張星波

（山西華陽(yáng)集團(tuán)新能股份有限公司一礦， 山西 陽(yáng)泉 045008）

引言

煤炭是我國(guó)重要的能源資源，隨著煤炭開(kāi)采機(jī)械化和自動(dòng)化水平的不斷提高，對(duì)井下作業(yè)人員的安全也提出更高的要求。架空乘人裝置作為人員進(jìn)出煤礦作業(yè)面的重要運(yùn)輸設(shè)備，其安全性能尤為重要。傳統(tǒng)的運(yùn)輸裝置管理效率低、運(yùn)行不穩(wěn)定、風(fēng)險(xiǎn)較高，難以適應(yīng)人員安全運(yùn)輸?shù)男枰猍1]。PLC 技術(shù)因其操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、可拓展性強(qiáng)等特點(diǎn)，在煤礦系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，因此在架空乘人裝置中引入PLC 技術(shù)，具有重要意義[2]。

1 煤礦安全架空乘人系統(tǒng)及其現(xiàn)狀分析

某煤礦現(xiàn)有兩部架空乘人裝置，配備的安全保護(hù)裝置有全程緊急停車(chē)裝置、電動(dòng)機(jī)過(guò)流過(guò)壓（欠壓）保護(hù)裝置、聲光信號(hào)裝置、上坡點(diǎn)掉繩保護(hù)裝置、油溫監(jiān)測(cè)裝置、捕繩器裝置、固定吊椅防過(guò)擺裝置、鋼絲繩脫落保護(hù)裝置、重錘限位保護(hù)裝置、鋼絲繩斷繩保護(hù)裝置以及制動(dòng)器動(dòng)作失效和斷軸保護(hù)等保護(hù)裝置。

由于架空乘人裝置與軌道運(yùn)輸系統(tǒng)同巷道布置，故設(shè)置電氣閉鎖，使兩種設(shè)備不得同時(shí)運(yùn)行。礦井兩部架空乘人裝置控制系統(tǒng)建成時(shí)間較早，控制模塊、操作方式及保護(hù)系統(tǒng)較為落后，維護(hù)困難。設(shè)備運(yùn)行均靠人工啟動(dòng)和停止，并且未與工業(yè)環(huán)網(wǎng)互聯(lián)，不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)控制及基于監(jiān)測(cè)結(jié)果的智能聯(lián)動(dòng)功能，不能實(shí)現(xiàn)有人運(yùn)行、無(wú)人停車(chē)功能。

因此，引入PLC 裝置，對(duì)架空乘人裝置控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造，增加相應(yīng)的傳感器及控制箱，建設(shè)架空乘人裝置智能監(jiān)控系統(tǒng)，利用工業(yè)環(huán)網(wǎng)接入礦井智能綜合管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程集中控制[3]。

2 安全架空乘人系統(tǒng)改進(jìn)方案

對(duì)現(xiàn)有的兩部架空乘人裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造，具體方案為：設(shè)備安設(shè)相應(yīng)傳感器、執(zhí)行器及控制器，地面數(shù)據(jù)中心部署架空乘人裝置智能管控平臺(tái)，通過(guò)架空乘人裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)控制，以及有人運(yùn)行、無(wú)人停車(chē)功能。完善綜合保護(hù)裝置，使架空乘人裝置能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)綜合保護(hù)裝置的智能聯(lián)動(dòng)，并將架空乘人裝置在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)環(huán)網(wǎng)融入礦井綜合智能管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程集中控制[4]。

3 安全架空乘人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 安全架空乘人裝置系統(tǒng)架構(gòu)

架空乘人裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)采取“集中管理、分散控制”的模式。安全架空乘人系統(tǒng)如圖1所示，設(shè)計(jì)采用B/S 與C/S 混合構(gòu)架，采用快速以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)分為三層，即遠(yuǎn)程監(jiān)控層、數(shù)據(jù)傳輸層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。

圖1 安全架空乘人系統(tǒng)

3.2 安全架空乘人系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)安全架空乘人系統(tǒng)監(jiān)控層和設(shè)備層之間的溝通，需進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)，結(jié)合系統(tǒng)功能，安全架空乘人系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下頁(yè)圖2 所示。全系統(tǒng)核心為PLC 控制箱，當(dāng)設(shè)備層紅外對(duì)射傳感器、攝像頭等感知到人員信息后，PLC 控制箱結(jié)合人工操作臺(tái)向機(jī)尾就地控制箱輸出控制信號(hào)，并將現(xiàn)場(chǎng)情況反饋至集控中心和調(diào)度大屏，方便地面人員及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)狀況[5-6]。

圖2 安全架空乘人系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

配置一臺(tái)新的礦用防爆PLC 控制箱，采用S7-1200 控制器，更換原有的控制箱，接入原有的架空乘人裝置控制及保護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)內(nèi)置交換機(jī)集中上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。升級(jí)觸摸屏型操作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)架空乘人裝置控制系統(tǒng)的就地操作及顯示，并在PLC中加入超速、欠速、油溫監(jiān)測(cè)、張緊力下降、防脫繩、變坡點(diǎn)防掉繩、全程急停、防斷軸保護(hù)和鋼絲繩檢測(cè)等保護(hù)功能。

在地面數(shù)據(jù)中心設(shè)置一臺(tái)工控機(jī)用于集中控制及系統(tǒng)顯示，各架空乘人裝置控制箱通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)融入礦方工業(yè)環(huán)網(wǎng)，地面數(shù)據(jù)中心設(shè)有交換機(jī)，與工控機(jī)連接，共享各架空乘人裝置控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，控制站制作組態(tài)畫(huà)面，直觀顯示兩部架空乘人裝置運(yùn)行狀態(tài)、保護(hù)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示?？赏ㄟ^(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊組態(tài)軟件畫(huà)面，控制架空乘人裝置啟停，也可將視頻監(jiān)控及組態(tài)畫(huà)面通過(guò)調(diào)度大屏顯示。

架空乘人裝置機(jī)尾新增一臺(tái)礦用隔爆就地控制箱機(jī)，控制箱內(nèi)置S7-1200 系列控制器及交換機(jī)，在架空乘人裝置機(jī)頭及機(jī)尾各增加一套紅外對(duì)射裝置，分別接入機(jī)頭PLC 控制箱及機(jī)尾就地控制箱。通過(guò)紅外對(duì)射裝置感應(yīng)是否有人乘車(chē)，從而實(shí)現(xiàn)架空乘人裝置有人運(yùn)行、無(wú)人停車(chē)的自動(dòng)啟、停功能[7]。

3.3 安全架空乘人裝置系統(tǒng)關(guān)鍵功能

安全架空乘人裝置主機(jī)可根據(jù)人員情況選擇閑時(shí)自動(dòng)開(kāi)停功能，節(jié)省電能、減少設(shè)備磨損，具有遠(yuǎn)程手動(dòng)運(yùn)行模式、就地控制模式和遠(yuǎn)程自動(dòng)運(yùn)行模式，并在平臺(tái)顯示控制畫(huà)面。當(dāng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作切換到遠(yuǎn)控模式后，交由數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行無(wú)人值守和遠(yuǎn)程控制，三種操作模式如下：

1）遠(yuǎn)程手動(dòng)運(yùn)行模式，在上位機(jī)組態(tài)畫(huà)面上點(diǎn)擊啟動(dòng)或停止。

2）就地控制模式，通過(guò)就地操作臺(tái)上按鈕進(jìn)行啟動(dòng)或停止，遠(yuǎn)程與就地只允許一點(diǎn)啟動(dòng)，多點(diǎn)停止，通過(guò)操作臺(tái)上的遠(yuǎn)控或近控按鈕進(jìn)行選擇，保證設(shè)備安全。

3）遠(yuǎn)程自動(dòng)運(yùn)行模式，在完成地面控制時(shí)，利用紅外傳感器，完成人員的到位識(shí)別、設(shè)備開(kāi)停的可靠控制，實(shí)現(xiàn)有人自動(dòng)開(kāi)車(chē)、無(wú)人自動(dòng)停車(chē)的功能，保障設(shè)備有效節(jié)能。在上位機(jī)顯示各保護(hù)狀態(tài)，并配合原有沿線(xiàn)各項(xiàng)功能，構(gòu)成完善的安全控制系統(tǒng)[8]。

4 安全架空乘人裝置軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為便于掌握系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，需進(jìn)行監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)界面及具體功能描述如圖3 所示。

圖3 安全架空乘人系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

安全架空乘人系統(tǒng)界面主要由功能菜單、操作控制、監(jiān)控曲線(xiàn)、監(jiān)測(cè)畫(huà)面和系統(tǒng)狀態(tài)等五部分組成。功能菜單完成用戶(hù)登陸、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、系統(tǒng)設(shè)置和數(shù)據(jù)保存。監(jiān)控曲線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)架空乘人裝置的運(yùn)行參數(shù)（如開(kāi)、停狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間、主電機(jī)電流、電壓、功率、速度、驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸溫、三相定子溫度和變頻器等的主要運(yùn)行參數(shù)）。監(jiān)測(cè)畫(huà)面和系統(tǒng)狀態(tài)功能可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各保護(hù)裝置的狀態(tài)，具有聲光報(bào)警及聯(lián)動(dòng)顯示功能，并能實(shí)現(xiàn)視頻聯(lián)動(dòng)[9]。操作控制系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)綜合保護(hù)裝置的智能聯(lián)動(dòng)，并具有數(shù)據(jù)處理功能。可自動(dòng)完成各系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)、啟動(dòng)次數(shù)統(tǒng)計(jì)以及相關(guān)的邏輯故障分析，為設(shè)備的維護(hù)提供了指導(dǎo)性的數(shù)據(jù)。其中的報(bào)表統(tǒng)計(jì)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)按班次、日、月、季和年等統(tǒng)計(jì)報(bào)表并打印。系統(tǒng)具有故障診斷與預(yù)警功能，同時(shí)發(fā)出聲光故障報(bào)警，且具有故障報(bào)警記錄，可以隨時(shí)查閱故障報(bào)警信息，特殊情況下，對(duì)誤報(bào)警告信息可以屏蔽。系統(tǒng)具有權(quán)限管理功能，可添加或刪除管理人員，并對(duì)操作人員的賬戶(hù)、密碼和權(quán)限進(jìn)行維護(hù)。實(shí)現(xiàn)上位機(jī)遠(yuǎn)程控制和就地自動(dòng)啟、停功能[10]。

5 結(jié)語(yǔ)

架空乘人裝置作為煤礦井下重要的人員運(yùn)輸裝備，必須保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在研究原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入PLC、安全裝置及集成監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手動(dòng)、就地手動(dòng)、自動(dòng)控制等三種模式的轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)輸啟停及過(guò)程的精確控制，大大提升了人員運(yùn)輸?shù)陌踩院吞幹玫乃俣?，?duì)提高煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。