绿水洞煤矿皮带集控系统的应用与研究

2023-01-02刘杰

中国设备工程 2022年8期

刘杰

（川煤集团华荣能源有限公司绿水洞煤矿，四川华蓥 638601）

绿水洞煤矿皮带运输系统由8条皮带机呈Y字型水平首尾搭接而成，为了提升矿井自动化水平，实现自动化减员增效、节能、煤矿“无人则安”的发展目标，本方案依托绿水洞煤矿原有的工业环网和“综合一体化生产控制系统”，本次采用对井下8条皮带和2台给煤机进行集中监控，同时对3个井下煤仓仓位进行监测。

1 系统设计原则

（1）可靠性。对煤矿皮带自动化监控系统来说，系统的可靠性是安全、高效生产的重要保障。采用2台监控计算机可互为备用，确保控制系统的灵活、可靠运行。同时，充分考虑控制系统可能受到的电源干扰、布线干扰和振动、灰尘、煤泥水等的影响。监控系统在信号采集方面，模拟量信号采集采用信号隔离器，开关量信号输入、输出采用中间继电器隔离，以避免电磁干扰。在仪器仪表的选型中，采用高可靠性，并具有防爆资质的产品，以保证自动化系统在生产过程中能长期稳定可靠运行。（2）先进性。采用国内外先进的技术和设备以及最新的科研成果，确保改造后的系统功能稳定，运行可靠，在技术及管理等各方面都居国内同行业最先进水平。（3）前瞻性及可扩展性。系统在结构设计、软件设计及硬件选型，必须具有前瞻性，既能为将来的系统完善留出扩展容量，又能具有灵活的网络扩展能力，方便将来系统的扩展。（4）高性价比。在系统设计中应多做比较分析，以使得系统结构、硬件选型、系统的整体性能等方面具有高性价比。

2 设计方案

根据当前绿水洞煤矿实际情况，本着经济、先进和可靠的原则。利用有关煤矿皮带监控系统的科研成果，结合多处使用的成功经验，设计出符合绿水洞煤现场实际情况的集控系统技术方案，方案实施后真正达到先进可靠、减员增效的目的。

本次采用方案的系统可分为地面及井下集中监控中心、以矿用本安型控制器为监控核心的胶带运输监控系统、视频监控系统组成。在1#皮带机头设置1个井下集中控制中心，放置1台防爆计算机和1台防爆录像机，用于井下集中控制和视频监视，并上传数据到地面监控室；在3#、6#、8#皮带机头分别放置1台矿用本安型控制器，用于分布式集中控制，在1#、2#、4#、5#、7#皮带机头和7#皮带机尾与8#皮带机尾共7处分别放置1台矿用本安型子站控制器，用于就近控制机电设备，于1#、4#、8#皮带机头煤仓分别放置1台雷达波料位计，用于仓位监测和以煤仓和皮带为核心实现系统联动控制，在皮带机头、皮带搭接处和落煤处设置摄像仪，用于观测皮带的运行情况；在每处控制点附近放置1台矿用本安型光端机，用于系统的网络建设，使其独立形成1个网络，在井下集中控制中心放置1台PLC防爆箱用于采集和处理分布式集中控制主站的数据。

2.1 地面及井下集中监控中心

地面控制系统主机为1台工控机，设置在可接入矿井环网的调度室内；可实现系统的一体化集中监控（画面与视频一体）和Web网页访问；并可实现图形监控、动态图形显示、历史数据采集管理、状态趋势图、自诊断、报警等诸多功能；还可提供多种数据接口实现数据的共享与传播。

井下集中监控中心由1台防爆计算机、1台防爆录像机和1台PLC防爆箱及操作台组成，操作方便简单，使用鼠键就可以查看视频信息、监视和控制运输监控系统。地面调度室与井下集控室的集控计算机互为双机热备。

2.2 以矿用本安型控制器为监控核心的胶带运输监控系统

系统具有能对胶带输送机的速度、烟雾、温度、煤位、跑偏、撕裂、电机电流、胶带张力等进行实时监测和保护控制，同时还具有急停闭锁、自动洒水降温、语音通话、动画信息显示、报警、联网等功能；可单机运行，也可对多条胶带输送机组成的运输系统及其相关设备进行集中监测、保护和控制。

（1）井下皮带保护控制系统硬件配置。每条皮带机头配置一台主控器或子站，用于接入该皮带的堆煤、速度、烟雾、跑偏、超温洒水等保护信号同时控制该皮带的启停；给煤机可设置一台子站采集信号并控制给煤机；每台IO配置一台信号转换器用于本安和非本安信号的转换；皮带沿线每隔100m设置一台矿用本质安全型组合急停闭锁开关，实现拉线急停闭锁功能；皮带沿线每间隔200m设置一台矿用本质安全型组合扩音电话，实现语言通话；每200～700m设置一对跑偏，一级跑偏报警二级跑偏停车；机尾或落煤点处设置撕裂传感器；变频器提供RS485通信，调速可采用固定分段曲线，对外提供触点实现启停。

各主控器分别就近接入以太网光纤转换模块，经光缆到井下集中控制室，再进入矿井环网，与地面皮带集控计算机连接通信。

（2）系统功能。控制方式。系统包括两种控制方式：一是在计算机控制方式下，由工作人员在监控中心监控计算机上对设备进行控制操作；二是在控制器控制方式下，由工作人员在显示控制台上对设备进行控制操作，在监控中心监控计算机上可监测。

工作方式。系统具有集控、就地、检修三种工作方式。远程集中控制：通过监控计算机监控画面向井下主控器发起车和停车指令，自动按流程顺序起动、停止、联锁与保护；就地控制：由本司机根据生产要求在主控器上发出开车、停车指令，同时将信息传给监控计算机；禁启/检修方式：当设备发生故障时，按下急停开关并锁住则可实现设备检修或禁启。

（3）控制功能。集中自动控制胶带机起动运行。由调度中心操作司机在地面监控计算机发出开车指令，系统按照联锁关系自动给相应的胶带机控制器发出开车命令；各控制器收到开车命令后，自动发起动预告，然后起动相应电机，皮带开始起动，同时监测各信号是否正常，并将信号传给地面。

集中自动控制胶带机正常停车。由调度中心监控计算机发出停车指令，系统按照联锁关系自动给相应的胶带机控制器发出停车信号；各控制器收到停车信号后，自动先停机尾给煤机，延时一段时间待胶带上的煤拉完后，控制停车,控制抱闸，并将信号传给地面。

集中自动急停胶带机。当任一胶带机出现紧急停车故障时，如闭锁、纵撕、堆煤等，则该控制器将紧急停车，停主电机，控制抱闸；同时，将信号传给地面监控计算机；地面监控计算机接收到该控制器急停后，自动将与该皮带有闭锁关系的设备停止运行。

就地自动控制胶带机。控制器将工作方式转到单机自动时，则该胶带的启停直接由该控制器自动控制，该控制器将不参与集控，即不接受监控计算机的控制命令，但仍需将信号传给主站；这样监控计算机仍可监测、集控其他设备，而不受该设备的影响。

就地手动控制胶带机。控制器将工作方式转到单机手动时，则该胶带的启停直接由该控制器的手动转换开关控制，它将不参与集控，即不接受监控计算机的控制命令，但仍需将信号传给监控计算机，这样监控计算机仍可监测该设备。

（4）检测与保护功能。每条胶带机设打滑、沿线闭锁、跑偏、堆煤、超温、自动防尘洒水等保护，并留有保护接口。

速度检测、打滑和超速保护。实现低速打滑和超速保护。传感器滚轮与胶带输送机软连接，采用光电检测原理，测速范围广，低速性能好，抗干扰能力强。

沿线急停闭锁和故障位置检测。选用拉绳急停闭锁开关。用于胶带输送机沿线紧急闭锁保护，具有故障地点识别功能，当闭锁开关动作，控制机报警并发急停命令。

胶带跑偏保护。用于运输机胶带跑偏检测和保护用，成对使用。跑偏开关采用插接式的电缆连接方式，易于安装和拆卸。该跑偏开关探测杆采用软连接并可万向转动，可有效避免皮带上大的物体对跑偏开关的冲击而造成损坏。

堆煤检测。传感器一般吊挂在机头胶带卸载入口处，或机头的煤仓内，当卸载点发生堆煤时，报警并急停。

超温检测。温度传感器检测皮带滚筒温度，当温度超过温度传感器的设定值时，传感器动作，控制机报警。

急停。当任一胶带机出现紧急停车故障时，控制器将紧急停车，同时将信号传给监控计算机；监控计算机接收到该控制器信号后，自动将与该皮带有闭锁关系的设备停止运行。

显示与报警。在监控计算机和显示控制台上可动态显示各设备的运行状态和故障信号；可实时显示急停及跑偏位置、皮带速度、滚筒温度等模拟量信息；可自动汉字及语音提示各故障信息；可在现场设备起动前和起动过程中，通过预警器向现场发预告信息。

2.3 视频监控系统

在井下集中控制中心放置1台硬盘录像机，用于视频的集中管理；在每条皮带机头、机尾、给煤机处及皮带转弯度大处各放置1台矿用本质安全型网络摄像仪；在每台摄像仪附近设置1台矿用浇封兼本安型光端机，用于提供摄像仪电源和采集信号。

2.4 顺煤流方案使用

为了防止带式输送机运输的过程中产生堆煤的事故，通常带式输送机的开启需要从首条皮带依次启动，在启动的整个过程中，先启动的皮带一直处于空转状态中，这种启动方式因为皮带空转导致电能的浪费。为此，采用智能视频技术、载荷多少检测、时间时序方式，充分利用计算机网络和集中控制技术，实时进行信息数据采集、实现带式输送机顺煤流启车，无煤停车，从而有效减少皮带空转所带来的经济损失。

绿水洞煤矿运输系统采用以下2个顺煤流启动方式的流程：1#流程为从7号皮带＞6号皮带＞5号皮带＞2皮带＞1皮带，总长大约6500m，7号皮带为变频启动，其余为电子软起动方式；2#流程为从3号皮带＞2皮带＞1皮带，总长大约2500m，控制方式为电子软起动方式。

（1）胶带机连锁。胶带机连锁是指前部胶带机停止，后部胶带机也随之停止，前部胶带机没有启动，后部胶带机也不能启动，防止后部胶带机运的煤堆积在机头。（2）胶带机煤流检测。采用机械式和非接触式共同使用，非接触式采用超生波/激光传感器检测，机械式采用堆煤传感器改造。（3）时间控制防止煤流检测失效。为防止煤流检测失效，添加程序时间控制，根据胶带机长度计算煤流到达时间。程序设定的时间与煤流检测传感器检测到煤流，这两个条件任何一个到达，前部胶带机必须在规定的时间内运行，否则，后部胶带机连锁停机。（4）无煤延时停车。当距离机尾100m处煤流传感器检测不到煤流时，延时L/V秒（L为皮带长度，V为皮带运行速度）将皮带上的料拉空后自动停车。

2.5 根据煤仓仓位启停及闭锁设备

以井底煤仓和皮带为核心实现系统控制和联动。

煤仓临近满时，系统首先通过设定值进行预警（语音播报），提示人为干预，如集控员未进行人为干预，当煤仓数据达到极限阀值时，系统自动触发相关命令停皮带，在控制界面中弹出相应的视频画面。

煤仓临近空时，系统首先通过设定值进行预警（语音播报），提示人为干预，如集控员未进行人为干预，当煤仓数据达到极限阀值时，系统自动触发相关命令，停止相关皮带。

2.6 系统特点

（1）系统设置井下集中控制中心，把视频和控制系统集成在一起，可远程集中监控系统运行情况，查看实时和历史报警等参数，在同一界面可监视控制系统和视频信息；（2）地面系统有Web发布功能，可实现无插件的网页访问；（3）可以井底煤仓和皮带为核心实现系统控制和联动；（4）可实现系统顺、逆煤流启动；（5）矿用本安型控制器按照本安型可编程自动化控制器功能设计，具备嵌入式计算机、可编程控制器、人机界面等功能，一机多用，节约用户投资；（6）控制器之间可实现协同控制；（7）皮带沿线保护传感器就近接入总线，总线沿线设备地址自动分配、故障准确定位；（8）总线方式，航插快速连接，设备安装维护方便；（9）集成模拟和VoIP数字电话通信功能，可灵活实现与矿用调度通信系统的互联互通；（10）皮带沿线布有护套钢丝绳，解决拉力线缆难以实现拉线急停的功能。

2.7 主要设备技术性能

（1）本安型主控制器。实现控制急停闭锁、打点预警、语音报警、通话等功能。（2）矿用隔爆兼本安直流电源。每路电源的电压可以根据需要选配；采用快开门结构设计多路本安电源输出。（3）急停闭锁开关。设备具备位置自动识别，LED指示设备状态，采用机械闭锁方式，手动复位，双向总线通信方式。（4）组合扩音电话。设备位置自动识别，LED指示设备状态，语音通话、预警、打点功能。（5）跑偏传感器。Ⅰ级、Ⅱ级各一组常开触点无源触点输出方式。（6）智能输入输出。输入兼容开关量和模拟量；输出为电平方式，兼容触点输出。（7）本质安全型多功能终端。用于总线末端的总线匹配、数据监测和发送。采用低功耗的微处理器实现电压监测，并传输到主控制器。（8）温度传感器。测量环境温度。（9）洒水电磁阀。主要用于煤矿井下皮带机头的洒水降温除尘。