張仰望

(中煤能源大屯煤電公司姚橋煤礦，江蘇 徐州 221611)

1 概述

皮帶輸送機是煤礦生產(chǎn)中非常重要的運輸設(shè)備，它能否安全高效的運行，直接決定著礦井機電設(shè)備的開機率和產(chǎn)量。目前，皮帶輸送機控制系統(tǒng)主要采用PLC的控制模式，它能夠為自動化控制應(yīng)用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當(dāng)前煤礦企業(yè)對自動化的需要，可以與擴音電話、工業(yè)電視等系統(tǒng)構(gòu)成一個完整的操作、調(diào)度、監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對整個皮帶控制系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控。

中煤集團大屯公司姚橋煤礦位于蘇魯交界的微山湖西岸，礦井地質(zhì)儲量5.4億t，原設(shè)計能力為年產(chǎn)120萬t，經(jīng)過幾次改擴建，礦井生產(chǎn)能力達到年產(chǎn)300萬t以上，2010年以來年生產(chǎn)原煤達到445萬t，是江蘇省境內(nèi)規(guī)模最大的特大型礦井。目前姚橋礦主煤流運輸系統(tǒng)共21部皮帶機，全部實現(xiàn)了集中控制，由地面監(jiān)控室統(tǒng)一操作。

針對姚橋礦東六一號皮帶大巷，要求采用PLC集中控制，在PLC中能夠顯示擴音電話狀態(tài)、閉鎖位置，并且控制系統(tǒng)能和地面集控中心互聯(lián)互通。因此提出了一種基于RS485通信方式，Modbus-RTU通信協(xié)議擴音電話組成的新型控制系統(tǒng)。該擴音電話具備閉鎖功能，同時集成了語音、數(shù)字通信、狀態(tài)采集的功能，在皮帶沿線發(fā)生危險或存在安全隱患時，通過按下擴音電話的閉鎖按鈕，可以給皮帶控制系統(tǒng)一個控制信號，從而可以對設(shè)備做出相應(yīng)的反應(yīng)，提高煤礦安全生產(chǎn)的水平。當(dāng)閉鎖發(fā)生時，話機的位置也同步傳輸?shù)狡Э刂葡到y(tǒng)的PLC中，從而可以判斷話機的具體位置，可以快速定位便于排查，提高煤礦功效及經(jīng)濟效益。

2 技術(shù)方案

姚橋煤礦東六一號皮帶大巷全長1650 m，整個皮帶控制系統(tǒng)中的閉鎖擴音電話一般安裝于皮帶架外側(cè)，按100 m均勻布置，共安裝了17臺擴音電話?？刂撇糠譃槲鏖T子S7-300系列PLC，在皮帶機頭設(shè)立主站，控制器采用315-DP模塊，自帶以太網(wǎng)接口，配置有數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊，所有IO模塊都經(jīng)過信號隔離以后進入模塊，實現(xiàn)對模塊通道的保護。為了便于現(xiàn)場的使用，沿線擴音電話一般由機頭電源集中供電，擴音電話采用內(nèi)置電池，當(dāng)有外電時給話機電池充電，擴音電話的語音部分全部由電池供電。擴音電話具備語音通信接口，可以直接接入PLC上的語音預(yù)警信號，實現(xiàn)設(shè)備的啟車、停車及故障預(yù)警，提醒沿線人員注意；具備閉鎖按鈕，當(dāng)拍下閉鎖按鈕時，能將該閉鎖動作信號傳輸?shù)絇LC中進行相應(yīng)的動作；具備定位功能，從PLC的組態(tài)界面能直觀地看出是第幾臺擴音電話發(fā)生的閉鎖動作。綜上所述，如何實現(xiàn)擴音電話的集中供電、閉鎖定位及可靠的控制是設(shè)計的重點及難點。閉鎖擴音電話在皮帶控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用如圖1。

圖1 閉鎖擴音電話在皮帶控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用

3 產(chǎn)品設(shè)計及工作原理

基于上述方案，閉鎖擴音電話的實現(xiàn)主要基于以下關(guān)鍵部分：

（1）擴音電話的恒流源充電設(shè)計

由于擴音電話內(nèi)置電池，擴音電話在工作時使用的是電池電量，并且現(xiàn)場使用一般都需要集中供電，減少線纜的敷設(shè)，同時可以克服從皮帶沿線取電的不便利性。為了降低負載變動時對電源供電的影響，該擴音電話的充電采用恒流源的充電模式[1]。

恒流源是輸出電流保持恒定的電流源，而理想的恒流源應(yīng)該具有以下特點：

a.不因負載(輸出電壓)變化而改變；

b.不因環(huán)境溫度變化而改變；

c.內(nèi)阻為無限大（以使其電流可以全部流出到外面）。

基于以上特性，該擴音電話采用了LM334Z組成的恒流源電路進行電池的充電，如圖2。

如 圖2所 示，由U1、U2、U3、U5共4只LM334Z組成了電池充電的恒流源電路。以U1為例，通過電阻R16接到U1的2腳和3腳之間，查閱LM334Z的相關(guān)資料[2]可以得出，U1的3腳輸出電流IU3=0.067/R16=10 mA。撥碼開關(guān)SW1可以設(shè)置電池端的充電電流，從圖中通過計算可以得知，該電路的最小充電電流為15 mA，最大充電電流為40 mA。穩(wěn)壓二極管1N4741A將電壓鉗至11 V，因此滿足了擴音電話內(nèi)部電池組9.6 V（8節(jié)串聯(lián)）的充電。

圖2 擴音電話電池充電電路

由恒流源的特性得知，隨著話機的增多，原理上只是增加了供電端的電流，整個沿線的負載主要集中在線纜上的壓降損耗。該系統(tǒng)中，推薦使用2.5平方的銅材質(zhì)的線纜傳輸電源。通過查閱相關(guān)資料，如果采用導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為19/0.41的電纜，20 ℃銅導(dǎo)體電阻為7.41 Ω/km。以每臺話機最大充電電流40 mA，1 km內(nèi)間距100 m安裝一臺擴音電話共10臺，因此擴音電話的供電端口最大電流為400 mA，線纜等效后理論上沿線的壓降根據(jù)歐姆定律U=IR可以計算出U=0.4×7.41=2.964 V≈3 V?？紤]到接觸電阻或其他因素的影響，采用單臺本安18 V電源可以帶載不低于15臺擴音電話（間距100 m/臺），基本上能夠滿足一般皮帶擴音電話的集中供電要求。在姚橋煤礦東六一號皮帶大巷使用中，在皮帶機頭采用一臺DC18V本安電源供電，通過讀取最后一臺擴音電話電壓高于DC13V，滿足了對沿線所有擴音電話的集中供電需要。

（2）擴音電話通信定位

閉鎖擴音電話另外一個重要功能是閉鎖定位功能。在機殼閉鎖結(jié)構(gòu)上放置兩個微動開關(guān)，當(dāng)閉鎖結(jié)構(gòu)動作時微動開關(guān)同步動作。在設(shè)計上，一個微動開關(guān)的常開觸點與話機線纜中的兩根線并接在一起，該組線纜接入到PLC的DI點中作為干節(jié)點使用。當(dāng)此微動開關(guān)動作時，PLC的DI檢測到相應(yīng)的輸入，從而可以通過程序進行相應(yīng)的控制。由于此微動開關(guān)在擴音電話中無通信邏輯，因此PLC能及時做出反應(yīng)，提高系統(tǒng)的安全性能。

閉鎖結(jié)構(gòu)上的另外一個微動開關(guān)用于給擴音電話內(nèi)部提供一個開關(guān)量信號。擴音電話內(nèi)部具有通信板，采用Modbus-RTU通信協(xié)議，RS485的傳輸方式。當(dāng)擴音電話檢測到閉鎖微動開關(guān)的動作信號后，作為一個輸入點，通信板將采集到的信號存入寄存器中，成為一個變化量。當(dāng)PLC檢測到閉鎖動作后，開始向沿線的通信從站設(shè)備（擴音電話）發(fā)出查詢命令，當(dāng)讀取到相應(yīng)寄存器的變化值，同時讀取從站的地址。在實際使用中，每一個從站地址代表一臺擴音電話的地址，施工時按照順序設(shè)置即可對每一臺擴音電話進行標(biāo)定，在讀取相應(yīng)寄存器變化值時同時將從地址讀取，從而實現(xiàn)對話機閉鎖的快速定位。

此外通信模塊提供4路開關(guān)量輸入及1路模擬量輸入接口，必要時可以采集沿線的一些開關(guān)量信號及模擬量信號，同時該通信模塊實時采集了擴音電話內(nèi)部的電池電壓、外接供電電壓，所有的數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)都通過RS485總線的方式接入到機頭PLC的通信接口中。

4 主要技術(shù)指標(biāo)

基于上述設(shè)計，所述的閉鎖擴音電話滿足以下技術(shù)指標(biāo)：

（1）供電指標(biāo)

① 額定工作電壓：DC18V；② 最大工作電流：≤100 mA。

（2）音頻指標(biāo)

① 頻率帶寬：350～3000 Hz ；② 擴音響度：≥85 dB（A）（音頻線輸入1 kHz，500 mV信號時）；③ 語音失真度：≤15%（擴音響度為85 dB時）；④ 頻率響應(yīng)：≤±6 dB（350～3000 Hz）。

（3）RS485通信信號指標(biāo)

① 傳輸方式：半雙工RS485，雙極性；② 傳輸速率：9.6 kbps；③ 信號工作電壓峰峰值：1～12 V。

5 煤礦應(yīng)用

目前，該擴音電話系統(tǒng)在姚橋礦的東六一號皮帶大巷中安裝使用，主要實現(xiàn)了以下功能：

（1）擴音電話語音傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)音頻模式，通過IP語音廣播實現(xiàn)地面和井下的實時語音聯(lián)系，可以實現(xiàn)地面對井下語音及打點、井下各電話對講及打點等多種語音功能，如果出現(xiàn)事故異常，地面主控室通過語音系統(tǒng)給出語音報警提示信號。

（2）啟動語音預(yù)警功能。每次啟動前除了報警信號之外，同時播報“皮帶機準(zhǔn)備啟動，注意安全”，更好地提醒巷道內(nèi)人員。各種傳感器故障時播報具體信息，井下巡檢人員更好地掌握故障內(nèi)容。

（3）采用PLC的集中控制模式，在皮帶系統(tǒng)運行過程中，按下任何一臺話機的閉鎖按鈕，都可以實現(xiàn)對設(shè)備的停車，從而保障煤礦的安全生產(chǎn)。閉鎖話機的位置能夠通過通信傳輸?shù)絇LC中，可以快速定位，便于故障檢修及恢復(fù)。

（4）擴音電話具有4路開關(guān)量輸入，將沿線的拉繩開關(guān)及機尾的跑偏開關(guān)信號接入到了擴音電話中。當(dāng)傳感器動作時，PLC通過程序處理能進行相應(yīng)的動作，減少了線纜的敷設(shè)。在實際使用中動作反應(yīng)時間低于2 s。

（5）通過機頭PLC的組態(tài)集控，實現(xiàn)沿線擴音電話狀態(tài)（如電池電量、語音工作狀態(tài)）、皮帶沿線電源狀態(tài)、沿線閉鎖狀態(tài)等在線監(jiān)測顯示功能。

（6）在皮帶控制系統(tǒng)檢修期間，崗位工在維修期間，拍下話機的閉鎖按鈕再進行相關(guān)操作。當(dāng)閉鎖拍下時，皮帶不能啟車，從而可以提高安全性，當(dāng)檢修完成時恢復(fù)閉鎖即可恢復(fù)系統(tǒng)正常。同時，檢修期間的語音通信可以及時地和其他崗位工相互交流故障問題，提高工作效率。

6 結(jié)語

基于在姚橋煤礦東六一號皮帶實際使用效果，該閉鎖擴音電話具有安裝簡單、信號傳輸抗干擾性強、運行穩(wěn)定可靠等特點，可以將沿線擴音電話的狀態(tài)集成到皮帶機頭更直觀地顯示，標(biāo)準(zhǔn)的音頻制式便于地面集控，提高了煤炭開采的自動化水平，給煤礦的安全、高效生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支撐，具有一定的推廣價值。