開始，以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的應(yīng)用信息科技獲得了巨大的成就，使得企業(yè)的管理手段發(fā)生了轉(zhuǎn)變，利用現(xiàn)有技術(shù)不斷提升工作效率。目前在煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)依靠現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)科技對整個生產(chǎn)過程中強化管理并且對生產(chǎn)的每道工序進(jìn)行控制，保證實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的無縫銜接。就目前發(fā)展現(xiàn)狀來看，煤炭行業(yè)在實際生產(chǎn)中會應(yīng)用多項控制技術(shù)，并且實現(xiàn)快速發(fā)展，充分展示了現(xiàn)代技術(shù)的實際價值。實際生產(chǎn)利用邏輯控制器保證可編程，并且在各個控制系統(tǒng)內(nèi)都配備了以太網(wǎng)通訊模塊，能夠有效保障信息通訊的平穩(wěn)。針對煤礦綜合自動化控制，一般要對其中一個工序開展控制以提升生產(chǎn)效率。所以各大煤礦公司都通過新的信息科技研發(fā)設(shè)計了煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)，有效加強煤礦生產(chǎn)的安全性，并基于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展情況開展了有關(guān)技術(shù)應(yīng)用的研究。

1 煤礦綜合自動化目的

煤炭井下采礦生產(chǎn)的工序比較復(fù)雜，做好日常開采運輸還需要在過程中及時清潔、保證安全等，整個生產(chǎn)過程中還需要配備相關(guān)設(shè)施保證整個開采工作順利完成。設(shè)施開發(fā)得到的煤炭通過運送機運送到井底煤倉，然后一起通過主井升降機運送到路面。煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)基于企業(yè)生產(chǎn)時的SCADA 的設(shè)計，在發(fā)展過程中充分發(fā)揮以太網(wǎng)SCADA 模式作用，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，保證開采工作正常運行并且提升效率、保證安全。

煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計目的為：

（1）煤礦綜合自動化利用中央控制室完成生產(chǎn)步驟全自動化，從而實現(xiàn)降耗增效的目標(biāo)。系統(tǒng)對生產(chǎn)整個過程進(jìn)行控制，控制成本投入，提高生產(chǎn)時的安全性能。

（2）通過礦場已有的生產(chǎn)資源，根據(jù)現(xiàn)代控制技術(shù)，基于安全平穩(wěn)和成本控制原則，有效降低煤礦開采資金投入。

（3）在現(xiàn)代化發(fā)展過程中加強管理，讓煤炭行業(yè)控制系統(tǒng)與之相適應(yīng)。

（4）系統(tǒng)內(nèi)部根據(jù)實際情況利用控制層給信息層提供輔助幫助，煤礦行業(yè)發(fā)展利用煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)向現(xiàn)代化過渡，并且在新型管理模式應(yīng)用中實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的升級改造。

（5）煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，方便日常對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。

煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)想在作業(yè)層可以實現(xiàn)自動化的采礦和輸送。利用建設(shè)煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)在煤礦中落實礦井生產(chǎn)自動化。利用對煤炭生產(chǎn)的各部分系統(tǒng)的實時自動控制，綜合自動化系統(tǒng)可以實時的對生產(chǎn)資料進(jìn)行采集、統(tǒng)計、研究、歸納和儲存，健全了生產(chǎn)總過程的監(jiān)管，以保證煤礦企業(yè)的收益。

2 煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)綜合構(gòu)造

想要確保煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)的時效性，確保所有層級間完成相互關(guān)聯(lián)，在整個系統(tǒng)運行中保持穩(wěn)定狀態(tài)確?？刂菩畔踩拍軐崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建。

煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)實踐應(yīng)用要求系統(tǒng)網(wǎng)路構(gòu)造為三級構(gòu)造，包括：信息層、控制層和設(shè)施層。

首先是煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)信息層依托以太網(wǎng)并且基于煤礦業(yè)務(wù)發(fā)展實際情況，對整個過程的信息進(jìn)行收集處理。所有的系統(tǒng)依照生產(chǎn)的實踐狀況可以巧妙地協(xié)調(diào)生產(chǎn)規(guī)劃，下發(fā)命令控制生產(chǎn)設(shè)施工作，滿足煤礦生產(chǎn)業(yè)務(wù)程序標(biāo)準(zhǔn)，制定合適的處理規(guī)劃解決實際問題。其次是控制層通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)控制設(shè)施與工業(yè)監(jiān)控設(shè)施之間的連接。利用控制層的設(shè)施可以完成單設(shè)施/多設(shè)施協(xié)同控制，以及完成實時智能控制。最后是設(shè)施層。這一層承擔(dān)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通訊功能，基于煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性原則，盡量的縮減系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)資金投入。

根據(jù)以上內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)通過設(shè)施層關(guān)聯(lián)以及承擔(dān)實現(xiàn)信息傳遞，在控制層和信息層信息實現(xiàn)傳輸和反饋，整個過程中煤礦自動化控制技術(shù)利用以太網(wǎng)成為網(wǎng)絡(luò)中的主管，優(yōu)化整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的信息，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息自動化，是主體公司豐富的層次異構(gòu)生產(chǎn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的一項內(nèi)容。

煤礦綜合自動化控制網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用過程中需要依托以太網(wǎng)、控制網(wǎng)和設(shè)備網(wǎng)，三種網(wǎng)絡(luò)共同作用下連接成一個開放的整體，組成工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)。

首先是信息層，煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)利用信息層進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并且進(jìn)行后續(xù)的決定任務(wù)，利用以太網(wǎng)技術(shù)讓信息層實現(xiàn)系統(tǒng)控制，加強對生產(chǎn)中所應(yīng)用的各項設(shè)備、網(wǎng)關(guān)進(jìn)行控制，并且與人機端口以及自動化控制軟件共同關(guān)聯(lián)起來，基于整個系統(tǒng)實現(xiàn)對生產(chǎn)實踐活動的控制。但是在生產(chǎn)中需要考慮現(xiàn)場環(huán)境的影響，煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)需要實施現(xiàn)場通訊，加強環(huán)境控制才能保持穩(wěn)定，同時在目前工業(yè)網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展普及，煤礦行業(yè)發(fā)展綜合自動化控制系統(tǒng)利用工業(yè)以太網(wǎng)搭建信息平臺，日常應(yīng)用需要考慮系統(tǒng)的維修和系統(tǒng)使用中的更新?lián)Q代問題。信息層采用因特內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，利用這一網(wǎng)絡(luò)，這一系統(tǒng)能夠把煤礦生產(chǎn)控制平臺與井下生產(chǎn)平臺的計算機相互連接，并且在生產(chǎn)實踐中直接把平臺與井下作業(yè)控制板塊的PLC 連接，基于此實現(xiàn)對整個生產(chǎn)系統(tǒng)的直接控制。

其次是控制層，作為煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)整體的中間也發(fā)揮著重要作用，承擔(dān)解決控制處理器運算的功能?？刂茖拥淖饔弥攸c主要是對控制器之間的信息交替進(jìn)行控制，集中把控統(tǒng)一管理，在控制層讓系統(tǒng)控制處理設(shè)備正常發(fā)揮作用，通過煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)及時輸入有效信息，實現(xiàn)信息的融合，在有效整合之后實現(xiàn)對每個接口的控制并且及時更換信息。在控制層發(fā)揮煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)真正價值需要嚴(yán)格按照國家相關(guān)的工業(yè)規(guī)范，相關(guān)設(shè)施設(shè)備需要利用PLC 進(jìn)行控制，從整個流程的具體細(xì)節(jié)上控制生產(chǎn)環(huán)節(jié)。除此之外，煤礦開采井下作業(yè)也必須按照規(guī)范操作，相關(guān)設(shè)施設(shè)備貼有標(biāo)識，設(shè)備必須滿足生產(chǎn)條件，控制層也是利用工業(yè)以太網(wǎng)通過控制器的PLC進(jìn)行自動化管理，特殊系統(tǒng)需要遠(yuǎn)程操控，利用現(xiàn)場總控網(wǎng)絡(luò)連接使用。煤礦全面自動化控制系統(tǒng)的所有子系統(tǒng)主控PLC 通訊終端依照煤礦開采工業(yè)要求，盡可能確保數(shù)據(jù)運送安全。所有的子系統(tǒng)主控PLC 也需要發(fā)揮重要作用，除了基本的采集底層生產(chǎn)資料，還需要及時采集互動，實際對設(shè)備進(jìn)行控制測試需要利用以太網(wǎng)通信模塊。想要構(gòu)建一個高性能、高可靠性的煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)，要求所有的控制子系統(tǒng)開展全面的設(shè)計。

最后是設(shè)備層，煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)的設(shè)備是其整體控制系統(tǒng)最基礎(chǔ)部分。煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)在設(shè)備層發(fā)揮作用主要是進(jìn)行控制和生產(chǎn)資料通訊。利用控制I/O 模塊，能夠直接把基礎(chǔ)生產(chǎn)設(shè)備與相應(yīng)的生產(chǎn)PLC 控制器進(jìn)行直接聯(lián)系。為了實現(xiàn)控制器之間點之間的信息替換利用煤礦全自動化控制系統(tǒng)的I/O 控制，電力監(jiān)控、MCC 馬達(dá)控制、變頻器等是煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)所特有的，系統(tǒng)內(nèi)部連線貫通，讓煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)各個子系統(tǒng)能夠收到現(xiàn)場設(shè)施數(shù)據(jù)。

3 煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 運輸機控制

煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)的重點運送設(shè)施是采用采煤工作面輸送順槽帶式輸送設(shè)備、石門和井下上倉帶式輸送機、主斜井帶輸送機等設(shè)施構(gòu)成。不包括連采機挖掘工作面能夠伸縮帶式運輸機，主井帶式運輸機應(yīng)用變頻/CST 調(diào)速系統(tǒng)，另外的帶式運輸機都是用了液體黏性軟起動設(shè)備和帶式運輸機保護(hù)系統(tǒng)。礦井內(nèi)部控制利用PLC 以主輸送帶式運輸機作為載體實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的綜合控制，配備監(jiān)控計算機，使用逆煤流延時控制輸送，所有的控制設(shè)施間可以互相聯(lián)系，出現(xiàn)異?；蛘哂捎谂鋫湓O(shè)備啟停就會輸送異常警報。

（1）系統(tǒng)構(gòu)造。作為煤礦自動控制系統(tǒng)的主干網(wǎng)需要利用因特內(nèi)/IP 控制網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置了生產(chǎn)控制站和各個管理站，分別作為生產(chǎn)指揮中心的各個控制站。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)核心是樹枝型構(gòu)造，使得控制站都能夠給予工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。控制分站基于系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)換發(fā)展成雙絞線電纜網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中連接子系統(tǒng)內(nèi)部控制器和相關(guān)模塊，通過CPU 利用I/O 和設(shè)施網(wǎng)絡(luò)完成現(xiàn)場設(shè)施控制和信息搜集。

（2）主井驅(qū)動機房主站，主要承擔(dān)主井帶式運輸機和主井驅(qū)動機房的高低壓配電，作為控制核心對所有生產(chǎn)輸送進(jìn)行控制，并且其任務(wù)是對系統(tǒng)里別的控制部分的信號管理和設(shè)施關(guān)閉。主井驅(qū)動機房作為主站會配備相應(yīng)的配電控制平臺，保證日常正常運轉(zhuǎn)配備S7 型號核心控制器。

（3）井下帶式輸送機控制分站，分站控制需要在開采位置的槽部，煤礦井變電站中也有一部分井下帶式輸送機控制分站，具體實踐利用傳輸機實現(xiàn)遠(yuǎn)控和控制，配備S7 型號核心控制器搜集和控制信息，模塊連接網(wǎng)絡(luò)利用工業(yè)以太網(wǎng)。

3.2 變配電控制系統(tǒng)

系統(tǒng)在地面實現(xiàn)控制采用36KV 變電站綜合自動化系統(tǒng)一起控制，利用以太網(wǎng)連接煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)。其控制系統(tǒng)里包含：

（1）電力控制系統(tǒng)可以進(jìn)行遙控、柜控和維修，基于其基本特性和手段保證電力供應(yīng)的平穩(wěn)性；

（2）電力控制系統(tǒng)對每個配電柜使用情況進(jìn)行監(jiān)控；

（3）通過電力控制系統(tǒng)監(jiān)控可以收集高壓回電的電氣數(shù)值；

（4）電力控制系統(tǒng)的電器數(shù)值要開展儲存，可以搜尋歷史使用狀況，以及得到相應(yīng)的電流/電壓使用統(tǒng)計資料；

（5）同步實現(xiàn)電力控制體系和煤礦整體自動化管控系統(tǒng)的管控，雙重作用加強控制率和系統(tǒng)的反應(yīng)速度。

3.3 主排水監(jiān)管系統(tǒng)

煤礦開采生產(chǎn)中，需要保證主排水泵房的排水泵組電機的穩(wěn)定性，這樣不僅關(guān)系到生產(chǎn)還對作業(yè)安全有重要影響。因此排水泵主在生產(chǎn)過程里要采用對應(yīng)的變電所針對性供電。井下設(shè)置自動控制裝置，實現(xiàn)智能化管理?；谘芯繉嵺`，加大對井下排水泵的排水出口管路的控制需要在合適的位置安裝控制閥門。并且，基于系統(tǒng)控制需要在專門的排水總出水管要設(shè)置專門的壓力和流和量傳感設(shè)施，實現(xiàn)系統(tǒng)綜合控制，不僅可以對排水資料進(jìn)行收集，與此同時通過專門設(shè)定保持倉位配備，實時動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部水艙水位。

煤礦生產(chǎn)實現(xiàn)綜合自動化控制，利用工業(yè)級防爆PLC 進(jìn)行監(jiān)控實現(xiàn)綜合自動化排水控制，監(jiān)控過程中確?？刂蒲b置的安全性。一旦注水泵出現(xiàn)相應(yīng)的事故，系統(tǒng)會自動開啟備用水泵。

煤礦綜合自動化排水控制系統(tǒng)里面想要減少系統(tǒng)的能源消耗，排水控制系統(tǒng)在設(shè)計過程里選擇了功耗較低的中壓氣液兩用射流控制設(shè)備。

煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)采用S7 控制器來成為排水控制的控制器。這一處理器的耗能較低、穩(wěn)定性強，可以有效達(dá)成信息搜集和控制功能。

排水控制系統(tǒng)的總的控制部分要安放在礦井井下中央變電站。這一控制點是極其關(guān)鍵的雙合一控制站。并且此控制點在作用中會與井下排水泵連接成為整體共同進(jìn)行排水控制，構(gòu)建起井下中央變電所控制系統(tǒng)。

3.4 通風(fēng)機控制

煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)保證整體控制需求設(shè)定有效的通風(fēng)機控制。煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)里，為了保障對井下通風(fēng)機開展遙控、遙測和遙信控制實踐性。不僅需要在礦井通風(fēng)機房設(shè)置煤礦專業(yè)控制裝置，并且要開展冗余設(shè)計。

3.5 生產(chǎn)管理

煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)利用統(tǒng)一控制完成對生產(chǎn)程序的全自動化控制，這里面，加強生產(chǎn)管理，利用生產(chǎn)控制子系統(tǒng)強化生產(chǎn)控制和生產(chǎn)管理。煤礦企業(yè)在生產(chǎn)實踐利用控制系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)，遠(yuǎn)程操作實現(xiàn)生產(chǎn)協(xié)同調(diào)度。生產(chǎn)管理系統(tǒng)可以實施開展生產(chǎn)信息的搜集、統(tǒng)計和研究，健全生產(chǎn)的綜合程序的控制和管理。

3.6 結(jié)論

以上分析的煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)基于確保生產(chǎn)安全性和穩(wěn)定性的設(shè)計指導(dǎo)原則。在設(shè)計的時候，把現(xiàn)代廣泛使用的先進(jìn)技術(shù)的自動化控制計劃融入煤礦生產(chǎn)程序里。根據(jù)現(xiàn)場實踐，選取滿足煤礦行業(yè)需要的工業(yè)化控制產(chǎn)品，建設(shè)網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)環(huán)境。充分發(fā)揮煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)的價值，提升相關(guān)人員的專業(yè)認(rèn)識，進(jìn)而提升生產(chǎn)過程中的效率并且保證安全性。利用系統(tǒng)加強生產(chǎn)管理，對隱藏危害事先發(fā)出信號，保證設(shè)備安全運行。

4 總結(jié)

利用對煤礦綜合自動化控制系統(tǒng)的有效管理，能夠減少企業(yè)生產(chǎn)工作的資金投入，縮減對應(yīng)的工作人員勞動量和工作強度，能夠有效完成煤礦相應(yīng)的開采、運輸?shù)仍O(shè)施的控制，能夠保證煤礦綜合自動化系統(tǒng)在礦井生產(chǎn)運行中發(fā)揮積極作用，其運行的安全性和可靠性使其具備優(yōu)秀的推廣意義。