孫奇志

（開(kāi)灤集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河北 唐山 063000）

0 引 言

隨著礦井的持續(xù)開(kāi)采，礦井儲(chǔ)量正迅速減少，可利用儲(chǔ)量日趨枯竭[1-4]。另外，現(xiàn)有的煤礦中，大部分礦井田范圍地表為數(shù)量眾多且高密度的建筑物，導(dǎo)致了嚴(yán)重的壓煤?jiǎn)栴}。本文以唐山礦業(yè)公司為例，在剩余可采礦井中，三下（建筑下、鐵路下和水體下） 壓煤所占的比例高達(dá)79.7%。同時(shí)，洗煤廠煤矸石年產(chǎn)量巨大，煤矸石在地表大面積的堆放不僅破壞和浪費(fèi)土地資源，而且嚴(yán)重污染環(huán)境[5]。“三下”壓煤、煤矸石處置和環(huán)境保護(hù)成為唐山礦面臨的三大難題，對(duì)最大限度的挖掘儲(chǔ)量資源，延長(zhǎng)礦井壽命，保證礦井可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義[6]。

煤礦充填工藝是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高效、環(huán)保、安全的煤礦開(kāi)采技術(shù)，能夠有效的解決我國(guó)在煤炭開(kāi)采中存在的諸多問(wèn)題。實(shí)施充填開(kāi)采，可以消除矸石山對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染，有效遏制了地表沉陷，保護(hù)地表和地下水資源，避免了地面基礎(chǔ)設(shè)施和建筑物損毀和村莊搬遷。李克針對(duì)煤礦充填材料的制備展開(kāi)研究并形成了一套自動(dòng)化控制系統(tǒng)[7]；李建民等針對(duì)輸送與充填同步控制系統(tǒng)展開(kāi)研究，但該研究?jī)H僅只針對(duì)物料的輸送和計(jì)量展開(kāi)，其精度和效率有待提升，并且沒(méi)有形成于一套全流程的自動(dòng)化控制系統(tǒng)[9]；鄧興全等針對(duì)金礦制備了一套充填自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)采自動(dòng)化、數(shù)字化[10]。

基于上述煤礦區(qū)存在的問(wèn)題和現(xiàn)有解決方法的不足，以唐山礦為研究對(duì)象，研發(fā)并優(yōu)化了一套充填開(kāi)采物輸送自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要從以下2 個(gè)方面研究：開(kāi)發(fā)煤礦充填開(kāi)采輔助管理系統(tǒng)客戶端，顯示皮帶秤數(shù)據(jù)、雷達(dá)物位計(jì)數(shù)據(jù)、矸石配比預(yù)警、配比指令；建設(shè)皮帶監(jiān)控系統(tǒng)，完成開(kāi)采區(qū)出煤方向多條膠帶機(jī)自動(dòng)化控制，接入進(jìn)矸方向集控箱，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一集中控制。

1 系統(tǒng)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

煤礦充填開(kāi)采物料輸送自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)以技術(shù)先進(jìn)、系統(tǒng)實(shí)用、結(jié)構(gòu)合理、產(chǎn)品主流、低成本、低維護(hù)量為原則，整體規(guī)劃系統(tǒng)硬件構(gòu)架。硬件平臺(tái)建設(shè)分為3 層架構(gòu)，包括礦用隔爆兼本安型信息傳輸分站和監(jiān)控分站、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)集成及布線、地面監(jiān)控中心，最終形成從地面到井下穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)。

硬件平臺(tái)由地面和井下設(shè)備組成，系統(tǒng)地面設(shè)備主要有監(jiān)控主機(jī)、備用機(jī)、UPS 電源、計(jì)算機(jī)軟件（包括操作系統(tǒng)、中心站軟件、應(yīng)用程序及其存貯介質(zhì)） 以及打印機(jī)、遠(yuǎn)程終端等；井下設(shè)備主要由KJJ660 礦用型隔爆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、DXB660/220 礦用隔爆型電源箱、KJ586-F 礦用隔爆兼本安型信息傳輸主站、KJ586-F1 礦用隔爆兼本安型膠帶運(yùn)輸監(jiān)控分站、傳感器、執(zhí)行器（含斷電器）、接線盒及通信光纜及電纜等組成。

該平臺(tái)采用PLC 作為主處理器，設(shè)計(jì)上采用了模塊化結(jié)構(gòu)。硬件簡(jiǎn)單合理，增強(qiáng)了整體的抗干擾能力和可靠性。該平臺(tái)采用急停開(kāi)關(guān)、溫度傳感器、堆煤傳感器、撕裂傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、煙霧傳感器、速度傳感器、電磁閥等設(shè)備對(duì)帶式輸送機(jī)沿路進(jìn)行保護(hù)，將采集的信號(hào)送入可編程控制器進(jìn)行運(yùn)算判斷處理。當(dāng)帶式輸送機(jī)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)超溫、跑偏、打滑等故障時(shí)，控制器輸出控制端通過(guò)子輸出控制信號(hào)對(duì)電磁啟動(dòng)器進(jìn)行開(kāi)?？刂?，電磁啟動(dòng)器的開(kāi)?？刂茷⑺b置或皮帶電機(jī)的啟停，在實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)的同時(shí)，實(shí)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)信息在上位機(jī)上顯示，通過(guò)聲光報(bào)警的方式報(bào)告異常信息。系統(tǒng)連接圖如圖1 所示。

圖1 硬件平臺(tái)系統(tǒng)連接Fig.1 Hardware platform system connection

1.1 信息傳輸

KJ586-F 礦用隔爆兼本安型信息傳輸分站是依據(jù)相關(guān)的煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)生產(chǎn)，用于實(shí)現(xiàn)模擬量和開(kāi)關(guān)量的采集和繼電器輸出控制功能。

信息傳輸分站內(nèi)置高性能西門子PLC，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。通訊方式采用TCP/IP 方式（用于和配套的交換機(jī)通信） 和CONTROLNET（用于和配套的監(jiān)控分站和顯示屏通信）。信息傳輸分站可置于煤礦井下，用于監(jiān)測(cè)井下各種環(huán)境參數(shù)、設(shè)備開(kāi)停狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控電氣設(shè)備的起動(dòng)、斷電以及閉鎖的控制。如圖2 所示。

圖2 信息傳輸原理Fig.2 Information transmission principle

1.2 數(shù)據(jù)監(jiān)控

數(shù)據(jù)監(jiān)控分站的原理是將現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量、模擬量信號(hào)采集到可編程控制器內(nèi)，信息傳輸分站的CPU 對(duì)數(shù)據(jù)監(jiān)控分站采集的信息進(jìn)行讀取、存儲(chǔ)、處理等操作，然后對(duì)分站發(fā)送控制信號(hào)；分站將收到的控制信號(hào)通過(guò)數(shù)字量輸出模塊控制繼電器輸出，從而啟動(dòng)或停止膠帶電機(jī)的啟動(dòng)和停止，達(dá)到控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備開(kāi)停的目的。

數(shù)據(jù)監(jiān)控分站由控制網(wǎng)模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入模塊組成。模擬量輸入模塊的功能是實(shí)時(shí)采集相關(guān)參數(shù)，開(kāi)關(guān)量模塊的功能是顯示、控制設(shè)備狀態(tài)等，各種輸入/ 輸出信號(hào)的采集、輸出、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)發(fā)均需要通過(guò)信息傳輸分站內(nèi)的CPU 編程實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)監(jiān)控分站監(jiān)控原理如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)監(jiān)控原理Fig.3 Data monitoring principle

1.3 應(yīng)用設(shè)計(jì)

系統(tǒng)接入唐山礦8 煤層矸石主運(yùn)集控系統(tǒng)，通過(guò)采集計(jì)量數(shù)據(jù)，指導(dǎo)矸石來(lái)料的配比。系統(tǒng)提供控制要求，由混矸集控室實(shí)現(xiàn)矸石按比例混合。

根據(jù)唐山礦實(shí)際情況，硬件平臺(tái)需要增設(shè)的設(shè)備包括膠帶運(yùn)輸監(jiān)控站、皮帶秤設(shè)備3 套、煤位計(jì)2 套、皮帶沿線保護(hù)傳感器等。3 套皮帶秤設(shè)備分別安裝在264 皮帶機(jī)頭、3 號(hào)膠帶機(jī)皮帶機(jī)尾和6 號(hào)膠帶機(jī)皮帶機(jī)頭；煤位計(jì)分別安裝在投料井下口矸石倉(cāng)、214 主矸石倉(cāng)；雷達(dá)物位計(jì)安裝在投料井、分選矸石倉(cāng)。各增設(shè)設(shè)備安裝位置如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)計(jì)量傳感器設(shè)備安裝位置Fig.4 Installation position of system metering sensor equipment

2 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

基于Windows 系統(tǒng)和組態(tài)軟件平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。軟件采用多層次的Client/Server 結(jié)構(gòu)，利用PowerBuilder 等進(jìn)行前端的開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用SQL Server 等，并為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)提供多種數(shù)據(jù)接口。

2.1 開(kāi)發(fā)架構(gòu)設(shè)計(jì)

煤礦充填開(kāi)采物料輸送自動(dòng)控制系統(tǒng)是在皮帶集控、電子稱計(jì)量和礦壓信息監(jiān)測(cè)專業(yè)應(yīng)用平臺(tái)的基礎(chǔ)上，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的專業(yè)應(yīng)用。系統(tǒng)整體基于組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)高效的交互軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)，平臺(tái)中的Active X 控件的強(qiáng)大功能，可以有效彌補(bǔ)其他語(yǔ)言圖形處理能力的不足，并能在瀏覽器中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)圖形編輯。圖形平臺(tái)負(fù)責(zé)將各種系統(tǒng)數(shù)據(jù)以圖形化的方式展現(xiàn)出來(lái)，具備靈活的二次開(kāi)發(fā)接口。平臺(tái)的人機(jī)界面（HMI） 和WEB 發(fā)布功能選用性價(jià)比優(yōu)秀的KingView6.55 組態(tài)軟件，使用更簡(jiǎn)潔，功能強(qiáng)大。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)集成

系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮信息管理平臺(tái)的應(yīng)用性和功能性。系統(tǒng)平臺(tái)分為充填響應(yīng)、備矸集成、電子稱計(jì)量、礦壓監(jiān)測(cè)、視頻聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和充填預(yù)警7 個(gè)功能模塊。

系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)編程、操作診斷等全過(guò)程組態(tài)應(yīng)用，采用統(tǒng)一的圖形窗口，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)，使得使用者可以輕松上手。實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)一，項(xiàng)目中的符號(hào)、變量等也保持一致。模塊化的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)操作更加清晰直接。

由于數(shù)據(jù)傳輸采用Internet 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此需要嚴(yán)格保證數(shù)據(jù)管理安全，需要對(duì)用戶權(quán)限進(jìn)行嚴(yán)格限制。系統(tǒng)采用用戶層、操作系統(tǒng)層等5 層安全數(shù)據(jù)控制構(gòu)架，具體構(gòu)架如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全控制體系Fig.5 System data security control system

3 系統(tǒng)應(yīng)用

利用唐山礦業(yè)公司煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)研發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)合唐山煤業(yè)公司現(xiàn)有混矸系統(tǒng)，投入在線檢測(cè)設(shè)備皮帶稱、矸石倉(cāng)雷達(dá)物位計(jì)和網(wǎng)絡(luò)攝像頭，通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)粗細(xì)矸石配比的監(jiān)控和預(yù)警。對(duì)出煤方向膠帶機(jī)自動(dòng)控制并接入運(yùn)矸方向集控箱，實(shí)現(xiàn)出煤皮帶的就地、集中、遠(yuǎn)程控制，并檢測(cè)出煤皮帶實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。對(duì)進(jìn)矸方向設(shè)備集中、遠(yuǎn)程控制。

用戶登錄后進(jìn)入系統(tǒng)的主界面，如圖6 所示。其中導(dǎo)航條包括充填響應(yīng)、備矸響應(yīng)、電子稱計(jì)量、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、用戶登陸、用戶注銷、退出系統(tǒng)。

圖6 系統(tǒng)主界面Fig.6 System main interface

系統(tǒng)的功能界面可以顯示該系統(tǒng)的整體工藝。系統(tǒng)可以在界面中實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)設(shè)備的動(dòng)態(tài)信息及運(yùn)行參數(shù)（圖7），調(diào)度員可以通過(guò)系統(tǒng)及時(shí)查看相應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖7 皮帶參數(shù)信息顯示Fig.7 Display of belt parameter information

備矸響應(yīng)系統(tǒng)的功能界面可以顯示該系統(tǒng)的井上及井下設(shè)備的所有工藝流程，如圖8 所示。設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)實(shí)時(shí)在系統(tǒng)中進(jìn)行顯示，設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)也會(huì)同步進(jìn)行更新顯示，在備矸響應(yīng)系統(tǒng)中可以隨時(shí)計(jì)算并查詢“粗細(xì)矸量比”，并據(jù)此進(jìn)行“粗細(xì)矸量設(shè)定”，實(shí)現(xiàn)混矸設(shè)備聯(lián)合控制。

圖8 備矸集成界面Fig.8 Integrated interface of gangue preparation

皮帶稱流量的實(shí)際應(yīng)用效果如圖9 所示，可以準(zhǔn)確顯示備矸量、進(jìn)矸量和出煤量。

圖9 皮帶稱流量的應(yīng)用Fig.9 Application effect diagram of belt weighing flow

系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)視矸石、原煤中皮帶電子稱的運(yùn)行狀態(tài)、流量、班產(chǎn)量、日產(chǎn)量、月產(chǎn)量、累積量等數(shù)據(jù)信息，如圖10 所示。

圖10 電子稱計(jì)量界面Fig.10 Electronic weighing interface

在實(shí)際生產(chǎn)中的夯實(shí)壓力數(shù)據(jù)會(huì)在系統(tǒng)中進(jìn)行精確的顯示，如圖11 所示。

圖11 夯實(shí)壓力數(shù)據(jù)Fig.11 Compact pressure data

自動(dòng)控制系統(tǒng)可以查看生產(chǎn)實(shí)際中的出煤進(jìn)矸比例，提升了工作效率，如圖12 所示。

圖12 進(jìn)矸出煤量Fig.12 Incoming gangue and outgoing coal

通過(guò)在實(shí)際礦井中的使用結(jié)果顯示，充填開(kāi)采物輸送自動(dòng)控制系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性都得到了有效的驗(yàn)證。自動(dòng)化設(shè)備及系統(tǒng)的應(yīng)用會(huì)使出煤方向減少4 個(gè)崗位工人，實(shí)現(xiàn)充填開(kāi)采的數(shù)字化、智能化。

4 結(jié) 語(yǔ)

為解決煤礦區(qū)現(xiàn)有的“三壓”、煤礦伴生資源利用率等問(wèn)題，本文基于唐山礦的具體情況，研究了一套充填開(kāi)采物料輸送自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更加精確的物料輸送，并實(shí)現(xiàn)充填數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)精確計(jì)算。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了物料的實(shí)時(shí)管理，備矸的查詢及使用預(yù)測(cè)，并能分析出煤進(jìn)矸比例、異常預(yù)警等功能。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了物料的充填、輸送全流程的自動(dòng)控制。