基于网络环境的矿井钢缆皮带组集中控制系统的研究

2017-04-22张宁蒋伟覃光志袁兴朱云霞闻平

科技创新导报 2016年32期

张宁+蒋伟+覃光志+袁兴+朱云霞+闻平

摘要：矿井钢缆皮带是煤矿生产中的关键设备，用于长距离、大运量的运输，是矿井出煤的主要通道，同时还作为交接班上、下井输送人员和运送材料、矸石的通道，该文针对钢缆皮带在实际应用中的现状及存在的问题，结合近几年流行起来的工业网络和集中控制技术，开发了一套基于以太网的钢缆皮带组集中控制系统，并已在现场得到了成功的应用。该系统较好地实现了在调度集控室对钢缆皮带运行状况的实时监控，能够及时地监视现场各运行参数的状况，一旦现场系统运行有故障，可以实时地对事故进行相应的保护操作并进行报警，实现对各段皮带实时、可靠、快速的运行监控效果。

关键词：钢缆皮带集中控制 WINCC 工业网络

中图分类号：TD676 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）11（b）-0007-04

Abstract：The wire rope strap is the important equipment in the mining production. It is used in long distance transport. It is the main way of transport. It is used to transport people and stuff.This paper develops a centralized control system basing on Ethernet against the main problem with the industrial network technology. This system can monitor the wire rope strap status. Once a fault occurs， this system can protect and alarm.

Key Words：Wire rope strap； Centralized control； WINCC； Industrial network

煤矿巷道式钢丝绳牵引皮带式输送机是用两台大功率电机拖动两条牵引钢丝绳作为牵引机构，胶带带有特制的双面耳槽搭在两条无极钢丝绳上作为承载物料的构件，由传动滚筒和钢丝绳间的摩擦力驱动钢丝绳和胶带运行。同时通过液压盘式刹车系统来达到制动的效果，满足矿井运送煤矿和物资的需要。

钢缆皮带安装于煤矿井下倾斜的巷道中，由两台大功率直流电机通过滚筒牵引钢丝绳使皮带运转，从而达到提升煤炭、矸石、材料、人员等需要，是煤矿运输生产的关键设备，所以其电控系统不同于普通电机启动、停止控制需要，因直流电机功率很大，而且牵涉到安全问题，设备正常运转时要经过起动、加速、等速、减速、爬行、减速、停止等不同的调速控制过程，而且由于矿井原煤运输线路长、生产环节多、工艺复杂、运输量不均衡、设备负荷变化大、频繁停车等原因，造成耗电耗力，同时因制动系统不可靠或者设备出故障，事故率居高不下。

随着工业自动化水平的提升，特别是国家对煤矿安全生产要求的提升，本着以人为本的生产理念，特别是工业网络通讯及监控软件系统的发展，为了能完善和提高钢缆皮带组的自动控制技术，满足煤炭安全高效可靠的生产需要，必须将煤矿钢缆皮带系统组成集中控制系统，运用高速发展的工业网络通讯技术、DCS分布式设备数据采集技术和工业监控软件平台系统，实时监控整个皮带组的整体运动情况，实时监控一线生产数据情况，一旦监控到有问题，就立即整改，防止事故的发生。

1 煤矿钢缆皮带输送控制系统与工业网络通讯技术简介

1.1 煤矿钢缆皮带输送控制系统

煤矿钢缆皮带输送系统是整个煤矿输送的核心，它的安全运行关系到整个煤炭生产的命脉。

钢缆皮带运输机系统主要用于煤矿长距离、大负载、长时间等特殊要求的场合。它通过高强度的钢丝绳牵引，通过大容量的直流电机牵引钢丝绳，并配有液压盘式制动系统，满足长距离、高负载的输送要求。图1是钢缆皮带钢丝绳牵引系统。

由于煤矿钢缆皮带系统特殊的安全需求，其整个电控系统相比传统控制模式，具有不同的框架，其整个电控系统由底层单片控制的直流电机励磁和转子驱动电流电路系统、PLC逻辑控制系统、数字量多点式监控系统、上位机软件操作系统、硬件平台操控系统等组成。

钢缆皮带组工业监控系统的整体设计原则是统一管理监控平台，分布式运转、网络化数据就地采集，高速数据交換，采用DCS分布式单设备控制系统，通过本地网络化数据信息采集，最后统一在一个监控平台上实时监控生产，满足煤炭要求的高效安全生产需要。图2是DCS分布式单设备本地控制平台。

1.2 工业网络通讯技术系统

随着工业自动技术的发展，特别是工业通讯网络技术的发展，尤其是现在提出的工业4.0，工业自动化网络通讯技术发展很快。

同时随着数据信息化时代的到来，大数据处理技术的发展和云计算的发展，可以将工业分布式现场的大量生产数据，通过通讯网络采集上来，进行集中运算处理，满足工业信息化时代的要求。

工业网络是在工业生产环境中的一种全数字化、双向、多站的通信系统。工业网络自出现以来，在我国得到迅速的发展，并已广泛应用于钢铁、化工、军事、楼宇控制等行业及领域。

随着工业网络的发展，工业自动化控制逐步由模拟量到数字量转变，由集中式到分布式转变，由封闭式到网络通讯实时监控的信息化通讯的模式转变，满足现代工业的高自动化、高信息化的转变要求。

2 煤矿钢缆皮带运输系统网络集中控制系统的原理与应用

煤矿生产系统主要包括底层煤矿开采系统、煤矿分选系统、煤炭存放系统、煤矿运输系统、煤矿精选系统等构成，其中煤矿生产运输系统是核心之一，一般有立式提升机或者巷道式钢缆皮带构成。

巷道式煤矿主运系统是常用煤炭输运系统，该系统通过多段分段运输机构连接而成。每台煤炭钢缆皮带运送系统有大容量直流电机牵引高强度的钢丝绳带动皮带运输，同时采用液压盘式制动系统来实现安全制动，同时底层直流电机控制系统采用单片机控制直流电机的励磁、转子的电流驱动、PLC控制电气系统、上位机监控操作软件平台、硬件操作保护平台构成，形成一套可靠的控制系统。为了满足多皮带配合安全有效运转，需要将相对独立的皮带控制系统组成一个大的网络控制平台，通过网络数据通讯实时监控每台钢缆皮带的运转情况。

2.1 煤炭钢缆皮带输送系统网络控制系统硬件组成

钢缆皮带组工业网络协调监控系统按照分散运转、集中监控的原则，采用分布式本地控制，网络通讯数据采集监控，通过工业高速网络通讯技术和计算机软件技术是实现网络集中数据监控。

每套钢缆皮带电控PLC控制系统都配有网络通讯模块，网络通讯模块通过背板和PLC的CPU通讯，同时网络通讯模块通过工业以太网技术将数据实时传输到集中控制平台，集中监控平台利用高速计算机软件技术实时跟踪每台钢缆皮带的运转数据，一旦数据异常启动报警，让相关技术人员进行故障实时排查，将故障及时处理。

系统具体功能如下。

（1）在煤矿企业集中控制调度室监控系统中，通过工业以太网技术实时接收各地的钢缆皮带运转数据，并通过软件算法分析各种数据，实时分析数据情况，一旦异常进行报警提示，并给出相应的数据故障地址。

（2）每段皮带运行系统在本地独立运转，同时通过网络和其他钢缆皮带系统进行联机通讯，并将自己的数据实时通过工业以太网传输给集中监控计算机平台。

（3）煤矿企业组成一个故障分析排查小组，一旦集中控制平台分析数据有异常，技术人员进行故障分析并进行及时处理，高速有效地进行运转。图3是钢缆皮带监控系统运输监控结构图。

同时各自独立的钢缆皮带电气控制系统中使用两个独立的PLC子系统组成控制网络，由操作PLC和保护PLC组成，两套系统通过DP总线通讯，同时保护PLC采用冗余两套PLC架构，一套处于热机备用状态，一旦检测到一台PLC出问题，立即进入工作。同时操作PLC系统通过485和上位机通讯，本地上位机带有监控和操作界面，实时显示当前运转情况。

2.2 煤矿钢缆皮带运输网络控制系统实际应用

煤矿钢缆皮带网络监控系统通过网络化实时采集每台钢缆皮带的数据，通过软件分析数据情况。

集中监控系统中采用主界面和分界面的方式，可以通过画面切换实现系统各种功能。每台钢缆皮带监视画面可以对皮带的电流、电压、温度等参数进行监控，实时监控现场系统运行状况，一旦软件分析数据有异常，就报警，并通知相关技术人员进行分析处理。

在控制界面中可以实施远程电机的开车、紧急停车、正常停车和安全复位等控制信号，通过远程来显示对现场设备的控制。

综合自动化实际使用表明，该系统可以很好地满足矿井生产的要求，能对现场皮带运行系统进行实时的监控，提高了煤矿运输的安全可靠性和生产效率，为煤矿安全生产管理工作注入了新的活力，为建设数字化本质安全型矿井又添加了一块基石。图4为钢缆皮带网络监控系统实际使用图。

3 结语

该文所研究的煤矿钢缆皮带运输系统的综合自动化充分利用了工业以太网通讯技术、PLC逻辑控制技术、计算机软件算法技术、监控软件技术，实现对煤礦机电设备的远程集中监测与控制，并且各子系统既可以集中控制，也可以独立自成体系单独使用，提升了煤矿生产的安全系数。

该系统较好地实现了在统一集控室对钢缆皮带运行状况的实时监控，能够及时地监视现场各运行参数的状况，一旦现场系统运行有故障可以实时地对事故进行相应的保护操作，实现对各段皮带实时、可靠、快速的运行监控效果。

参考文献

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[2] 张浩.工业计算机网络与多媒体技术[M].北京：机械工业出版社，1998.

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