張照允，李 浩，王 磊，金 勇，胡亞洲

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東 濟(jì)寧 272102；2.南京北路自動(dòng)化系統(tǒng)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 211161；3.東南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

1 煤礦安全系統(tǒng)研究背景

煤礦井下掘進(jìn)巷道工作環(huán)境惡劣，條件變化大，危險(xiǎn)程度高，然而此處又是煤礦生產(chǎn)過程中必不可少的重要場(chǎng)所之一。如果在此處工作的系統(tǒng)發(fā)生故障，整個(gè)礦井的生產(chǎn)都將會(huì)受到影響，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致整個(gè)煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)癱瘓甚至威脅到井下工作人員的生命安全。

為了提高煤礦掘進(jìn)巷道監(jiān)控系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)巷道的少人化值守，從而達(dá)到減員增效、提高礦井自動(dòng)化程度和安全程度的目的，本文設(shè)計(jì)了一種煤礦井下掘進(jìn)巷道安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用主站加多個(gè)監(jiān)控站的控制方式， 我們的主要任務(wù)是系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)、主站及監(jiān)控站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以及系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行調(diào)試工作。

2 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括主站、監(jiān)控站和擴(kuò)音電話3部分。

主站是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，是現(xiàn)場(chǎng)信息采集與控制指令發(fā)出的核心設(shè)備；完成整個(gè)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理、邏輯判斷與控制，以及對(duì)監(jiān)控站、擴(kuò)音電話等設(shè)備的控制；同時(shí)還具備實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)各個(gè)傳感器等設(shè)備的狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)的功能；此外，主站還負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的通信組網(wǎng)以及與以太網(wǎng)交換機(jī)的連接等。

監(jiān)控站實(shí)際上是主站的在掘進(jìn)巷道中的延伸，其主要任務(wù)是隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，對(duì)新增加的運(yùn)輸設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備等進(jìn)行綜合控制和保護(hù)?？紤]到掘進(jìn)巷道環(huán)境惡劣，設(shè)備安裝、移動(dòng)和調(diào)試的復(fù)雜，監(jiān)控站在具備主站部分控制功能的同時(shí)，還有體積小、易安裝和操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。

掘進(jìn)巷道沿線設(shè)備運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，對(duì)設(shè)備的啟停過程進(jìn)行語音提示不僅可以提高工作的效率，而且大大地提高了巷道的安全程度。工作人員通過擴(kuò)音電話進(jìn)行語音聯(lián)系、匯報(bào)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及在出現(xiàn)緊急情況時(shí)及時(shí)通知系統(tǒng)沿線的其他工作人員。此外，皮帶沿線傳感器信號(hào)可直接接入擴(kuò)音電話，通過擴(kuò)音電話實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，來自監(jiān)控站的控制信號(hào)也可以通過擴(kuò)音電話發(fā)送至皮帶機(jī)，從而減少了線纜敷設(shè)量。因此，擴(kuò)音電話在掘進(jìn)巷道中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

主站及監(jiān)控站周邊都部署有多個(gè)設(shè)備及傳感器，主站與監(jiān)控站之間、主站與擴(kuò)音電話之間、監(jiān)控站與擴(kuò)音電話之間通過線纜進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而共同完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理、設(shè)備控制、通信組網(wǎng)等功能。系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

掘進(jìn)巷道安全集控系統(tǒng)主要涉及主站的設(shè)計(jì)、監(jiān)控站的設(shè)計(jì)和智能擴(kuò)音電話設(shè)計(jì)[1-2]。本文的研究重點(diǎn)是主站和監(jiān)控站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

3 監(jiān)控系統(tǒng)主站軟硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 功能設(shè)計(jì)

監(jiān)控主站作為整個(gè)集控系統(tǒng)的核心設(shè)備，是系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。本系統(tǒng)具備自動(dòng)控制、集中手動(dòng)控制和檢修等工作方式。自動(dòng)控制是在整個(gè)皮帶機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中所有設(shè)備都在聯(lián)控狀態(tài)下的一種工作方式，手動(dòng)控制是在整個(gè)皮帶機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中所有設(shè)備都在單控狀態(tài)下的一種控制方式。就地集中自動(dòng)控制通過監(jiān)控主站的按鈕，一鍵實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)集控系統(tǒng)所有設(shè)備的自動(dòng)連鎖控制，就是完全由主站根據(jù)設(shè)定的邏輯過程對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行集中自動(dòng)控制，各設(shè)備的運(yùn)行滿足連鎖邏輯的要求，所有保護(hù)均投入使用。當(dāng)系統(tǒng)處于檢修狀態(tài)時(shí)，操作臺(tái)及遠(yuǎn)程監(jiān)控站均無法操作皮帶機(jī)啟停，保證皮帶機(jī)檢修期間檢修人員的人身安全。當(dāng)主站的控制器發(fā)生故障或設(shè)備調(diào)試等特殊情況下，可通過監(jiān)控主機(jī)上的按鈕實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)手動(dòng)制停。

圖1 集控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

據(jù)煤礦皮帶機(jī)集控系統(tǒng)的控制要求，皮帶機(jī)自動(dòng)控制依據(jù)以下原則：逆煤流啟動(dòng)，順煤流停車；本臺(tái)皮帶機(jī)停止后，來煤方向皮帶機(jī)應(yīng)立即停車。任意一條皮帶機(jī)若存在兩個(gè)以上的來煤皮帶機(jī)，則所有來煤皮帶機(jī)與該皮帶機(jī)相互閉鎖；在皮帶機(jī)接到報(bào)警信號(hào)后（如堆煤、跑偏、撕裂等）應(yīng)立即停車，也可對(duì)一些報(bào)警信號(hào)進(jìn)行只報(bào)警不停車處理。

3.2 設(shè)備選型

根據(jù)主站功能的要求，需要選擇合適的硬件設(shè)備，才能實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的功能。設(shè)備選型主要包括主控單元的選擇和顯示設(shè)備的選擇。

3.2.1 主控單元選型

本系統(tǒng)選用西門子S7-200系列可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）[3]作為系統(tǒng)主控單元，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量輸入輸出和模擬量信號(hào)處理要求，同時(shí)配置以太網(wǎng)通信模塊，作為控制系統(tǒng)的主干通信網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)少人化掘進(jìn)巷道沿線設(shè)備集中連鎖控制，并對(duì)沿線設(shè)備進(jìn)行全面的數(shù)據(jù)采集[4]。

3.2.2 顯示設(shè)備選型

本次設(shè)計(jì)采用北京昆侖通泰人機(jī)界面，是一套以先進(jìn)的Cortex-A8 CPU為核心（主頻600 MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用了10.2英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率1 024×600），四線電阻式觸摸屏（分辨率4 096×4 096）。同時(shí)還預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件[5]，具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能；通過組態(tài)軟件開發(fā)掘進(jìn)巷道安全集控系統(tǒng)監(jiān)控畫面，實(shí)現(xiàn)顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和保護(hù)傳感器的狀態(tài)，軟件具備設(shè)備運(yùn)行記錄查詢，報(bào)警信息查看，軟件參數(shù)設(shè)置等功能。

3.3 架構(gòu)設(shè)計(jì)

主站作為集控系統(tǒng)的核心設(shè)備，需具備復(fù)雜的邏輯編程控制能力。因此，我們選取PLC作為控制核心，PLC具備以太網(wǎng)接口、RS485通信接口、開發(fā)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）轉(zhuǎn)RS485通信接口，實(shí)現(xiàn)PLC和智能擴(kuò)音電話的數(shù)據(jù)通信。皮帶沿線的擴(kuò)音電話通過CAN總線和PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，皮帶沿線的傳感器就近接入到擴(kuò)音電話內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)整條皮帶沿線一條CAN總線通信，系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)潔。主機(jī)含有10寸人機(jī)顯示屏，實(shí)時(shí)顯示皮帶系統(tǒng)傳感器保護(hù)狀態(tài)，面板的操作按鈕可以對(duì)皮帶進(jìn)行集中控制。監(jiān)控系統(tǒng)主站結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控主站結(jié)構(gòu)

3.4 軟件流程設(shè)計(jì)

主站系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要完成皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制和相應(yīng)的故障處理、應(yīng)急處理，同時(shí)響應(yīng)人機(jī)交互指令，為上位機(jī)提供皮帶運(yùn)行中實(shí)時(shí)的狀態(tài)信號(hào)與參數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，軟件設(shè)計(jì)的主要流程如圖3所示。

圖3 主站軟件設(shè)計(jì)流程

4 監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)控站的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 功能設(shè)計(jì)

掘進(jìn)巷道皮帶和刮板機(jī)隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，不斷進(jìn)行延伸、設(shè)備移動(dòng)或者增加新的運(yùn)輸設(shè)備，皮帶進(jìn)行延伸需要增加皮帶沿線的擴(kuò)音電話和急停開關(guān)，增加新的皮帶需要增加新的監(jiān)控分站進(jìn)行皮帶綜合保護(hù)；掘進(jìn)巷道設(shè)備移動(dòng)、增加需要進(jìn)行快速調(diào)試或者免調(diào)試滿足掘進(jìn)工作面生產(chǎn)的需要；同時(shí)掘進(jìn)巷道沿線設(shè)備運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備啟停過程需要進(jìn)行語音提示，人員需要通過擴(kuò)音電話進(jìn)行語音聯(lián)系。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和對(duì)煤炭安全規(guī)程分析，皮帶監(jiān)控分站需要具備以下功能。

（1）皮帶機(jī)綜合保護(hù)裝置需要具備皮帶機(jī)完善的保護(hù)功能，產(chǎn)品需要具有打滑、堆煤、超溫、跑偏、煙霧、撕裂、急停、張緊、灑水等保護(hù)功能。

（2）監(jiān)控分站采用CAN總線通信，監(jiān)控分站可以通過CAN總線接入擴(kuò)音電話，實(shí)現(xiàn)皮帶啟動(dòng)前預(yù)警，故障語音智能播報(bào)，定位設(shè)備故障位置。

（3）監(jiān)控分站和擴(kuò)音電話之間，監(jiān)控分站和監(jiān)控分站之間具備打點(diǎn)功能，同時(shí)監(jiān)控分站可以和擴(kuò)音電話進(jìn)行語音對(duì)講，實(shí)現(xiàn)皮帶沿線局部的語音通信，方便人員之間通信聯(lián)絡(luò)。

（4）擴(kuò)音電話具備傳感器接入功能，皮帶沿線一條CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，現(xiàn)場(chǎng)布線少，維護(hù)方便。

（5）快速調(diào)試功能，監(jiān)控分站對(duì)單條皮帶的綜合保護(hù)功能，不需要調(diào)試，設(shè)備接入即形成綜合保護(hù)功能，現(xiàn)場(chǎng)使用方便。

（6）快速連鎖控制功能，多條皮帶多個(gè)監(jiān)控分站之間通過撥碼開關(guān)簡(jiǎn)單設(shè)置皮帶連鎖順序，即可實(shí)現(xiàn)皮帶直接的連鎖集中控制，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和使用非常方便。

4.2 通信方式選擇

CAN總線擁有極高的可靠性，經(jīng)過環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境考驗(yàn)，而煤礦也同樣存在這些復(fù)雜環(huán)境，同時(shí)CAN總線的實(shí)時(shí)性很高，完全滿足控制系統(tǒng)的要求。因此本次設(shè)計(jì)選用CAN總線作為監(jiān)控主站與監(jiān)控分站之間，監(jiān)控分站和智能擴(kuò)音電話之間的現(xiàn)場(chǎng)通信總線，為系統(tǒng)通信穩(wěn)定提供技術(shù)保障。項(xiàng)目設(shè)計(jì)CAN轉(zhuǎn)RS485模塊和PLC的RS485接口對(duì)接[4]，設(shè)備如圖4所示。

圖4 CAN轉(zhuǎn)RS485模塊和PLC的RS485接口對(duì)接

4.3 架構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)控站采用嵌入式單片機(jī)設(shè)計(jì)，操作面板包括指示燈及液晶屏。監(jiān)控分站控制箱分為兩部分，上部為隔爆腔，下部為本安腔。本安腔面板由顯示屏、操作鍵盤、指示燈組成；隔爆腔有電源模塊和電機(jī)接口板等組成。隔爆腔內(nèi)部設(shè)計(jì)電源模塊支持AC127電源接入，電機(jī)接口板支持2臺(tái)電機(jī)的控制，同時(shí)支持灑水電磁閥控制。本安腔設(shè)計(jì)顯示屏進(jìn)行設(shè)備保護(hù)信息顯示，操作鍵盤采用IO模塊設(shè)計(jì)，接入操作按鈕進(jìn)行設(shè)備集中控制，指示燈顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，分站之間打點(diǎn)信號(hào)狀態(tài)和語音通信狀態(tài)；語音模塊實(shí)現(xiàn)與擴(kuò)音電話之間的語音通信?？刂瓢暹M(jìn)行設(shè)備傳感器接入，對(duì)皮帶保護(hù)進(jìn)行信號(hào)采集。系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖5所示。

圖5 監(jiān)控站結(jié)構(gòu)

4.4 軟件流程設(shè)計(jì)

監(jiān)控站采用嵌入式單片機(jī)設(shè)計(jì)，軟件程序固化在ARM芯片內(nèi)部，可以通過撥碼開關(guān)進(jìn)行快速設(shè)置，系統(tǒng)架構(gòu)也可以隨著設(shè)備移動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)容；多個(gè)監(jiān)控分站通過CAN總線連接，通過撥碼開關(guān)設(shè)置后，自動(dòng)組成連鎖控制關(guān)系，實(shí)現(xiàn)多條皮帶或者刮板機(jī)的集中連鎖控制。監(jiān)控站通過檢測(cè)接入傳感器DIAI信號(hào)判斷皮帶運(yùn)行狀態(tài)及對(duì)皮帶進(jìn)行保護(hù)，各監(jiān)控站之間通過can總線相互通信，完成煤流聯(lián)控功能。監(jiān)控站軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6 監(jiān)控站軟件設(shè)計(jì)流程

5 系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)調(diào)與測(cè)試

5.1 系統(tǒng)主站的功能測(cè)試

測(cè)試時(shí)，我們主要測(cè)試主站的以下4個(gè)功能：綜合保護(hù)功能、語音通話功能、集中控制功能和人機(jī)界面顯示功能。

5.1.1 綜合保護(hù)功能

系統(tǒng)主站具備：打滑、堆煤、超溫、跑偏、煙霧、撕裂、急停、張緊、灑水等保護(hù)功能；現(xiàn)場(chǎng)通過人為改變傳感器狀態(tài)，使傳感器采集到非正常狀態(tài)信號(hào)，模擬設(shè)備的故障現(xiàn)象，驗(yàn)證主站是否控制設(shè)備停機(jī)或者觸動(dòng)電磁閥灑水；現(xiàn)場(chǎng)模擬主站保護(hù)正常；傳感器故障的情況下，主站和擴(kuò)音電話通過語音播報(bào)設(shè)備傳感器故障位置，實(shí)現(xiàn)故障精確定位。

5.1.2 語音通話功能

安排兩個(gè)人員，一人在主站旁邊，一人在皮帶沿線擴(kuò)音電話旁，皮帶擴(kuò)音電話旁人員按下擴(kuò)音電話局部按鈕說話，皮帶沿線其他擴(kuò)音電話和主站喇叭播放說話內(nèi)容；主站旁邊人員按下主站對(duì)講按鈕說話，皮帶沿線擴(kuò)音電話同樣播放說話內(nèi)容；設(shè)備沿線人員可以把擴(kuò)音電話當(dāng)作對(duì)講機(jī)使用。

5.1.3 集中控制功能

把系統(tǒng)全部的監(jiān)控分站設(shè)置在遠(yuǎn)控模式，監(jiān)控主站設(shè)置在就地單控模式，操作面板按鈕可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單條皮帶或者溜子的遠(yuǎn)程啟?？刂?，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試功能正常；監(jiān)控主站設(shè)置在就地集控模式，操作面板按鈕可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)巷道煤流的逆煤流啟動(dòng)，順煤流停機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試功能正常。

5.1.4 人機(jī)界面顯示功能

通過組態(tài)軟件開發(fā)掘進(jìn)巷道安全集控系統(tǒng)監(jiān)控畫面，實(shí)現(xiàn)顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和保護(hù)傳感器的狀態(tài)，軟件具備設(shè)備運(yùn)行記錄查詢，報(bào)警信息查看，軟件參數(shù)設(shè)置等功能，通過改變傳感器信號(hào)狀態(tài)，觀察顯示屏信息顯示狀態(tài)，測(cè)試發(fā)現(xiàn)信號(hào)反應(yīng)速度快，大約在1秒鐘顯示屏信號(hào)改變。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖7所示。

圖7 主站人機(jī)界面

5.2 監(jiān)控站的功能測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)測(cè)試了幾個(gè)功能：綜合保護(hù)功能、語音通話功能、快速連鎖功能和狀態(tài)顯示。其中綜合保護(hù)功能和語音通話功能的測(cè)試與主站類似，此處不再贅述。

5.2.1 快速連鎖功能

對(duì)2部溜子到6號(hào)皮帶按順序把撥碼開關(guān)設(shè)置為2—6，把監(jiān)控主站CAN地址設(shè)置為1；設(shè)置完成后把2—6號(hào)皮帶監(jiān)控分站全部設(shè)置到遠(yuǎn)控模式，在監(jiān)控主站設(shè)置為就地模式按下集控啟動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)1—6號(hào)皮帶的連鎖集中控制，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和使用非常方便。

5.2.2 狀態(tài)顯示

監(jiān)控分站可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)保護(hù)傳感器的實(shí)時(shí)狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)，可以顯示集控系統(tǒng)其他監(jiān)控分站的控制模式和故障狀態(tài)，通過改變傳感器狀態(tài)和其他分站狀態(tài)，監(jiān)控分站信息顯示正確，設(shè)備正常。狀態(tài)顯示如圖8所示。

圖8 監(jiān)控站狀態(tài)顯示

6 結(jié)語

本文針對(duì)興隆莊煤礦掘進(jìn)巷道設(shè)備多，自動(dòng)化程度較低，設(shè)備操作崗位多、啟動(dòng)時(shí)間長、膠帶機(jī)空轉(zhuǎn)率高、生產(chǎn)效率低，且易引起誤操作等實(shí)際情況進(jìn)行少人化掘進(jìn)巷道安全集控系統(tǒng)技術(shù)研究。（1）通過基于PLC的煤礦井下掘進(jìn)巷道安全集控系統(tǒng)的建設(shè)，皮帶運(yùn)輸?shù)男曙@著提高，系統(tǒng)完成后在1號(hào)皮帶機(jī)頭安排一名皮帶司機(jī)來對(duì)各條皮帶進(jìn)行集中控制，另外安排一名檢修人員，可減少膠帶機(jī)司機(jī)3～4名，勞動(dòng)效率提高了1.5倍，工作效率大約可提高25%以上，而且隨著對(duì)運(yùn)輸設(shè)備的有效監(jiān)控和實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)線的高效通信，減少掘進(jìn)面運(yùn)輸事故，保證掘進(jìn)的安全進(jìn)行，掘進(jìn)效率提高了5%。（2）基于PLC的煤礦井下掘進(jìn)巷道安全集控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工況監(jiān)測(cè)，智能故障診斷，語音智能播報(bào)，無線終端對(duì)擴(kuò)音電話的語音對(duì)講等使用功能，讓集控人員可以實(shí)時(shí)掌握皮帶系統(tǒng)設(shè)備的工作狀態(tài)，人員及時(shí)溝通，極大地降低了設(shè)備的運(yùn)行成本，提高了設(shè)備的開機(jī)率。

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