充填開采物料輸送自動控制系統(tǒng)

孫奇志

（開灤集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河北 唐山 063000）

0 引 言

隨著礦井的持續(xù)開采，礦井儲量正迅速減少，可利用儲量日趨枯竭[1-4]。另外，現(xiàn)有的煤礦中，大部分礦井田范圍地表為數(shù)量眾多且高密度的建筑物，導(dǎo)致了嚴(yán)重的壓煤問題。本文以唐山礦業(yè)公司為例，在剩余可采礦井中，三下（建筑下、鐵路下和水體下） 壓煤所占的比例高達(dá)79.7%。同時，洗煤廠煤矸石年產(chǎn)量巨大，煤矸石在地表大面積的堆放不僅破壞和浪費(fèi)土地資源，而且嚴(yán)重污染環(huán)境[5]?！叭隆眽好骸⒚喉肥幹煤铜h(huán)境保護(hù)成為唐山礦面臨的三大難題，對最大限度的挖掘儲量資源，延長礦井壽命，保證礦井可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義[6]。

煤礦充填工藝是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)高效、環(huán)保、安全的煤礦開采技術(shù)，能夠有效的解決我國在煤炭開采中存在的諸多問題。實(shí)施充填開采，可以消除矸石山對生態(tài)環(huán)境的污染，有效遏制了地表沉陷，保護(hù)地表和地下水資源，避免了地面基礎(chǔ)設(shè)施和建筑物損毀和村莊搬遷。李克針對煤礦充填材料的制備展開研究并形成了一套自動化控制系統(tǒng)[7]；李建民等針對輸送與充填同步控制系統(tǒng)展開研究，但該研究僅僅只針對物料的輸送和計(jì)量展開，其精度和效率有待提升，并且沒有形成于一套全流程的自動化控制系統(tǒng)[9]；鄧興全等針對金礦制備了一套充填自動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)開采自動化、數(shù)字化[10]。

基于上述煤礦區(qū)存在的問題和現(xiàn)有解決方法的不足，以唐山礦為研究對象，研發(fā)并優(yōu)化了一套充填開采物輸送自動控制系統(tǒng)，主要從以下2 個方面研究：開發(fā)煤礦充填開采輔助管理系統(tǒng)客戶端，顯示皮帶秤數(shù)據(jù)、雷達(dá)物位計(jì)數(shù)據(jù)、矸石配比預(yù)警、配比指令；建設(shè)皮帶監(jiān)控系統(tǒng)，完成開采區(qū)出煤方向多條膠帶機(jī)自動化控制，接入進(jìn)矸方向集控箱，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一集中控制。

1 系統(tǒng)的硬件平臺設(shè)計(jì)

煤礦充填開采物料輸送自動控制系統(tǒng)的硬件平臺設(shè)計(jì)以技術(shù)先進(jìn)、系統(tǒng)實(shí)用、結(jié)構(gòu)合理、產(chǎn)品主流、低成本、低維護(hù)量為原則，整體規(guī)劃系統(tǒng)硬件構(gòu)架。硬件平臺建設(shè)分為3 層架構(gòu)，包括礦用隔爆兼本安型信息傳輸分站和監(jiān)控分站、網(wǎng)絡(luò)平臺集成及布線、地面監(jiān)控中心，最終形成從地面到井下穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)。

硬件平臺由地面和井下設(shè)備組成，系統(tǒng)地面設(shè)備主要有監(jiān)控主機(jī)、備用機(jī)、UPS 電源、計(jì)算機(jī)軟件（包括操作系統(tǒng)、中心站軟件、應(yīng)用程序及其存貯介質(zhì)） 以及打印機(jī)、遠(yuǎn)程終端等；井下設(shè)備主要由KJJ660 礦用型隔爆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、DXB660/220 礦用隔爆型電源箱、KJ586-F 礦用隔爆兼本安型信息傳輸主站、KJ586-F1 礦用隔爆兼本安型膠帶運(yùn)輸監(jiān)控分站、傳感器、執(zhí)行器（含斷電器）、接線盒及通信光纜及電纜等組成。

該平臺采用PLC 作為主處理器，設(shè)計(jì)上采用了模塊化結(jié)構(gòu)。硬件簡單合理，增強(qiáng)了整體的抗干擾能力和可靠性。該平臺采用急停開關(guān)、溫度傳感器、堆煤傳感器、撕裂傳感器、信號轉(zhuǎn)換器、煙霧傳感器、速度傳感器、電磁閥等設(shè)備對帶式輸送機(jī)沿路進(jìn)行保護(hù)，將采集的信號送入可編程控制器進(jìn)行運(yùn)算判斷處理。當(dāng)帶式輸送機(jī)在運(yùn)行時出現(xiàn)超溫、跑偏、打滑等故障時，控制器輸出控制端通過子輸出控制信號對電磁啟動器進(jìn)行開?？刂疲姶艈悠鞯拈_?？刂茷⑺b置或皮帶電機(jī)的啟停，在實(shí)現(xiàn)安全制動的同時，實(shí)時將現(xiàn)場信息在上位機(jī)上顯示，通過聲光報警的方式報告異常信息。系統(tǒng)連接圖如圖1 所示。

圖1 硬件平臺系統(tǒng)連接Fig.1 Hardware platform system connection

1.1 信息傳輸

KJ586-F 礦用隔爆兼本安型信息傳輸分站是依據(jù)相關(guān)的煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)生產(chǎn)，用于實(shí)現(xiàn)模擬量和開關(guān)量的采集和繼電器輸出控制功能。

信息傳輸分站內(nèi)置高性能西門子PLC，能夠?qū)崟r進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。通訊方式采用TCP/IP 方式（用于和配套的交換機(jī)通信） 和CONTROLNET（用于和配套的監(jiān)控分站和顯示屏通信）。信息傳輸分站可置于煤礦井下，用于監(jiān)測井下各種環(huán)境參數(shù)、設(shè)備開停狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)對被控電氣設(shè)備的起動、斷電以及閉鎖的控制。如圖2 所示。

圖2 信息傳輸原理Fig.2 Information transmission principle

1.2 數(shù)據(jù)監(jiān)控

數(shù)據(jù)監(jiān)控分站的原理是將現(xiàn)場的開關(guān)量、模擬量信號采集到可編程控制器內(nèi)，信息傳輸分站的CPU 對數(shù)據(jù)監(jiān)控分站采集的信息進(jìn)行讀取、存儲、處理等操作，然后對分站發(fā)送控制信號；分站將收到的控制信號通過數(shù)字量輸出模塊控制繼電器輸出，從而啟動或停止膠帶電機(jī)的啟動和停止，達(dá)到控制現(xiàn)場設(shè)備開停的目的。

數(shù)據(jù)監(jiān)控分站由控制網(wǎng)模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入模塊組成。模擬量輸入模塊的功能是實(shí)時采集相關(guān)參數(shù)，開關(guān)量模塊的功能是顯示、控制設(shè)備狀態(tài)等，各種輸入/ 輸出信號的采集、輸出、儲存和轉(zhuǎn)發(fā)均需要通過信息傳輸分站內(nèi)的CPU 編程實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)監(jiān)控分站監(jiān)控原理如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)監(jiān)控原理Fig.3 Data monitoring principle

1.3 應(yīng)用設(shè)計(jì)

系統(tǒng)接入唐山礦8 煤層矸石主運(yùn)集控系統(tǒng)，通過采集計(jì)量數(shù)據(jù)，指導(dǎo)矸石來料的配比。系統(tǒng)提供控制要求，由混矸集控室實(shí)現(xiàn)矸石按比例混合。

根據(jù)唐山礦實(shí)際情況，硬件平臺需要增設(shè)的設(shè)備包括膠帶運(yùn)輸監(jiān)控站、皮帶秤設(shè)備3 套、煤位計(jì)2 套、皮帶沿線保護(hù)傳感器等。3 套皮帶秤設(shè)備分別安裝在264 皮帶機(jī)頭、3 號膠帶機(jī)皮帶機(jī)尾和6 號膠帶機(jī)皮帶機(jī)頭；煤位計(jì)分別安裝在投料井下口矸石倉、214 主矸石倉；雷達(dá)物位計(jì)安裝在投料井、分選矸石倉。各增設(shè)設(shè)備安裝位置如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)計(jì)量傳感器設(shè)備安裝位置Fig.4 Installation position of system metering sensor equipment

2 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

基于Windows 系統(tǒng)和組態(tài)軟件平臺進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。軟件采用多層次的Client/Server 結(jié)構(gòu)，利用PowerBuilder 等進(jìn)行前端的開發(fā)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用SQL Server 等，并為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供多種數(shù)據(jù)接口。

2.1 開發(fā)架構(gòu)設(shè)計(jì)

煤礦充填開采物料輸送自動控制系統(tǒng)是在皮帶集控、電子稱計(jì)量和礦壓信息監(jiān)測專業(yè)應(yīng)用平臺的基礎(chǔ)上，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的專業(yè)應(yīng)用。系統(tǒng)整體基于組態(tài)軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)高效的交互軟件平臺開發(fā)，平臺中的Active X 控件的強(qiáng)大功能，可以有效彌補(bǔ)其他語言圖形處理能力的不足，并能在瀏覽器中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁圖形編輯。圖形平臺負(fù)責(zé)將各種系統(tǒng)數(shù)據(jù)以圖形化的方式展現(xiàn)出來，具備靈活的二次開發(fā)接口。平臺的人機(jī)界面（HMI） 和WEB 發(fā)布功能選用性價比優(yōu)秀的KingView6.55 組態(tài)軟件，使用更簡潔，功能強(qiáng)大。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)與系統(tǒng)集成

系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)時，充分考慮信息管理平臺的應(yīng)用性和功能性。系統(tǒng)平臺分為充填響應(yīng)、備矸集成、電子稱計(jì)量、礦壓監(jiān)測、視頻聯(lián)動、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和充填預(yù)警7 個功能模塊。

系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)編程、操作診斷等全過程組態(tài)應(yīng)用，采用統(tǒng)一的圖形窗口，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)，使得使用者可以輕松上手。實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一，項(xiàng)目中的符號、變量等也保持一致。模塊化的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)操作更加清晰直接。

由于數(shù)據(jù)傳輸采用Internet 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此需要嚴(yán)格保證數(shù)據(jù)管理安全，需要對用戶權(quán)限進(jìn)行嚴(yán)格限制。系統(tǒng)采用用戶層、操作系統(tǒng)層等5 層安全數(shù)據(jù)控制構(gòu)架，具體構(gòu)架如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全控制體系Fig.5 System data security control system

3 系統(tǒng)應(yīng)用

利用唐山礦業(yè)公司煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場對研發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)合唐山煤業(yè)公司現(xiàn)有混矸系統(tǒng)，投入在線檢測設(shè)備皮帶稱、矸石倉雷達(dá)物位計(jì)和網(wǎng)絡(luò)攝像頭，通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)粗細(xì)矸石配比的監(jiān)控和預(yù)警。對出煤方向膠帶機(jī)自動控制并接入運(yùn)矸方向集控箱，實(shí)現(xiàn)出煤皮帶的就地、集中、遠(yuǎn)程控制，并檢測出煤皮帶實(shí)時數(shù)據(jù)。對進(jìn)矸方向設(shè)備集中、遠(yuǎn)程控制。

用戶登錄后進(jìn)入系統(tǒng)的主界面，如圖6 所示。其中導(dǎo)航條包括充填響應(yīng)、備矸響應(yīng)、電子稱計(jì)量、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、用戶登陸、用戶注銷、退出系統(tǒng)。

圖6 系統(tǒng)主界面Fig.6 System main interface

系統(tǒng)的功能界面可以顯示該系統(tǒng)的整體工藝。系統(tǒng)可以在界面中實(shí)時顯示相應(yīng)設(shè)備的動態(tài)信息及運(yùn)行參數(shù)（圖7），調(diào)度員可以通過系統(tǒng)及時查看相應(yīng)的實(shí)時數(shù)據(jù)。

圖7 皮帶參數(shù)信息顯示Fig.7 Display of belt parameter information

備矸響應(yīng)系統(tǒng)的功能界面可以顯示該系統(tǒng)的井上及井下設(shè)備的所有工藝流程，如圖8 所示。設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)會實(shí)時在系統(tǒng)中進(jìn)行顯示，設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)也會同步進(jìn)行更新顯示，在備矸響應(yīng)系統(tǒng)中可以隨時計(jì)算并查詢“粗細(xì)矸量比”，并據(jù)此進(jìn)行“粗細(xì)矸量設(shè)定”，實(shí)現(xiàn)混矸設(shè)備聯(lián)合控制。

圖8 備矸集成界面Fig.8 Integrated interface of gangue preparation

皮帶稱流量的實(shí)際應(yīng)用效果如圖9 所示，可以準(zhǔn)確顯示備矸量、進(jìn)矸量和出煤量。

圖9 皮帶稱流量的應(yīng)用Fig.9 Application effect diagram of belt weighing flow

系統(tǒng)可以實(shí)時動態(tài)監(jiān)視矸石、原煤中皮帶電子稱的運(yùn)行狀態(tài)、流量、班產(chǎn)量、日產(chǎn)量、月產(chǎn)量、累積量等數(shù)據(jù)信息，如圖10 所示。

圖10 電子稱計(jì)量界面Fig.10 Electronic weighing interface

在實(shí)際生產(chǎn)中的夯實(shí)壓力數(shù)據(jù)會在系統(tǒng)中進(jìn)行精確的顯示，如圖11 所示。

圖11 夯實(shí)壓力數(shù)據(jù)Fig.11 Compact pressure data

自動控制系統(tǒng)可以查看生產(chǎn)實(shí)際中的出煤進(jìn)矸比例，提升了工作效率，如圖12 所示。

圖12 進(jìn)矸出煤量Fig.12 Incoming gangue and outgoing coal

通過在實(shí)際礦井中的使用結(jié)果顯示，充填開采物輸送自動控制系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性都得到了有效的驗(yàn)證。自動化設(shè)備及系統(tǒng)的應(yīng)用會使出煤方向減少4 個崗位工人，實(shí)現(xiàn)充填開采的數(shù)字化、智能化。

4 結(jié) 語

為解決煤礦區(qū)現(xiàn)有的“三壓”、煤礦伴生資源利用率等問題，本文基于唐山礦的具體情況，研究了一套充填開采物料輸送自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更加精確的物料輸送，并實(shí)現(xiàn)充填數(shù)據(jù)的實(shí)時精確計(jì)算。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了物料的實(shí)時管理，備矸的查詢及使用預(yù)測，并能分析出煤進(jìn)矸比例、異常預(yù)警等功能。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了物料的充填、輸送全流程的自動控制。