煤礦井下綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭 強(qiáng)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)地煤公司益晟煤業(yè)， 山西 大同 037101）

引言

煤炭作為我國工業(yè)發(fā)展的主要能源，確保煤礦生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定顯得尤為重要。隨著電氣化和機(jī)械化程度的穩(wěn)步推進(jìn)，煤炭生產(chǎn)的自動(dòng)化水平也逐漸提高，對開采及運(yùn)輸安全性的要求也進(jìn)一步提高。煤炭生產(chǎn)作為系統(tǒng)工程，其開采、運(yùn)輸、洗選等各階段，都存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的極大發(fā)展，有效提高了生產(chǎn)控制水平。因此，為提高煤炭生產(chǎn)效率，最大限度地控制煤炭生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全隱患，需要一套煤礦井下綜合自動(dòng)化系統(tǒng)[1]。

1 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)功能要點(diǎn)

煤礦的生產(chǎn)主要經(jīng)過原煤開采、破碎清潔、煤炭運(yùn)輸和處理利用等階段，在井下開采過程中，需要開采設(shè)備、刮板輸送機(jī)、排水設(shè)備、排風(fēng)設(shè)備等諸多機(jī)械的配合，并由煤礦配電系統(tǒng)提供電力支持[2]。因此，通過綜合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)煤炭井下開采全生產(chǎn)鏈的管控，能夠?qū)\(yùn)輸、通風(fēng)、排水和配電系統(tǒng)直接控制，便于快速響應(yīng)。同時(shí)，提供全開采鏈條的安全監(jiān)控和報(bào)警功能，對瓦斯、風(fēng)量、溫度等關(guān)鍵環(huán)境信息能夠?qū)崟r(shí)記錄，對產(chǎn)出量等關(guān)鍵煤炭生產(chǎn)信息能夠自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、存檔，有利于進(jìn)行生產(chǎn)決策[3]。

2 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

為實(shí)現(xiàn)對煤炭井下開采過程的管理，設(shè)計(jì)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)如圖1 所示，主要由信息層、控制層和設(shè)備層組成。以巷道排水系統(tǒng)為例，水泵、水位傳感器、總線控制器等設(shè)備層器件通過通信協(xié)議等規(guī)則有序組成，實(shí)現(xiàn)對井下水位的實(shí)時(shí)測量并自動(dòng)排水，同時(shí)將相關(guān)信息上傳至監(jiān)控與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化和遠(yuǎn)程操作。輸送機(jī)控制及監(jiān)控系統(tǒng)、配電控制系統(tǒng)和巷道通風(fēng)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)與排水系統(tǒng)類似，各系統(tǒng)共同完成采煤過程的綜合自動(dòng)化管控[4-5]。

圖1 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

3 綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 刮板輸送機(jī)控制及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

刮板輸送機(jī)控制及監(jiān)控系統(tǒng)如圖2 所示，全系統(tǒng)以PLC 為核心，在刮板輸送機(jī)工作過程中，PLC 通過通信協(xié)議控制變頻器改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、加速度、功率等輸送狀態(tài)。同時(shí)，安裝在傳送帶各位置的傳感模塊可以通過對環(huán)境溫度、傳送帶運(yùn)行速度以及傳感模塊所在位置等信息的分析，結(jié)合系統(tǒng)RS485 總線傳輸?shù)碾妷?、電流監(jiān)測數(shù)據(jù)，對傳送帶運(yùn)行狀態(tài)作出判斷，PLC 綜合判斷出當(dāng)前狀態(tài)后，經(jīng)由煤礦井下路由器將信息傳至以太網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵數(shù)據(jù)的顯示和分析，操作人員通過上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對異常輸出模塊的控制，實(shí)現(xiàn)突發(fā)情況的快速處置及故障的快速排查。

圖2 刮板輸送機(jī)控制及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2 配電系統(tǒng)和排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦井下配電系統(tǒng)主要采用35 kV 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，便于進(jìn)行集中監(jiān)控。本系統(tǒng)接入監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對各回路電力線路、電力開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。通過本系統(tǒng)可以完成負(fù)荷的投切轉(zhuǎn)換，以保證電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。

在排水系統(tǒng)中，通過不同原理的多組水位傳感器的配合，及時(shí)掌握井下水位的情況。利用電容傳感原理和壓力傳感原理，實(shí)現(xiàn)對井下水位的實(shí)時(shí)測量，排水系統(tǒng)擁有專用的通道及控制閥，采用主備配合的方式，以確保主水泵發(fā)生故障時(shí)，備用水泵能夠及時(shí)啟動(dòng)，水位保持在安全范圍內(nèi)，確保人員安全。

3.3 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通風(fēng)系統(tǒng)作為煤礦井下開采機(jī)械的重要組成部分，對保證人員安全發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其構(gòu)成如圖3 所示，采用PLC 作為主控臺的核心器件，由配電系統(tǒng)提供的電源經(jīng)高壓饋電開關(guān)柜轉(zhuǎn)換之后，經(jīng)高壓轉(zhuǎn)向電制動(dòng)切換柜，實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)系統(tǒng)的快速控制。通過安裝制動(dòng)泵、潤滑泵站以及必要的外部端子，可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的精確控制，減少運(yùn)行阻力。可控制動(dòng)力制動(dòng)電源柜和輔助控制柜則可配合主控臺，便于提高控制的速度，降低系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)工作流程

為實(shí)現(xiàn)對煤礦井下刮板輸送機(jī)關(guān)鍵部位的溫度和速度測量，設(shè)計(jì)了傳感模塊工作流程，如圖4 所示。利用IAR 軟件，對其采集終端控制核心低功耗單片機(jī)進(jìn)行編程，以確保能安全、穩(wěn)定地傳輸傳感數(shù)據(jù)。

圖4 傳感模塊工作流程圖

在完成設(shè)備初始化之后，系統(tǒng)控制ZigBee 收發(fā)模塊CC2530 搜尋目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)完成網(wǎng)絡(luò)尋找后，申請加入并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)綁定。速度測量之后，LM75A 進(jìn)行環(huán)境溫度測量，并啟動(dòng)定時(shí)裝置，定期發(fā)送目標(biāo)數(shù)據(jù)幀，發(fā)送完成后進(jìn)行判斷，若網(wǎng)絡(luò)斷開則停止發(fā)送過程，流程結(jié)束。在采集終端完成溫度加速度信息采集后，由PLC 核心控制部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與輸出，從而實(shí)現(xiàn)井下和地面數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。

4.2 監(jiān)測系統(tǒng)顯示界面設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)煤礦井下綜合自動(dòng)化系統(tǒng)對煤礦井下采煤過程的精確控制，通過安裝組態(tài)軟件KingView，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化交互控制，綜合自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖5 所示。

圖5 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)控界面布局

該界面共分為功能菜單、參數(shù)曲線、系統(tǒng)狀態(tài)和其他菜單四個(gè)部分。其中功能菜單可以實(shí)現(xiàn)不同權(quán)限用戶的登陸、設(shè)置和當(dāng)前數(shù)據(jù)保存、歷史數(shù)據(jù)查詢功能。參數(shù)曲線主要由環(huán)境溫度曲線、輸送機(jī)速度曲線和實(shí)時(shí)水位曲線三部分組成，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)及參數(shù)對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，以便人員及時(shí)掌握各點(diǎn)信息，實(shí)現(xiàn)精確調(diào)度。系統(tǒng)狀態(tài)功能，可以直觀地掌握當(dāng)前各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，通過初始狀態(tài)、正常狀態(tài)、告警狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)等不同狀態(tài)顯示，對各系統(tǒng)分別進(jìn)行控制。其他菜單功能，通過二級密碼驗(yàn)證，可以調(diào)用相關(guān)操作控制功能，以實(shí)現(xiàn)對運(yùn)輸系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、排水系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)的直接控制，便于快速處置突發(fā)情況，盡可能減少人員財(cái)產(chǎn)損失。

5 結(jié)語

為實(shí)現(xiàn)對煤礦井下整體生產(chǎn)過程的管控，設(shè)計(jì)了基于信息層、控制層和設(shè)備層三層結(jié)構(gòu)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控煤礦運(yùn)輸、通風(fēng)、排水及配電系統(tǒng)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的管理。同時(shí)引入操作控制功能，極大地提高了故障處置的速度，有力地保障了煤炭生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定，對拓展智能控制系統(tǒng)，有一定的借鑒價(jià)值。