林逸朋

(陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

我國煤礦企業(yè)的自動化發(fā)展進程始于上世紀60年代，在長達近50 a的發(fā)展歷程中，尤其2000年之后，我國煤炭企業(yè)的自動化水平有了很大程度的改進和提升[1-3]。但隨著我國經(jīng)濟發(fā)展需要對能源行業(yè)的巨大刺激以及兩化融合技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有單體設(shè)備的自動化水平已經(jīng)很難滿足煤炭企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求，需要快速從傳統(tǒng)的單體設(shè)備自動化層面釋放出來，在多個設(shè)備間形成有效協(xié)同的局面，才能有效優(yōu)化改善當前煤礦企業(yè)的自動化水平，提升煤炭企業(yè)的整體工作效率，促進我國國民經(jīng)濟的發(fā)展并為資源的合理利用作出一定貢獻。

1 技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1.1 煤炭企業(yè)自動化現(xiàn)狀

煤礦的自動化發(fā)展主要包括采掘設(shè)備自動化、傳送運輸設(shè)備自動化、傳感監(jiān)控自動化3個方面，如圖1所示。

圖1 煤炭企業(yè)設(shè)備自動化的內(nèi)容Fig.1 Content of equipment automation in coal enterprises

1.1.1 采掘設(shè)備自動化

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展與快速普及，在歐美的采掘設(shè)備生產(chǎn)廠家首先開始了對相關(guān)設(shè)備的智能化研發(fā)，并快速將機械、傳送帶與液壓支架整合在一起，通過采用自動化的手段并協(xié)同實現(xiàn)煤炭開采的智能化工作面，同時可以采用物聯(lián)網(wǎng)等監(jiān)測技術(shù)來實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測和控制，但我國的采掘設(shè)備普遍采用液壓牽引的方式，而且傳送設(shè)備上存在運送能力低下，過煤量較少等問題[4-6]。

1.1.2 傳送運輸設(shè)備自動化

歐美等先進國家的煤炭企業(yè)一般采用膠帶運輸與輔助運輸車相結(jié)合的方式進行傳送煤炭，并可以通過計算機技術(shù)實現(xiàn)對整體運輸過程的自動化監(jiān)控與防護，以防止出現(xiàn)由于傳送膠帶運輸速度低、所產(chǎn)生煙霧或膠帶裂開等問題的發(fā)生[7-8]。我國一般是采用傳統(tǒng)軌道來傳輸，直到1980年之后才開始采用膠帶運輸，并開始安裝了保護系統(tǒng)，采用計算機進行操作控制和安全管控。與此同時，提升系統(tǒng)也在相關(guān)信息技術(shù)的支撐下有了較大的進度，逐漸通過智能的軌道電機來提升傳輸速度與質(zhì)量。

1.1.3 傳感監(jiān)控自動化

由于煤礦企業(yè)災(zāi)害事故的頻發(fā)性，煤礦企業(yè)逐漸進行安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的安裝，我國從1970年之后開始將歐美等發(fā)達國家的生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)引入到我國的煤礦企業(yè)當中。雖然我國在安全生產(chǎn)監(jiān)控領(lǐng)域也有非常成熟的企業(yè)，但存在相關(guān)專業(yè)性人才嚴重不足、研發(fā)成果的應(yīng)用與轉(zhuǎn)化較難等問題，使得我國的安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)仍然停留在發(fā)達國家上個世紀的水平，并依然存在壽命低、檢修難、穩(wěn)定性不強等問題，以致在煤礦自動化中的應(yīng)用程度顯著偏低[9-10]。

1.2 煤炭企業(yè)自動化發(fā)展趨勢

與兩化融合技術(shù)發(fā)展的路徑相一致，煤炭企業(yè)的自動化發(fā)展需要對煤炭企業(yè)的生產(chǎn)效率進行有效評估，這需要通過數(shù)字化共享手段極大地改善提升設(shè)備之間的自動化協(xié)同能力，使得煤礦企業(yè)的主體開采流程向流水線的方向發(fā)展[11-12]。

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定化

和所有的智能化發(fā)展路徑一樣，煤礦的自動化提升是建立在網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的建設(shè)基礎(chǔ)之上的。網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)是所有工作正常運行的前提和保障，通過信息采集與發(fā)送來實現(xiàn)對設(shè)備的遠程操控，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以確保煤礦自動化階段的安全。網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的級聯(lián)與建立，不但能夠減少人員的投入、減少開采的成本，而且還能夠有效地提高煤礦的開采與傳輸效率，這也是煤礦自動化發(fā)展的未來趨勢。

1.2.2 單體設(shè)備的智能化

煤礦單體設(shè)備的智能化已經(jīng)都得到了長足的發(fā)展，對于每一個煤炭生產(chǎn)設(shè)備，甚至是更細化的單元都已經(jīng)是一個智能體。在此基礎(chǔ)上，通過RESTFUL等接口實現(xiàn)了多個設(shè)備之間的互聯(lián)，在設(shè)備智能化PLC控制的基礎(chǔ)之上，不同的設(shè)備將通過標準的TCP/IP協(xié)議，以及有效的控制端口實現(xiàn)設(shè)備之間的聯(lián)動通信。

1.2.3 設(shè)備間的協(xié)同化

在網(wǎng)絡(luò)化集約發(fā)展以及設(shè)備智能化發(fā)展的基礎(chǔ)上，在設(shè)備智能層之上需要一個協(xié)同的MES或集中管控層，來實現(xiàn)設(shè)備之間的有效連接與共享。應(yīng)加強從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、開采機械設(shè)備的自動化、行業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)等方面入手，對煤礦自動化發(fā)展做出全面剖析和優(yōu)化改進，實現(xiàn)煤炭企業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的集控化平臺

為實現(xiàn)煤炭企業(yè)井上井下設(shè)備間的有效互聯(lián)與集中控制，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的集中聯(lián)控體系構(gòu)建方法，整體架構(gòu)圖如圖2所示。整個系統(tǒng)由遠程監(jiān)控中心、工業(yè)以太網(wǎng)傳輸、設(shè)備單體監(jiān)控系統(tǒng)以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)4部分組成。遠程監(jiān)控中心通常設(shè)立在調(diào)度中心，遠程監(jiān)控中心設(shè)置一臺操控站，就地監(jiān)控中心設(shè)置一臺操控站，操控站選用高性能工控機，通過操控站對風機房的相關(guān)設(shè)備進行集中管控和監(jiān)視。主要包括硬件和軟件2大部分。各設(shè)備一般通過原有PLC進行優(yōu)化和程序編寫，通過遠程監(jiān)控中心到設(shè)備點之間具有環(huán)網(wǎng)，直接通過網(wǎng)線相連，與遠程監(jiān)控中心工控機進行數(shù)據(jù)通信。設(shè)備單體監(jiān)控系統(tǒng)通常是由可編程控制器、負壓傳感器、觸摸顯示屏、振動傳感器、風速傳感器和甲烷傳感器等組成。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要起到輔助作用，對現(xiàn)場的情況提供視頻圖像支持。

圖2 整體系統(tǒng)架構(gòu)示意Fig.2 Overall system architecture

3 孟村煤礦聯(lián)控體系構(gòu)建

通過提出的技術(shù)方案對孟村煤礦地面主通風機、壓風機、制氮機就地控制系統(tǒng)進行優(yōu)化改進及遠程控制系統(tǒng)的聯(lián)動，進行應(yīng)用實踐。

3.1 原系統(tǒng)應(yīng)用概況

3.1.1 主通風機

主通風機就地控制系統(tǒng)優(yōu)化改進及遠程控制系統(tǒng)由PLC、工控機監(jiān)控站、以太網(wǎng)交換機以及若干壓力、溫度、振動傳感器等組成。采用工控界成熟的PLC加上位機組態(tài)監(jiān)控模式，構(gòu)成互備的風機控制系統(tǒng)，采用以太網(wǎng)傳輸平臺任一監(jiān)控站可以同時監(jiān)控2臺風機的運行狀態(tài)。同時利用傳感器檢測、信號處理、計算機技術(shù)和風機的有關(guān)技術(shù)，對風壓、風速、主通風機運行狀態(tài)、正反轉(zhuǎn)狀態(tài)、電機定子溫度、軸承溫度等通風機性能參數(shù)進行實時監(jiān)測和控制。

3.1.2 壓風機

壓風機實現(xiàn)了煤礦地面壓風機系統(tǒng)無人值守，壓風機遠程啟?？刂?，實時監(jiān)測電機運行溫度、電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)，遠程選擇控制排氣閥管路閥門功能，實時監(jiān)測管道閥門開量狀態(tài)及冷卻油包溫度及壓力等數(shù)據(jù)，同時系統(tǒng)具備標準的TCP/IP通信接口及協(xié)議，可直接接入全礦井綜合自動化系統(tǒng)平臺。

3.1.3 制氮機

制氮機實現(xiàn)了煤礦地面制氮機系統(tǒng)無人值守，空壓機、冷凍式壓縮空氣干燥機，制氮壓風機遠程啟?？刂?，強制卸載和自動輪循控制壓風機，遠程選擇控制閥門功能，實時監(jiān)測制氮機、壓風機、冷凍式壓縮空氣干燥機的運行狀態(tài)，同時系統(tǒng)具備標準的TCP/IP通信接口及協(xié)議，可直接接入全礦井綜合自動化系統(tǒng)平臺。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)及功能

3.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

整體系統(tǒng)改造與升級的架構(gòu)圖如圖3所示，處于調(diào)度室的操控站通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與PLC(礦用可編程控制器)相連，通過PLC實現(xiàn)不同設(shè)備間的互動與聯(lián)通。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 System architecture

3.2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

顯示功能：系統(tǒng)操控軟件包括了工藝流程圖總畫面，實時顯示整個系統(tǒng)總體運行情況和主要設(shè)備的運行狀態(tài)與實時參數(shù)。

控制功能：系統(tǒng)具有授權(quán)遠程集控、遠程單控、就地手動等多種控制方式。具備在調(diào)度中心遠程控制的功能、方便在調(diào)度中心實現(xiàn)各個分系統(tǒng)的啟動與停止。

參數(shù)設(shè)置：用戶能夠依據(jù)自己的系統(tǒng)運行情況，對系統(tǒng)各個設(shè)備的運行參數(shù)進行設(shè)置，為系統(tǒng)報警提供根據(jù)。

歷史曲線查詢：對于重要的系統(tǒng)參數(shù)，可以適時顯示和繪制溫度曲線、負壓曲線、振動曲線、效率曲線等，并做成歷史數(shù)據(jù)，及時進行保存，以供需要時及時查詢。

報表打印功能：系統(tǒng)具有報表生成、存儲、查詢、打印的功能?？筛鶕?jù)需要輸出包括設(shè)備工況運行報表、故障報警實時報表以及設(shè)備操作報告和過程變量報告等，以保障各種規(guī)范管理的需要。

系統(tǒng)故障報警功能：系統(tǒng)檢測到故障發(fā)生時，報警畫面會自動彈出，并進行紅閃。

通信功能：具備與全礦工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的功能，能夠把通風系統(tǒng)的各項監(jiān)測參數(shù)、狀態(tài)、故障參數(shù)、故障記錄、報警情況等的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降V局域網(wǎng)上，實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

接入綜合自動化系統(tǒng)：系統(tǒng)建成后配合接入孟村煤礦正在建設(shè)的綜合自動化系統(tǒng)。

4 結(jié)論與展望

煤礦設(shè)備自動化的集成化發(fā)展是煤炭企業(yè)發(fā)展的內(nèi)生動力，也是信息技術(shù)高速發(fā)展下的必然趨勢，在對煤炭企業(yè)自動化發(fā)展現(xiàn)狀進行總結(jié)與分析的基礎(chǔ)上，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的煤炭企業(yè)井上井下集中聯(lián)控體系，并在孟村煤礦進行了實踐，實現(xiàn)了地面主通風機、壓風機、制氮機就地控制系統(tǒng)優(yōu)化改進及遠程控制。理論分析和實踐表明，所提出的方法可以實現(xiàn)煤礦企業(yè)自動化的集中聯(lián)控，同時系統(tǒng)具備標準的TCP/IP通信接口及協(xié)議，可直接接入全礦井綜合自動化系統(tǒng)平臺。