1890 煤矿的井下皮带运输集中控制系统设计

郑 伟

（新疆焦煤集团1890 煤矿，新疆 乌鲁木齐 830025）

作为煤矿六大系统之一的运输系统[1]，在新疆焦煤集团1890 煤矿的工作面还是采用的现场人员直接操作的模式，实行分班值守看护作业。由于老旧的生产方式过于依赖人工，导致运输设备的生产效率很低，并与如今煤矿发展智能化的目标相违背。为保障皮带运输系统的高效正常运行，需要对皮带运输系统进行实时监测，同时判断系统运行工作状态，当监测出现异常状况时，系统可自动执行相应的保护措施[2]。

结合该矿实际情况，提出了“PLC 控制+皮带保护”控制模式的皮带运输集中控制系统。首先建立地面集中控制中心，主要功能是进行皮带运输系统设备自动远程控制，同时采集、存储、打印、查询和统计分析传感器监测数据、生成曲线和报表、记录事件信息、统计操作记录、传感器故障报警和监测设备运行状况，并进行视频图像监控[3]。

1 系统设计功能要求

（1）系统采用“PLC 控制+皮带保护”的控制模式，共同完成系统的监测、控制、查询、打印、报警等工作，实现皮带启动时张力平衡及减少冲击问题、运行紧急停车问题、故障或事故停车，本皮带与其他皮带以及相关设备顺序联锁控制。

（2）2 台控制主机设置地面监控室内，必须采用双机热备的配置，配有60 Ah 超大容量的不间断备用电源，确保控制系统稳定运行。上位机显示皮带机信息图，采用多层次的显示方式，分别显示保护状态、运行状态、故障记录等信息。上位机监视器图形组态画面采用平面效果工况图。

（3）在地面皮带集控室建立集中监控调度系统，配置工业控制计算机和万兆工业以太环网交换机。

（4）单独建立皮带集中控制系统的环网链路，通过5 条皮带机的隔爆以太网交换机的链接，构成以太网环网。

（5）结合图像监视功能，在皮带机机头、机尾和卸载点安装矿用隔爆高清网络摄像仪，在皮带调度室设置液晶大屏幕显示，采用液晶显示屏画面拼接形式，显示视频图像。

（6）在皮带的各段监测位置设置速度、纵撕、皮带跑偏、堆煤、温度、一氧化碳烟雾、张力等参数监测传感器，同时配置了低速打滑、自动洒水灭火等保护装置。

2 系统设计框图

系统由地面设备和井下设备两部分组成，井下设备部分是由矿用隔爆型万兆以太网交换机、PLC控制分站、各种检测传感器、隔爆型高清摄像仪、通信电话以及各种保护装置等组成，控制器采集各种传感器的检测参数，通过交换机上传监控主机，再由监控主机根据系统建模，做出对应的控制指令，经网络系统下发给控制分站，再由相应的保护装置根据指令进行动作。地面设备由监控主机、网络交换机、电源避雷器、后备电源等组成，主要是完成信息采集，综合分析判定，下发相应指令，通过以太网网络发送给其他终端设备。控制系统的设计框图如图1。

2.1 PLC 可编程控制分站

PLC 控制分站主要用于煤矿井下的皮带运输自动化控制系统，分站采用德国SIEMENS 的S7-300系列PLC 可编程控制器作为核心部件，充分利用其广泛的适用性、高稳定性、可扩展性以及强大的通讯功能，利用可编程软件实现复杂的逻辑控制。控制分站内部的输入和输出信号与电源之间必须是独立的本安回路，一定要有可靠的隔离措施，从而保证与各种类型井下防爆设备的连接和匹配之间更加安全和可靠[4]。控制分站具有4 路以太网百兆光纤端口，最大传输距离超过30 km，8 路CAN 总线输入端口，30 路开关量输入端口，21 路开关量输出端口，控制执行时间不大于2 s。

2.2 自动洒水灭火装置

该装置可与皮带保护控制分站配套使用，也可单独使用，主要用于井下降尘、降温、灭火。其核心设备就是隔爆电磁阀，当皮带运行温度达到设定预警阈值后，系统下发打开装置的指令，装置收到指令打开电磁阀，装置就能自动洒水。

2.3 隔爆型万兆以太网交换机

由于系统主通信网络采用工业以太环网结构，所以建立井下工业万兆以太环网。采用由皮带监控数据、语音通话、视频监控“三网融合”的形式类协助皮带运输控制系统[5]。以太环网交换机采用符合工业以太网标准的井下网管型以太网交换机，配有4 个以太网万兆光纤端口、4 个以太网千兆光纤端口、8 个百兆可复用的电口和光纤端口，支持Turbo Ring 和Turbo Chain（自愈时间＜20 ms），RSTP/STP 和MSTP 网络冗余协议，增加骨干网络的可靠性和可用性[6]。

2.4 隔爆网络摄像仪

根据安全规程要求，需要安装矿用隔爆网络摄像仪15 套。具体位置分别在皮带机头、皮带机尾、中间转载和过桥部位。10 路工业电视图像信号通过光缆采用以太网传送，摄像仪采用高分辨率、超低照度、真彩色、红外光源、18 倍变焦摄像仪，还应具备IP67 外壳防护等级的要求。

2.5 各种参数检测传感器

监测皮带运行状态的传感器包括一氧化碳烟雾传感器、纵撕传感器、温度传感器、跑偏传感器、速度传感器、堆煤传感器、张力传感器等[7]。这类传感器都应采用CAN 总线传输方式，具备IP65 防护等级。具体的传感器类型和技术参数见表1。

表1 传感器类型和技术参数

3 系统软件

3.1 主要功能

（1）管理功能

系统需要具备原始数据采集、储存、报警、历史数据分析、曲线生成、显示、打印和查询功能。制成皮带机控制工艺流程，提供清晰、人性化的人机交互界面，界面友好，必须采用全中文显示，符合操作人员习惯。画面直观生动地显示各段皮带机运行状况的监测值。根据安全规程的要求，管理人员的操作必须采用分级权限管理方式，禁止越权操作。

（2）画面显示功能

可以分成虚拟现实的图像和列表显示两种模式，操作人员在控制室监视各个设备的运行数据，并对皮带机进行多项控制。显示功能包括整个系统皮带运行情况，每台电机运行情况，皮带保护故障屏蔽和解除、紧急停止皮带机运行情况，每台电机实时工作电流值、电压值，故障报警值，电机运转速度、温度值等。

（3）通讯功能

上位机通过通讯电缆线，采用以太网TCP/IP电口的通讯协议，完成与现场控制分站通讯。

3.2 上位机软件开发工具

IFIX 上位机控制软件支持全球众多的硬件控制， IFIX 可以免费提供大量的动态图素以及动画向导。它可以支持的图形类型有：JPG、TIFF、ICO、BMP、WMF、PSD、CUR、PCX、WPG、EPS、DWG、DWF 等等。IFIX 提供了系统运行的过程可视化和数据通信，同时还具备许多高效简洁的功能，为系统的开发人员提供必要的帮助。用户采用填表的操作方式，在功能向导的指引下逐步完成预设的功能。

3.3 井下PLC 远程编程

井下PLC 远程编程软件采用TIA Portal V16 编程软件，是用于SIMATIC 可编程逻辑控制器的组态和编程的标准软件包。它能够为编程者提供多种常用的应用工具，比如：管理器、符号编辑器、硬件诊断、编程语言、硬件组态、网络组态等。编程软件可以对硬件和网络实现组态，从而简化编写程序的过程[8]。所有监控程序能够实现在地面完成修改下发，即可以在监控室对井下控制装置内PLC 所有程序进行下载和上传。

4 监控平台与人机交互界面

系统集成了硬件和软件的功能，在1890 煤矿的主皮带机、279 皮带机、东主运皮带机、1803 皮带机和201 皮带机五个皮带运输机进行了实际安装应用。在地面软件通过IFIX 平台提供了大量的动态图素，结合关联的控制分站采集的传感器数据，可以得到如图2 所示的监控画面和图3 所示的采样分析曲线画面。

图2 皮带运输机监控画面

图3 监测实时曲线

5 结论

设计的井下皮带运输远程集中监控系统降低了1890 煤矿原有的人工对运输机各运行关键节点、保护装置节点的监测和控制的依赖，降低了井下人员的工作量，改善了劳动环境和强度，实现了皮带运输远程集中监控。从实际运行的效果来看，该远程监控系统的设计，完全能够实现监测定位皮带运输状况，及时发现故障并自动采取保护措施，保障了皮带运输机的安全生产，从而为煤矿带来更好的经济和安全效益。