梁家煤礦膏體充填開采智能控制系統(tǒng)設(shè)計方案

石其征 李延振

（通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計有限公司，山東 濟南 250031）

為推進(jìn)煤炭綠色開采，大力發(fā)展礦區(qū)循環(huán)經(jīng)濟，切實保護(hù)礦區(qū)自然生態(tài)環(huán)境，梁家煤礦建設(shè)膏體充填開采項目。本項目智能控制系統(tǒng)是以膏體充填開采工藝為基礎(chǔ)，調(diào)研總結(jié)國內(nèi)膏體充填開采礦井的先進(jìn)經(jīng)驗，融合自動化、智能化、信息化的新理念和新技術(shù)，從而實現(xiàn)膏體充填開采管控智能化，為智能化煤礦的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。智能控制系統(tǒng)主要包括膏體充填開采智能化管控平臺、地面充填站自動化控制、井下設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制、主要生產(chǎn)部位實時視頻監(jiān)控等。

1 膏體充填開采智能化管控平臺

利用先進(jìn)的計算機技術(shù)結(jié)合地面充填站工藝流程，基于微軟平臺自主設(shè)計開發(fā)一套適用于梁家煤礦膏體充填的數(shù)字化管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括監(jiān)控軟件、視頻監(jiān)控集成、與充填開采配料系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接、井下閥門控制、井下管路壓力檢測、充填工作面液位檢測、報警處理、歷史數(shù)據(jù)和用戶權(quán)限等功能，實現(xiàn)充填開采系統(tǒng)控制的全面數(shù)字化和自動化，并可采用3D技術(shù)進(jìn)行可視化，為智能充填提供技術(shù)保障，從而確保整個充填流程的安全高效運行。

該管控平臺具備如下主要功能：

（1）在地面充填集控中心實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制井下的保障閥和布料閥，并形成操作記錄；

（2）在地面充填集控中心實時顯示充填工作面液位情況；

（3）在地面充填集控中心實時顯示所有三通泄?jié){閥的壓力；

（4）根據(jù)充填工作面液位情況，自動切換布料閥；

（5）充填結(jié)束前，根據(jù)充填工作面液位情況，自動計算待充填量；

（6）能夠與梁家煤礦地面充填站配料系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)對接；

（7）通過3D技術(shù)進(jìn)行可視化顯示充填液位情況。

2 膏體充填開采網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)

基于光纖技術(shù)、以太網(wǎng)通訊技術(shù)和PLC技術(shù)等建立一套膏體充填井上下遠(yuǎn)程控制架構(gòu)，利用梁家煤礦現(xiàn)有的井上下工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。充填開采智能控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1。

圖1 充填開采智能控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 地面充填站自動化控制

在地面充填系統(tǒng)集控中心設(shè)置PLC主控制器（控制主站）。主站選用西門子 S7-1500系列PLC，采用雙CPU、雙電源配置，CPU模塊選用CPU1516-3；負(fù)載電源采用PM190W 8A，系統(tǒng)電源采用PS25 24V；以太網(wǎng)通訊采用CPU自帶通訊網(wǎng)口。本控制系統(tǒng)根據(jù)工藝要求及本著提高系統(tǒng)自動化水平、提高全員勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益、減輕工人勞動強度的原則，具備如下功能：

（1）數(shù)據(jù)采集功能。主要采集的數(shù)據(jù)：① 各參與集控電動機的運行狀態(tài)、主要電動機的電流；② 部分不參與集控但需要在主控室監(jiān)視的電動機的運行狀態(tài)；③ 全廠各料倉料位；④ 管道壓力；⑤各運料皮帶的運量；⑥ 膏體的密度；⑦ 各類保護(hù)信息，主要包括皮帶綜合保護(hù)裝置（跑偏、拉繩、溜槽堵塞、打滑等）、電動機故障信號等。

（2）報表及流程圖生成、打印功能。

（3）自動控制功能。① 運行方式選擇：本系統(tǒng)設(shè)有集中控制和就地控制兩種方式。集中控制又分為聯(lián)鎖自動、聯(lián)鎖手動和手動三種方式。其中聯(lián)鎖自動、手動用于正常生產(chǎn)，自動時，系統(tǒng)各設(shè)備按程序自動啟停；聯(lián)鎖手動時，需按各設(shè)備間的聯(lián)鎖關(guān)系，通過計算機界面啟停。手動和就地時沒有聯(lián)鎖關(guān)系，只用于檢修和調(diào)試。② 啟動預(yù)告信號：在集控起車前，由計算機向各崗位發(fā)出聲光預(yù)告信號，如各崗位沒有問題，在一分鐘后自動起車；如存在故障，現(xiàn)場操作人員按下急停鈕，起車過程被取消，并發(fā)出聲光報警。③ 起車過程：系統(tǒng)按逆料流起車，起車過程中，如遇緊急狀況，按下就地箱上的急停按鈕，向調(diào)度室發(fā)出禁起信號，系統(tǒng)立即停車。④ 停車過程：系統(tǒng)按順料流停車，停車信號可由人為發(fā)送。當(dāng)某設(shè)備發(fā)生故障時，本設(shè)備以前的設(shè)備立即停車，設(shè)備后的流程可由人為停車或不停車。人為停車時，至故障處理好后再次啟動；緊急狀況下，按下控制臺上的急停按鈕，所有設(shè)備將立即停車。⑤ 水泥、粉煤灰、爐渣、添加劑、調(diào)漿水等物料配比攪拌自動控制：實現(xiàn)膏體各物料按配方進(jìn)行自動稱量配料、攪拌混合等工藝的自動化控制。自動控制原理為：各種物料根據(jù)設(shè)定批次自動投料到稱量斗，稱量完成后，自動卸料到攪拌機，根據(jù)設(shè)定攪拌時間，攪拌完成后，自動放料到料漿斗，整個過程為全自動執(zhí)行。⑥ 膠結(jié)攪拌機的液位控制：用三段“液位反饋閉環(huán)”控制方案，即正常液位段、高液位段和低液位段控制。當(dāng)液位計檢測的液位在正常液位段時，排料電動球閥以固定開度輸出，保證充填系統(tǒng)在較小的給料波動中正常穩(wěn)定工作。當(dāng)液位計檢測的液位分別在高液位段和低液位段時，排料的電動球閥進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，保證給料槽不溢出或者拉空。電動球閥實現(xiàn)自動控制啟停和手動自動切換功能。⑦ 充填料漿濃度和流量的檢測：經(jīng)攪拌機充分?jǐn)嚢韬蟮幕旌狭蠞{經(jīng)電磁流量計和在線濃度計的檢測后經(jīng)充填泵打到充填工作面。檢測到的流量和濃度通過PLC（可編程控制器）的模擬量輸入模塊輸送到組態(tài)控制界面，供工作人員參考用。

4 井下設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制

為減少井下線纜的敷設(shè)量，在井下設(shè)置兩臺防爆PLC控制分站用以對井下數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制。兩臺防爆PLC控制柜通過光纖與地面PLC控制主站相連。

創(chuàng)新設(shè)計“PLC→電液閥→布料閥或保障閥”控制回路結(jié)構(gòu)；基于經(jīng)驗算法實現(xiàn)對保障閥0%～100%的開度控制；通過在閥體頂部安裝位移傳感器，位移傳感器和電液閥接入井下防爆PLC控制箱，從而實現(xiàn)在地面充填集控中心遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)閥開度的目的；采用位移傳感器測量閥門的實際開度；通過對電液閥開關(guān)時長控制，達(dá)到調(diào)節(jié)開度與目標(biāo)開度一致的效果，這樣更有利于優(yōu)秀操作經(jīng)驗的積累和轉(zhuǎn)化利用。

選用高精度的位置檢測傳感器，實時檢測充填工作面剩余充填高度數(shù)據(jù)[1-4]。

5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為提高運行監(jiān)控水平，設(shè)置獨立的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要包含前端攝像機、傳輸線纜、網(wǎng)絡(luò)交換機、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機，視頻解碼器、液晶監(jiān)視器器墻等，通過地面中心控制站與礦井生產(chǎn)調(diào)度信息中心的傳輸網(wǎng)絡(luò)，將本視頻監(jiān)控系統(tǒng)接入的視頻信號接入到礦井工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)，礦各級分管領(lǐng)導(dǎo)可通過系統(tǒng)授權(quán)察看充填開采系統(tǒng)主要位置視頻圖像。

在地面充填站的高、低壓配電室、充填車間、料棚及室外等位置各設(shè)置一個視頻監(jiān)控點，配置可變焦球型網(wǎng)絡(luò)攝像機，具有300萬像素，20倍變焦，網(wǎng)絡(luò)高清智能球機。

在井下保障閥、布料閥、雷達(dá)液位傳感器等處各設(shè)置一個視頻監(jiān)控點，配置隔爆網(wǎng)絡(luò)槍型攝像機，200萬像素。

6 結(jié)語

梁家煤礦膏體充填開采項目已投產(chǎn)，運行效果良好。充填開采工藝控制實現(xiàn)了全數(shù)字化，生產(chǎn)過程透明化。充填過程由地面集控中心一鍵操作代替井下人工手動操作，將充填人員、管路巡視人員、閥門操作人員定員由原定的15人縮減為3人，大大降低了用工數(shù)量，從而顯著提升了生產(chǎn)效率，達(dá)到了減人提效的目的，具有良好的經(jīng)濟效益。