智能主運(yùn)輸煤流集中控制系統(tǒng)自動化改造研究

王翠環(huán)

（山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036600）

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)王家?guī)X煤業(yè)公司位于山西省河?xùn)|煤田北部，行政隸屬于忻州市保德縣橋頭鎮(zhèn)和孫家溝鄉(xiāng)所轄。井田面積34.447 1 km2，地質(zhì)儲量7.8億t，可采儲量4.4 億t，主要開采4 號煤、7 號煤、9 號煤，其中4 號煤平均厚度7.6 m，設(shè)計生產(chǎn)能力為500 萬t/a。

王家?guī)X煤業(yè)主運(yùn)輸煤流系統(tǒng)主要包括3104 順槽帶式輸送機(jī)、2201 順槽帶式輸送機(jī)、3-1 主運(yùn)二部帶式輸送機(jī)、3-1 主運(yùn)大巷帶式輸送機(jī)、南翼主運(yùn)帶式輸送機(jī)、3102 順槽帶式輸送機(jī)、配倉帶式輸送機(jī)，另外還包括給煤機(jī)、膠帶秤、撕裂檢測裝備等設(shè)備。以往采用人工分臺就地控制，存在協(xié)調(diào)性差、影響企業(yè)生產(chǎn)等問題，經(jīng)技術(shù)調(diào)研，對主運(yùn)輸煤流進(jìn)行智能集中控制系統(tǒng)自動化改造。通過采用智能視頻分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)主煤流集中控制與智能調(diào)速功能，完成了智能主運(yùn)輸煤流集中控制系統(tǒng)的自動化改造[1-6]，使主煤流系統(tǒng)內(nèi)所有工藝設(shè)備及其輔助設(shè)備都具備智能視頻監(jiān)控，遠(yuǎn)程一鍵啟停，實(shí)時語音廣播，順煤流、逆煤流起車切換，設(shè)備參數(shù)遠(yuǎn)程實(shí)時顯示，設(shè)備自動保護(hù)等多項(xiàng)功能，并且能夠在井下和調(diào)度室實(shí)時設(shè)定各種運(yùn)行、生產(chǎn)工藝參數(shù)，實(shí)時監(jiān)視各設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)及參數(shù)、報警狀態(tài)。同時，主煤流系統(tǒng)可在就地、運(yùn)程順序控制，遠(yuǎn)程單臺控制，檢修等模式下快速切換，以適應(yīng)不同的生產(chǎn)工況條件，在節(jié)能降耗、減員減崗、智能運(yùn)輸、設(shè)備自診自保等方面取得了顯著效果。

2 智能主運(yùn)輸煤流集中控制系統(tǒng)的改造

2.1 改造方案

王家?guī)X煤業(yè)井下智能主運(yùn)輸煤流集中控制系統(tǒng)如圖1。井下智能主運(yùn)輸煤流集中控制系統(tǒng)以自下而上的系統(tǒng)架構(gòu)，依次通過數(shù)據(jù)感知層、PLC 控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、監(jiān)控信息層，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無縫融入礦井現(xiàn)用煤礦綜合監(jiān)測集成平臺。由井下現(xiàn)場監(jiān)控站通過對過程量及現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時測量采集，經(jīng)過PLC 綜合處理后，將數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)場所控設(shè)備，完成設(shè)備的自動啟停；并且通過獨(dú)立工業(yè)以太網(wǎng)經(jīng)井下交換機(jī)送到地面工作站，實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)視監(jiān)控各設(shè)備的當(dāng)前工作狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)及報警狀態(tài)。

圖1 井下智能主運(yùn)輸煤流集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)硬件通信部分依托獨(dú)立控制的光纖工業(yè)以太網(wǎng)，同時完成系統(tǒng)的單機(jī)控制和多部帶式輸送機(jī)的順/逆煤流啟動、順/逆煤流停車的控制和監(jiān)測功能。監(jiān)控系統(tǒng)上位控制主機(jī)使用網(wǎng)絡(luò)平臺將運(yùn)輸系統(tǒng)及配套設(shè)備的狀態(tài)信息和實(shí)時數(shù)據(jù)傳送給調(diào)度室監(jiān)控主機(jī)，調(diào)度監(jiān)控主機(jī)使用組態(tài)軟件實(shí)時動態(tài)顯示運(yùn)輸系統(tǒng)及配套設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和詳細(xì)參數(shù)。管理人員在地面即可掌握主煤流集中控制系統(tǒng)及配套電控系統(tǒng)的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，又可根據(jù)自動化控制信息，實(shí)現(xiàn)井下主煤流集中控制系統(tǒng)及配套電控系統(tǒng)的遙測、遙控，并為礦領(lǐng)導(dǎo)提供生產(chǎn)決策信息。監(jiān)測監(jiān)控主機(jī)可以動態(tài)顯示運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行的模擬圖、運(yùn)行參數(shù)圖表，記錄系統(tǒng)運(yùn)行和故障數(shù)據(jù)，并顯示故障點(diǎn)以提醒操作人員注意。同時，管理人員可以在遠(yuǎn)方對系統(tǒng)運(yùn)行需要調(diào)整的參數(shù)進(jìn)行修改（前提是這參數(shù)在現(xiàn)場能被修改）。

2.2 關(guān)鍵設(shè)備分析

主要采用了以下關(guān)鍵設(shè)備：礦用防爆型計算機(jī)、西門子S7-1200PLC 指令系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、廣天下智能調(diào)速系統(tǒng)、SCADA 組態(tài)軟件、MODBUS 通信設(shè)備、EIP 協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備、Profibus通信設(shè)備、PLC 模擬量模塊。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)和理論分析

智能主運(yùn)輸煤流集中控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場各智能感知層設(shè)備采集的工業(yè)數(shù)據(jù)，經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)處理，完成對主煤流集中控制系統(tǒng)的毫秒級數(shù)據(jù)采集，同時采用SCADA 組態(tài)軟件及西門子S7-1200PLC 指令系統(tǒng)能夠?qū)χ髅毫骷锌刂葡到y(tǒng)數(shù)據(jù)的有序流動進(jìn)行管理。數(shù)據(jù)采集使用了先進(jìn)的數(shù)據(jù)集成方式，通過高效的連通性，通過多種方式連接到設(shè)備和其他系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了將多個廠家的設(shè)備統(tǒng)一到同一控制系統(tǒng)中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時的圖形化監(jiān)控。

該系統(tǒng)同時充分利用了礦用防爆型計算機(jī)的DiretXI0 硬件加速特性，最大限度地利用微軟Windows Presentation Foundation（WPF） 和Silverlight 實(shí)現(xiàn)豐富的2D 和3DHM/SCADA 功能，形成基于現(xiàn)場操作和實(shí)時數(shù)據(jù)的2D 和3D 視圖。該系統(tǒng)的組態(tài)軟件除支持傳統(tǒng)模擬工業(yè)電視信號外，還支持ONVF 協(xié)議，可以直接接入視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軟件與視頻等的雙向報警聯(lián)動。通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，完成數(shù)據(jù)的上傳；通過MODBUS 通信設(shè)備，完成對帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)、變頻器控制系統(tǒng)以及其他具有通信功能的移變和組合開關(guān)等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)方控制；通過EIP 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、Profibus 通信模塊完成對變頻器的集成和數(shù)據(jù)的上傳；通過IO 模塊，將主運(yùn)輸系統(tǒng)中的破碎機(jī)納入集控；通過模擬量模塊滿足張力、油壓信號（2 個AI）的接入，通過一系列的軟硬件集成組合，構(gòu)建成先進(jìn)的、可視化的智能主運(yùn)輸煤流集中控制平臺。

3 應(yīng)用效果分析

王家?guī)X煤業(yè)使用智能主運(yùn)輸煤流集中控制自動化改造系統(tǒng)后，主運(yùn)輸固定崗位全部實(shí)現(xiàn)“無人值守”。該系統(tǒng)的監(jiān)測監(jiān)控、PLC、交換機(jī)、防爆計算機(jī)等設(shè)備主要在24 V 供電條件下運(yùn)行，運(yùn)行成本極低，且該系統(tǒng)操作人員主要為調(diào)度人員8 人，通過自動化平臺即可實(shí)現(xiàn)一鍵啟停操作。地面集控人員能夠更加清晰、直觀和精準(zhǔn)地掌握井下各煤流運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)行情況，能夠?qū)崟r對井下帶式輸送機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行記錄，能夠更迅速、有效地處理和解決生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的各種問題，實(shí)現(xiàn)礦井的安全、高效、自動化運(yùn)行。智能化控制系統(tǒng)由于采用順煤流啟動方式，在原主煤流控制基礎(chǔ)上加以自動化改造，保留原就地啟動方式和控制邏輯，結(jié)合自身情況充分滿足了王家?guī)X煤業(yè)主煤流集中控制系統(tǒng)發(fā)展的需要，在3～5 年內(nèi)領(lǐng)先于同類煤炭行業(yè)相關(guān)技術(shù)。PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有高可靠性、高穩(wěn)定性。此外，PLC 帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC 以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。

智能主運(yùn)輸煤流集中控制自動化改造系統(tǒng)的軟件和硬件配制及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性具有完善的擴(kuò)展整合功能。一方面，在保留原有系統(tǒng)的同時，留有充裕的擴(kuò)展容量；另一方面，系統(tǒng)具有靈活的結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)是由PLC 控制系統(tǒng)、上位工業(yè)計算機(jī)組成一個全方位的計算機(jī)集中控制系統(tǒng)，采用多數(shù)據(jù)接口完成對不同廠家設(shè)備的功能整合，形成了具備監(jiān)測、監(jiān)控、實(shí)時通信、智能調(diào)速自診自保、大數(shù)據(jù)采集等多功能集合的智能化集控系統(tǒng)。同時該系統(tǒng)支持3種主流移動客戶端訪問，除支持PC端訪問外，還支持的移動平臺有蘋果IOS、谷歌Android、微軟WindowsPhone。

4 效益分析

4.1 智能主運(yùn)輸煤流集中控制系統(tǒng)改造前成本

（1）電力消耗。一部主運(yùn)帶式輸送機(jī)全年綜合電力消耗費(fèi)用：455.4 萬元。1500 kW（單部帶式輸送機(jī)綜合功率）×20 h（運(yùn)行時間）×330 d（運(yùn)行天數(shù)）×0.46 元/kW·h（電費(fèi)單價）=455.4 萬元。

（2）人工成本。一部主運(yùn)帶式輸送機(jī)全年人工成本89.1 萬元。

4.2 智能主運(yùn)輸煤流集中控制系統(tǒng)改造后效益

（1）電力消耗。一部主運(yùn)帶式輸送機(jī)全年綜合電力消耗費(fèi)用396.2 萬元。1500 kW（單部帶式輸送機(jī)綜合功率）×20 h（運(yùn)行時間）×330 d（運(yùn)行天數(shù)）×0.46 元/（kW·h）（電費(fèi)單價）×87%=396.2（萬元）。該系統(tǒng)投入后，每部主運(yùn)帶式輸送機(jī)全年可節(jié)約電力消耗費(fèi)用約59.2 萬元，綜合電力消耗降低13%。

（2）人工成本指標(biāo)。該系統(tǒng)投入后每部主運(yùn)帶式輸送機(jī)可減崗1 人，一部主運(yùn)帶式輸送機(jī)全年人工成本為59.4 萬元。3（四班三運(yùn)行工作制）×2（單部帶式輸送機(jī)崗位工）×300（單班單人人工費(fèi)）×330（運(yùn)行天數(shù)）=59.4（萬元）。該系統(tǒng)投入后每部主運(yùn)帶式輸送機(jī)全年可節(jié)約人工成本29.7萬元，人工成本降低33.6%。

5 結(jié)語

智能主運(yùn)輸煤流集中控制自動化改造系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用可結(jié)合礦井實(shí)際情況，進(jìn)行功能擴(kuò)展及延伸，具有較高的實(shí)用性。同時可針對項(xiàng)目工程進(jìn)行分步實(shí)施，不影響自主系統(tǒng)正常運(yùn)行，應(yīng)用效果良好，適用性廣。當(dāng)前，智能主運(yùn)輸煤流集中控制自動化改造系統(tǒng)已經(jīng)在王家?guī)X煤業(yè)進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，效果理想，可為大型礦井以及井下長距離多運(yùn)輸線路主運(yùn)系統(tǒng)的智能集中控制自動化改造提供案例參考。