基于雙網(wǎng)冗余通信的礦用帶式輸送機集控系統(tǒng)開發(fā)

于建軍

(山西焦煤 西山煤電集團, 山西 太原 030024)

礦用帶式輸送機是煤礦開采過程中至關(guān)重要的設(shè)備,用于完成礦井中原煤輸送的工作。帶式輸送機具有結(jié)構(gòu)簡單靈活、運輸效率高的特點,可以適應(yīng)復(fù)雜惡劣的井下工作環(huán)境。但是為了配合礦井巷道分布和走向,通常需要多部帶式輸送機配合,這些帶式輸送機的啟停傳統(tǒng)上需要各自的操作人員通過電話、對講設(shè)備聯(lián)絡(luò)溝通控制,不但效率低,而且存在安全隱患。同時,帶式輸送機人工沿線巡檢費時費力,也不利于礦井生產(chǎn)“少人則安、無人則安”的發(fā)展目標。為此,根據(jù)我國《“十四五”規(guī)劃綱要》和山西省對于煤礦生產(chǎn)裝備信息化、自動化、智能化發(fā)展的任務(wù)要求,設(shè)計和開發(fā)了基于PLC控制器的礦用帶式輸送機集中控制系統(tǒng),實現(xiàn)多部輸送機的信息采集和集中控制,并對晉興能源斜溝煤礦的帶式輸送機設(shè)備進行改造升級,對所開發(fā)系統(tǒng)進行試驗。

1 集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

帶式輸送機集控系統(tǒng)包括地面和井下部分。地面部分布置在煤礦地面調(diào)度中心,主要由兩臺操作分站組成;井下部分由PLC控制器、視頻攝像儀、4G通信主站和信息采集器組成。其中,信息采集器集成有4G通信模塊,通過4G模塊接入井下4G無線網(wǎng)絡(luò),將數(shù)據(jù)上傳至4G通信主站。而地面調(diào)度中心操作分站、井下PLC控制器、視頻攝像儀、4G通信主站則通過有線網(wǎng)絡(luò)進行連接通信。

我國礦井中,井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)相當成熟,可以連接井下設(shè)備和地面設(shè)備,完成數(shù)據(jù)信息向調(diào)度中心匯總、控制命令向現(xiàn)場下發(fā)等任務(wù)。同時,礦井設(shè)備也常用CAN總線、Profibus-DP總線等現(xiàn)場總線進行通信[1-2]. 井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)、DP總線、CAN總線的特點對比見表1.

表1 通信方式特點對比表

由于地面調(diào)度中心操作分站與井下PLC控制器等設(shè)備距離很遠,不適宜采用CAN總線方式連接。DP總線和井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)都可以滿足帶式輸送機集控系統(tǒng)的通信距離要求。但是,井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)接入設(shè)備多,傳輸任務(wù)重,網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜,存在實時性不夠好、可靠性不夠高的問題,難以完全滿足帶式輸送機集控系統(tǒng)的控制通信需求;而DP總線則帶寬較低,不能勝任視頻信號傳輸任務(wù)。為此,設(shè)計了帶式輸送機集控系統(tǒng)雙網(wǎng)冗余通信網(wǎng)絡(luò)。其中DP總線連接所有PLC控制器和地面操作分站,傳輸控制命令和關(guān)鍵狀態(tài)信息,組成DP控制專網(wǎng);地面調(diào)度中心操作分站、井下PLC控制器、視頻攝像儀、4G通信主站分別通過相應(yīng)位置的網(wǎng)絡(luò)交換機接入井下工業(yè)環(huán)網(wǎng),對DP專網(wǎng)形成冗余備份,視頻信號和詳細狀態(tài)信息經(jīng)井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)傳輸,同時在DP專網(wǎng)中斷時進行控制命令的臨時傳輸,保證網(wǎng)絡(luò)連續(xù)性和通信可靠性。帶式輸送機集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1.

2 集控系統(tǒng)軟件開發(fā)

帶式輸送機集控系統(tǒng)位于地面調(diào)度中心的操作分站作為井下PLC控制器的上位機,向各個PLC控制器發(fā)送控制命令實現(xiàn)對各部帶式輸送機的集中控制;同時,操作分站對帶式輸送機的狀態(tài)信息、視頻信號進行匯總顯示。操作分站軟件滿足以下控制和信息顯示功能要求：

1) 上位機軟件由工藝監(jiān)控界面、視頻監(jiān)控界面、檢修巡視界面、參數(shù)設(shè)置界面、異常報警界面等組成。

2) 工藝監(jiān)控界面和視頻監(jiān)控界面可以顯示帶式輸送機工況的模擬畫面或視頻畫面,并可以顯示出帶式輸送機電機電流、電壓、功率、頻率、繞組溫度、軸承溫度等傳感器實時參數(shù)。

3) 工藝監(jiān)控界面和視頻監(jiān)控界面可以對各部帶式輸送機進行啟動、停車控制,并具有設(shè)備和輔機集中聯(lián)鎖一鍵啟動、一鍵停車功能。

4) 參數(shù)設(shè)置界面可以設(shè)置帶式輸送機的張緊參數(shù)、軟啟動加速度、停車抱閘臨界速度等工作參數(shù)[3]和各傳感器參數(shù)異常報警閾值。

5) 異常報警界面可以在帶式輸送機工況異常時自動彈出報警信息、顯示異常狀態(tài)量或堆煤、煙霧、二級跑偏、縱撕、制動故障、張緊故障等故障狀態(tài),并具有一鍵急停功能。

6) 檢修巡視界面可以顯示帶式輸送機工況的模擬畫面或視頻畫面、狀態(tài)參數(shù),并具有指定單條皮帶低速驗帶運行功能。

為實現(xiàn)上述功能,選用了vSphere集成容器軟件環(huán)境開發(fā)上位機軟件。vSphere是一種云端和本地相結(jié)合的負載部署和運行維護平臺。開發(fā)的帶式輸送機集控系統(tǒng)上位機軟件,利用vSphere平臺的虛擬化特性,實現(xiàn)了集控系統(tǒng)軟件的快速部署和安全防護,并降低了后續(xù)維護和升級的難度。調(diào)度中心上位機人機界面示意圖見圖2.

圖2 調(diào)度中心人機界面示意圖

如圖2,集控系統(tǒng)各個軟件界面可以分別顯示在多個顯示屏上,也可以在一塊顯示屏上以獨占、畫中畫、分屏等方式顯示,并根據(jù)需要隨時切換前臺界面和后臺界面。所開發(fā)的集控系統(tǒng)軟件實際界面見圖3.

3 信息采集器設(shè)計

帶式輸送機長度長、組成部件多,狀態(tài)信息采集有一定困難。因此,設(shè)計了多種方式對不同來源、位置的狀態(tài)信息進行采集,以適應(yīng)帶式輸送機工況、提高采集效率、降低操作難度。

帶式輸送機機頭是主要部件所在位置和就地操作主要位置,集控系統(tǒng)PLC控制器安裝在機頭位置,輸送機電機作為主要被檢對象,也安裝在機頭位置。因此,針對帶式輸送機機頭、給煤機等布置有PLC控制器的位置,設(shè)計布置了有線傳感器,對輸送機電機電流、電壓、功率、頻率、繞組溫度、軸承溫度等進行采集。

針對遠離PLC控制器的位置,由于距離長、范圍大,布置傳感器存在通信困難、數(shù)量多、成本高等問題,開發(fā)了移動式的信息采集設(shè)備,搭載傳感設(shè)備對帶式輸送機各部位進行巡檢和信息采集[4-6].

3.1 智能巡檢機器人

帶式輸送機坡道段,尤其是主井皮帶段人行困難,事故影響范圍大、后果重,設(shè)計了智能巡檢機器人進行自動巡檢。智能巡檢機器人行走在帶式輸送機沿線加裝的軌道上[7].

智能巡檢機器人主要由云臺攝像頭、傳感設(shè)備、數(shù)據(jù)處理單元、4G通信模塊、鋰電池和行走部組成,其傳感設(shè)備搭載有拾音器、煙霧感應(yīng)器、紅外溫度感應(yīng)器、甲烷傳感器、電壓感應(yīng)管理芯片等。智能巡檢機器人組成結(jié)構(gòu)見圖4.

圖4 巡檢機器人結(jié)構(gòu)示意圖

通過攝像頭和傳感設(shè)備,智能巡檢機器人可實現(xiàn)如下功能：

1) 巡檢機器人通過攝像頭對帶式輸送機沿線進行攝影和攝像,彌補固定攝像儀覆蓋死角,并由數(shù)據(jù)處理單元對拍攝圖像進行圖像識別處理,識別漏水、漏油、跑偏等故障并報警。

2) 拾音器采集現(xiàn)場聲音,由數(shù)據(jù)處理單元濾波并對其頻譜進行分析,提取特征量,識別帶式輸送機震動、轉(zhuǎn)速、負載等信息,對帶式輸送機運行狀況進行監(jiān)測,對于異常狀況進行報警。

3) 煙霧感應(yīng)器、溫度傳感器、甲烷傳感器分別監(jiān)測現(xiàn)場煙霧、設(shè)備溫度、甲烷濃度,對采集到的數(shù)據(jù)進行上傳、存儲,并進行超限報警。

4) 電壓感應(yīng)管理芯片監(jiān)測機器人供電鋰電池組的供電電壓情況,并在電量不足時發(fā)出信號,使機器人自動返回基站充電,同時記錄巡檢日志,充電完成后進行斷點續(xù)檢。

5) 巡檢機器人除對帶式輸送機沿線進行計劃巡檢外,也可在集控系統(tǒng)上位機分析判斷帶式輸送機故障時,自動前往預(yù)測故障位置進行定點檢測,同時也可以人工操作其對指定位置和區(qū)域進行巡檢。

3.2 人工點檢儀

針對帶式輸送機平直段,為了平衡設(shè)備成本,采用手持式點檢儀進行人工巡檢。相比于智能巡檢機器人,人工點檢儀精簡了運行軌道、行走部、攝像頭等硬件,成本和重量均大幅度降低。

人工點檢儀同樣具有拾音器、煙霧感應(yīng)器、紅外溫度感應(yīng)器、甲烷傳感器等傳感設(shè)備和4 G通信模塊,可以對沿線數(shù)據(jù)進行采集、上傳,并進行超限報警。

4 晉興能源斜溝煤礦帶式輸送機控制系統(tǒng)改造

晉興能源斜溝煤礦具有兩條主斜井,分別服務(wù)上下兩個水平、7個采區(qū)。上水平11采區(qū)下運帶式輸送機服務(wù)11采區(qū),12采區(qū)上運帶式輸送機服務(wù)12采區(qū),+700 m北翼一部、二部、三部帶式輸送機及15采區(qū)下運帶式輸送機服務(wù)小井15采區(qū),+700 m南翼帶式輸送機服務(wù)正在開拓的13采區(qū)。5路集中帶式輸送機將4個采區(qū)采掘面生產(chǎn)的原煤運輸至8#煤井底煤倉,再經(jīng)1#主斜井強力帶式輸送機運輸至1#上倉帶式輸送機,最后經(jīng)1#上倉刮板輸送機運輸至地面原煤倉。下水平21采區(qū)下運帶式輸送機服務(wù)21采區(qū),將21采區(qū)采掘面生產(chǎn)的原煤運輸至13#煤井底煤倉,再經(jīng)2#主斜井強力帶式輸送機運輸至2#上倉帶式輸送機,最后經(jīng)2#上倉刮板輸送機運輸至地面原煤倉。1#主斜井和2#主斜井煤流示意圖和帶式輸送機布置情況見圖5.

圖5 斜溝煤礦帶式輸送機布置情況和煤流示意圖

針對該礦帶式輸送機在井下分布情況,將開發(fā)的帶式輸送機集控系統(tǒng)設(shè)備布置到井下各點位,在各部皮帶機頭增加PLC控制器,對原有的PLC控制器進行程序升級或設(shè)備替換。PLC控制器布置情況見表2. 根據(jù)井下巷道實際情況,布置視頻攝像儀,布置點位見表3.

表2 PLC控制器布置情況表

表3 視頻攝像儀布置情況表

將全部設(shè)備在地面調(diào)度中心和井下布置到位后,經(jīng)過試驗,證明系統(tǒng)在調(diào)度中心操作分站上實現(xiàn)了對斜溝煤礦全部帶式輸送機的集中控制,并實現(xiàn)了以下控制功能：

1) 集中遠程控制。接收來自調(diào)度中心的起車和停車指令,在地面操作分站上操作,全部帶式輸送機自動按順序起動、運行、聯(lián)鎖與保護、停車,完成整個皮帶及相關(guān)輔機的集中聯(lián)鎖起車,對整個起停過程進行控制和監(jiān)測,可調(diào)試完成順起順停,以利節(jié)能。

2) 單機遠程控制。在調(diào)度中心控制指定帶式輸送機啟動或停車。

3) 急?？刂啤．斦{(diào)度中心發(fā)出一鍵急停命令,或系統(tǒng)檢測到帶式輸送機出現(xiàn)緊急停車故障如急停閉鎖、堆煤、煙霧、二級跑偏、縱撕、制動故障、張緊等時,系統(tǒng)自動控制主電機立即停止運行,待皮帶速度降至參數(shù)設(shè)定值時,控制抱閘,實現(xiàn)緊急停車。

4) 就地控制。由井下司機根據(jù)生產(chǎn)要求在就地操作臺發(fā)出開、停車指令,同時將信息上傳反饋至地面調(diào)度中心。

應(yīng)用該帶式輸送機集控系統(tǒng)后,斜溝煤礦的全套帶式輸送機控制人員由原有的每套輸送機配備2—3名操作人員,轉(zhuǎn)變?yōu)橛?名專職司機加4名技術(shù)骨干組成的6人操作小組,分別進行調(diào)度中心集中控制和井下沿線巡檢工作,操作人員減少20余人。同時,一鍵啟停集中控制功能使得啟動和停車時間大幅降低,提升了生產(chǎn)效率。另外,在系統(tǒng)試運行過程中,計劃外停車時間相較于系統(tǒng)應(yīng)用前也有所減少。

5 結(jié)論與展望

針對礦用帶式輸送機啟停配合困難、操作人員多、生產(chǎn)效率不夠高等問題,設(shè)計了一套礦用帶式輸送機集中控制系統(tǒng),達成了地面調(diào)度中心對井下帶式輸送機的全面狀態(tài)監(jiān)測、視頻監(jiān)控、集中控制和一鍵啟停,并利用冗余雙網(wǎng)提高了通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性;同時開發(fā)了一套智能巡檢機器人設(shè)備,實現(xiàn)了帶式輸送機沿線自動巡檢、信息采集和報警功能。系統(tǒng)在晉興能源斜溝煤礦進行工業(yè)試驗和試運行,減少了該礦帶式輸送機操作工人數(shù)量,提高了啟停速度,降低了計劃外停車時間,達到了減人增效的目的。

在系統(tǒng)設(shè)計過程中,為了平衡設(shè)備成本、人力成本和監(jiān)測效果,采用了有線傳感器、智能機器人巡檢和人工點檢儀巡檢相結(jié)合的信息采集方式。在進一步的研究中,應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),開發(fā)低成本、長續(xù)航的無線傳感器,對帶式輸送機沿線進行全面感知,可以進一步降低設(shè)備成本、減少巡檢人員,實現(xiàn)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全性的進一步提升。