王建楠 李曉華，3 鄭功勛 王曉東 王春華

(1.貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州省貴陽市，550025;2.貴州省礦山安全科學(xué)研究院，貴州省貴陽市，550025；3.河南理工大學(xué)安全學(xué)院，河南省焦作市，454003)

貴州省煤炭?jī)?chǔ)量豐富，其中大多數(shù)煤礦是地下開采方式，主要應(yīng)用帶式輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸，帶式輸送機(jī)已然成為煤礦生產(chǎn)中的大動(dòng)脈，發(fā)揮著重要作用[1]。目前貴州省大多數(shù)煤礦的運(yùn)輸系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)管理方式，每條帶式輸送機(jī)機(jī)頭配備1名司機(jī)和1名巡檢人員，帶式輸送機(jī)的啟停很多時(shí)候需要監(jiān)控室調(diào)度員通過電話來協(xié)調(diào)，而且經(jīng)常不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)膠帶打滑、跑偏、斷裂和撕裂等情況，極大地影響了生產(chǎn)和安全。有人值守的控制方式大大增加了人工成本，并且由于人為因素的不確定性較大，可能會(huì)出現(xiàn)啟停帶式輸送機(jī)不及時(shí)而造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和安全事故[2-3]。

為了滿足煤礦企業(yè)的需求，我國(guó)的煤礦科研工作者利用先進(jìn)的SCADE組態(tài)軟件技術(shù)和PLC技術(shù)成功的研發(fā)了一套智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)。本文將結(jié)合已經(jīng)完成智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)改造的大運(yùn)煤礦對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，為其他同類型的礦山智能化建設(shè)提供參照，促進(jìn)貴州省煤礦機(jī)械化和智能化改造。

1 升級(jí)改造方案

1.1 現(xiàn)狀分析

本次帶式輸送機(jī)系統(tǒng)改造范圍為主平硐帶式輸送機(jī)和主斜井帶式輸送機(jī)，主平硐選用的帶式輸送機(jī)型號(hào)為DTL100/50/2×90，采用阻燃膠帶，寬度為1 m，速度為2.5 m/s，長(zhǎng)度為705 m；主斜井帶式輸送機(jī)選用的帶式輸送機(jī)型號(hào)為DTL100/50/2×75，采用阻燃膠帶，寬度為1 m，長(zhǎng)度為420 m；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用2臺(tái)YBS-75型電動(dòng)機(jī)，功率為75 kW。

(1)啟停調(diào)度現(xiàn)狀。每條帶式輸送機(jī)的機(jī)頭配備1名固定的司機(jī)，專門負(fù)責(zé)帶式輸送機(jī)的啟停，帶式輸送機(jī)開啟為順煤流喊話，逆煤流開啟，很多時(shí)候需要調(diào)度員電話調(diào)度。目前的帶式輸送機(jī)啟動(dòng)方式自動(dòng)化程度較低，且成本和勞動(dòng)強(qiáng)度較大。

(2)保護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)狀。煤流運(yùn)輸沿線保護(hù)系統(tǒng)過于簡(jiǎn)單，系統(tǒng)無通訊接口，無法融入控制系統(tǒng)中，自動(dòng)化程度較低，故障發(fā)生時(shí)無法做到自動(dòng)處理和及時(shí)停車，存在一定的安全隱患。轉(zhuǎn)載點(diǎn)堵煤等運(yùn)行故障主要依賴人工檢測(cè)，不能在故障發(fā)生后立即停車，容易使故障擴(kuò)大化。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)以PLC控制系統(tǒng)為核心，與上位機(jī)、防爆PLC控制站、帶式輸送機(jī)保護(hù)傳感器等組成PLC分布式監(jiān)控系統(tǒng)[4]。智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的架構(gòu)可以分4層，即傳感執(zhí)行層、控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和監(jiān)控信息層，其中以太網(wǎng)傳輸層屬于井下部分，監(jiān)控信息層屬于地面部分[5]。智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

(1)傳感執(zhí)行層。傳感執(zhí)行層包括帶式輸送機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和命令的執(zhí)行，其采集和執(zhí)行功能是通過在帶式輸送機(jī)上安裝的相關(guān)傳感器(溫度、速度、載荷等8大傳感器)來實(shí)現(xiàn)。傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)和帶式輸送機(jī)的相關(guān)狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)膠帶跑偏或緊急情況時(shí)可以拉下急停開關(guān)，急停閉鎖帶式輸送機(jī)。

圖1 智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

(2)控制層。該層主要由PLC控制系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的控制、設(shè)備運(yùn)行信息的上傳及控制指令的執(zhí)行。一般是在帶式輸送機(jī)機(jī)頭安裝1臺(tái)控制箱，來實(shí)現(xiàn)接入設(shè)備的控制及相關(guān)信息的處理，應(yīng)用先進(jìn)的PLC編程軟件將程序?qū)懭隤LC，實(shí)現(xiàn)智能化控制功能，監(jiān)測(cè)帶式輸送機(jī)的狀態(tài)。

(3)網(wǎng)絡(luò)傳輸層。該層指的是工業(yè)環(huán)網(wǎng)，由井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)和地面環(huán)網(wǎng)交換機(jī)等組成，形成一個(gè)閉合的環(huán)，井下和井上通過環(huán)網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)和下發(fā)命令。

(4)監(jiān)控信息層。在集控室實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、集中控制和統(tǒng)一調(diào)度。

1.3 系統(tǒng)功能

1.3.1 控制功能

(1)遠(yuǎn)程控制。調(diào)度室操作員在集控室遠(yuǎn)程集中控制各帶式輸送機(jī)運(yùn)行。地面調(diào)度室將命令經(jīng)環(huán)網(wǎng)下發(fā)到井下PLC控制器，自動(dòng)按預(yù)定程序啟動(dòng)帶式輸送機(jī)。

(2)就地自動(dòng)控制。由井下操作員在控制箱上實(shí)現(xiàn)一鍵啟停單設(shè)備，此時(shí)帶式輸送機(jī)與前級(jí)存在聯(lián)鎖關(guān)系。

(3)就地手動(dòng)控制。該控制方式將保護(hù)功能全部甩掉，使其處于離線狀態(tài)，便于檢修。

1.3.2 監(jiān)測(cè)保護(hù)功能

(1)具有煙霧、堆煤、跑偏、速度(打滑、超速)保護(hù)、溫度、沿線急停閉鎖等檢測(cè)保護(hù)功能以及傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)顯示功能。

(2)帶式輸送機(jī)沿線需要安裝信號(hào)裝置，可實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)啟動(dòng)報(bào)警、打點(diǎn)信號(hào)聯(lián)絡(luò)和語音通訊功能。

(3)地面和井下帶式輸送機(jī)機(jī)頭可實(shí)現(xiàn)語音對(duì)講功能。

1.3.3 系統(tǒng)管理功能

為了系統(tǒng)的安全運(yùn)行，設(shè)置了操作系統(tǒng)登錄界面，針對(duì)不同職務(wù)的人員對(duì)其賬號(hào)設(shè)置不同的權(quán)限。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

2.1 地面監(jiān)控系統(tǒng)

大運(yùn)煤礦地面監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主備機(jī)、監(jiān)控軟件及服務(wù)器等組成。上位機(jī)軟件應(yīng)用的是目前最先進(jìn)的SCADA組態(tài)軟件[6]，該軟件有兩個(gè)層面(服務(wù)器層面和客戶端層面)，服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集和處理(如單位轉(zhuǎn)換、報(bào)警檢測(cè)、計(jì)算、事件處理和儲(chǔ)存等)，客戶端體系結(jié)構(gòu)通過與服務(wù)器之間的通訊功能來獲取數(shù)據(jù)并用于人機(jī)交互，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器的狀態(tài)，并可以進(jìn)行帶式輸送機(jī)啟停延時(shí)時(shí)間等參數(shù)的設(shè)置；客戶端界面上的高清數(shù)字?jǐn)z像頭可以實(shí)時(shí)監(jiān)控井下情況；服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)可以對(duì)運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期的儲(chǔ)存，利用SCADA軟件在上位機(jī)上可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)曲線和歷史事件進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)取[7-8]。智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)部分歷史曲線如圖2所示。

SCADA軟件可以根據(jù)需要，對(duì)操作界面上設(shè)備的顏色、尺寸、位置和形狀進(jìn)行修改。系統(tǒng)采用動(dòng)畫的形式對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行呈現(xiàn)，效果形象逼真、富有動(dòng)感；在主界面中一般應(yīng)用不同的顏色表示設(shè)備不同的運(yùn)行狀態(tài)，灰色表示未投入運(yùn)行，綠色代表投入運(yùn)行，紅色代表故障[9]；當(dāng)設(shè)備故障時(shí)系統(tǒng)界面會(huì)有語音報(bào)警和文字報(bào)警并顯示具體故障位置。智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)主界面如圖3所示。

2.2 井下PLC控制系統(tǒng)

井下PLC控制系統(tǒng)主要由PLC控制箱、溫度傳感器、IP廣播(調(diào)度室可以直接與帶式輸送機(jī)機(jī)頭喊話)、堆煤傳感器(監(jiān)測(cè)皮帶上堆煤高度)、跑偏開關(guān)(檢測(cè)是否跑偏有一級(jí)和二級(jí)之分)、閉鎖開關(guān)、速度傳感器(檢測(cè)膠帶速度)、煙霧傳感器、噴水電磁閥、載荷裝置(監(jiān)測(cè)帶式輸送機(jī)上的煤流)等設(shè)備組成。PLC控制箱主要由觸摸屏、PLC模塊和輔助電器設(shè)備等組成。PLC部分由電源模塊、CPU、輸入模塊、輸出模塊和模擬量模塊組成。其作用是接收傳感器所采集的信號(hào)和發(fā)出命令信號(hào)，控制相關(guān)設(shè)備并采集滾筒溫度、帶式輸送機(jī)速度等數(shù)據(jù)。本次改造采用的是西門子公司生產(chǎn)的SIMATIC S-1200型PLC控制箱，該型號(hào)PLC是設(shè)計(jì)緊湊、節(jié)省空間、成本低廉且功能強(qiáng)大的模塊化控制器[10]。井下PLC調(diào)試應(yīng)用的是與西門子公司生產(chǎn)的PLC配套的博圖軟件(TIA Portal V14)，采用梯形圖(LAD)創(chuàng)建程序代碼。智能化帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 系統(tǒng)工作流程

2.3.1 就地自動(dòng)控制

就地自動(dòng)控制模式通過現(xiàn)場(chǎng)帶式輸送機(jī)機(jī)頭控制主機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)操作控制模式旋鈕F4左旋至就地位置，此時(shí)智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)控制界面右上角的狀態(tài)欄顯示“就地”，之后在旋轉(zhuǎn)開關(guān)旋鈕帶式輸送機(jī)一鍵啟停。

2.3.2 遠(yuǎn)程自動(dòng)控制

現(xiàn)場(chǎng)操作控制模式旋鈕F4右旋遠(yuǎn)程位置，此時(shí)智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)控制界面右上角的狀態(tài)欄顯示“遠(yuǎn)控”，此時(shí)操作員通過點(diǎn)擊帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)按鈕就可以啟動(dòng)帶式輸送機(jī)。操作員可以根據(jù)帶式輸送機(jī)上的堆煤情況選擇帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)方式。

(1)逆煤流啟動(dòng)。在主斜井帶式輸送機(jī)上有煤的情況下，為了防止順煤流啟動(dòng)堆煤，一般選擇逆煤流啟動(dòng)，即先啟動(dòng)主平硐帶式輸送機(jī)，之后再啟動(dòng)主斜井帶式輸送機(jī)。

(2)順煤流啟動(dòng)。在主斜井帶式輸送機(jī)沒有存煤的情況下，為了節(jié)省電能，一般可以選擇順煤流啟動(dòng)，即先啟動(dòng)主斜井帶式輸送機(jī)，之后再啟動(dòng)主平硐帶式輸送機(jī)。

操作員通過點(diǎn)擊帶式輸送機(jī)的停止按鈕，即可停止帶式輸送機(jī)。操作員可以根據(jù)需要選擇停止方式，一般選用順煤流停止。順煤流停止的時(shí)間根據(jù)膠帶長(zhǎng)度除以膠帶速度計(jì)算，將計(jì)算好的時(shí)間在SCADA組態(tài)軟件智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)主界面進(jìn)行設(shè)置，以確保帶式輸送機(jī)上不會(huì)留煤也不會(huì)空載。

2.3.3 無人值守

點(diǎn)擊“無人值守”按鈕，系統(tǒng)彈出確定窗口，例如主斜井帶式輸送機(jī)在“遠(yuǎn)控”狀態(tài)，點(diǎn)擊切換投入“無人值守”模式，此時(shí)主平硐帶式輸送機(jī)無煤后會(huì)自動(dòng)停止，主斜井帶式輸送機(jī)運(yùn)行并且有煤運(yùn)輸?shù)綑C(jī)頭后會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)主平硐帶式輸送機(jī)。

3 效益分析

2018年4月，大運(yùn)煤礦對(duì)主平硐帶式輸送機(jī)和主斜井帶式輸送機(jī)進(jìn)行的智能化改造完成并正式運(yùn)行。改造后的智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)在社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和煤礦安全等方面都為企業(yè)帶來了可觀的效益。在7個(gè)月的運(yùn)行中處置了一起膠帶斷裂事故和多起膠帶跑偏事故；智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行后減少了故障檢測(cè)時(shí)間，大大提高了工作效率，減少了運(yùn)輸時(shí)間(根據(jù)統(tǒng)計(jì)大約減少18%的運(yùn)輸時(shí)間)，提高了運(yùn)輸效率。

3.1 社會(huì)效益

(1)智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)提升了大運(yùn)煤礦井下運(yùn)輸系統(tǒng)的整體管理水平，促進(jìn)了同類型煤礦實(shí)施智能化礦山的進(jìn)程。

(2)智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，優(yōu)化了生產(chǎn)流程，提高了礦井自動(dòng)化程度，進(jìn)一步改善了工人的勞動(dòng)環(huán)境。

3.2 安全效益

智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行后，建立了以安全和生產(chǎn)為中心的企業(yè)管理機(jī)制安全生產(chǎn)控制體系，加強(qiáng)了集團(tuán)公司對(duì)下級(jí)企業(yè)的監(jiān)管力度，使安全和生產(chǎn)的投入效益發(fā)生最優(yōu)化，產(chǎn)生最大效益。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益

智能化改造前，大運(yùn)煤礦的帶式輸送機(jī)系統(tǒng)共需要現(xiàn)場(chǎng)工作人員12人，智能化改造后，帶式輸送機(jī)系統(tǒng)只需配備巡檢人員3人，按照每人月薪5000元計(jì)算，一年可節(jié)約工資54萬元，降低了人工成本。

4 結(jié)論與建議

(1)智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)改造完成后，調(diào)度員和生產(chǎn)指揮人員能夠直觀、準(zhǔn)確地掌握煤流運(yùn)輸過程的實(shí)際情況，便于調(diào)度指揮。系統(tǒng)對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，為處理事故提供了真實(shí)依據(jù)，可有效指揮生產(chǎn)、處理和解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種問題和事故，達(dá)到了建設(shè)預(yù)期和建設(shè)目的。

(2)智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，提高了工作效率，降低了生產(chǎn)成本，從安全和經(jīng)濟(jì)方面都給企業(yè)帶來了可觀的效益，證明智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)值得在煤礦企業(yè)中大力推廣。

(3)智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)改造完成后，建議礦山企業(yè)至少配備具有一定的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)知識(shí)人員3人和操作員3人，以便解決系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的常規(guī)問題和故障，保證系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。