煤矿主副井提升机一体化智能集控技术研究

张红伟

（枣庄矿业（集团）济宁七五煤业有限公司，山东 济宁 277600）

国内矿山行业已经发展到一个特殊阶段：设备自动化程度不断提高，设备操作人员工作简化，但人员费用随社会发展不断提高，使减员增效成为现实的迫切需求；另一方面，设备网络化程度越来越高，光纤网络、5G 及云平台等技术得到广泛应用，在安全得到保证、技术手段完善的前提下，远程监控和控制的做法被普遍接受。随着国家智能化矿山建设政策的大力推行，矿井提升机的智能化、无人化、信息化是必然的发展趋势。提升机作为矿山咽喉设备，近年来无人化一直是关注焦点，提升机的无人值守势必带来安全运行、设备监控等问题，安全平稳运行必须具有完善的安全保护和安全联锁，提升机必须能够进行远程的全面监控；设备健康状态诊断也非常重要，除了提升机电控设备、液压设备检测，还有对于电机、轴承、减速器等设备的温度、振动检测，其数据分析、故障定位、预警报警、智能化是进一步发展的方向。

1 研究内容和方法

根据智能化需求推动远程集中控制技术快速发展，主井提升机负荷稳定且工况单一，无人值守较副井更易实现，西门子公司最早在国内煤矿有主井机房无人值守应用案例。国内知名电控厂家都在进行主、副井无人值守相关研究，随着近几年技术的成熟，在国内金属矿山主、副井提升机上已开展无人值守的应用，特别是金属矿多水平副井电梯式无人值守减员增效效果显著。而煤矿矿井提升机及井筒装备的智能化和无人化也在蓬勃的开展，该方案融合了当前先进的实时以太网技术、自动化控制及检测技术、无线通讯技术，方案的实施在国内矿井提升机方面处于技术前沿水平。

本系统囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的先进技术的PROFINET 新一代工业以太网技术的自动化总线标准，采用西门子S7-1500 系列PLC 的PROFINET 实时以太网技术，在主井机房增加传感、可编程、视频及网络设备，完善现有提升机检测和监控，通过光口交换机连接主井机房及副井机房，主井所有数据通过光纤远程连接至副井机房及调度中心，实现主井全自动运行，机房无司机值守，在调度中心或副井机房远程监控主井提升系统。

在调度中心安装计算机工作站。主、副井控制升级改造完毕后将主、副井所有数据通过光纤远程连接至调度中心。利用原电视墙、专业操作站和核心工业交换机，记录、分析、存储所有上传的提升机运行数据，并通过智能化软件系统监控2 台提升系统的运行状况和安全信息，进行远程管理及维护，可实现故障自动预警、报警。

本系统将实现主井提升机全自动运行和集中监控管理，保证设备运转稳定，减少岗位工数量，降低人工成本，提高系统信息化和智能化。

调度中心工作站监控软件基于SIMATIC WinCC(Windows Control Center)—视窗控制中心，它是第一个使用最新的32 位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。内置操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；可基于Web 持续延展，采用开放性标准，集成简便。

智能传感检测技术，包含利用温度、振动、位移、烟雾、视频等传感技术，以及上端采集嵌入式系统开发技术，边缘计算技术。

系统集成技术，即综合以上技术，对提升系统优化设计、完成控制程序及软件组态开发的能力。

2 项目技术方案

2.1 技术路线

矿井主副井提升机一体化智能集控系统研发技术路线如图1 所示。

图1 系统网络架构示意图

2.2 系统总体设计

2.2.1系统设计原则

（1）系统的可靠性原则。提升机自动化系统在满足工艺要求的基础上能长期稳定运行，并具有抗各种干扰的能力，满足电磁兼容性和安全性的要求：所提供的系统软件是当今国际计算机控制领域公认的、稳定可靠的、工业标准的实时操作系统和相应的系统软件：系统配置的通信网络、过程控制系统、系统软件和标准的商用软件具有高容锚能力；所提供的设备符合工业标准，所有部件具有较强的抗电磁及无线电干扰能力。

（2）系统的先进性原则。控制系统采用的硬件或软件，均采用目前最先进的产品和成熟的软件版本且在其他现场应用可靠，并考虑到更先进、成熟的产品和软件版本出现时，能与现在采用的产品和软件保持兼容。

（3）系统的实用性原则。以实用性为原则，设计实用、可靠、便于维护的控制系统，设计的控制功能应以节能降耗、减员增效为目标。

（4）系统的易维护性原则。系统易于维护，操作简便。

（5）系统的可扩展性原则。系统硬件、系统软件和应用软件均具有灵活的扩展能力。以保证在工厂扩建或改造时，满足工厂对控制系统的扩容需求。

（6）系统的开放性原则。控制系统采用开放的网络体系结构，符合ISO 的有关通信标准。要便于以后纳入MES 系统、ERP 系统之中，系统支持OPC 协议,并包含授权,未来可以直接实现MES 系统采集数据。

2.2.2 系统建设主要内容

系统内容主要包含三大部分：提升机集中控制、视频监控系统和无线对讲系统。主井无人值守操作台布置于副井操作室，操作台集成提升机控制和装卸信号监控于一体；操作员站上位监控系统配置2 台工控机能对主副井提升系统进行监控和数据显示，对各级故障进行报警及诊断，对重要数据进行归档记录。视频监控系统通过在主井机房、电控室、配电室等处增加摄像头、升级交换机等设备，完善主井视频监控系统，为主井无人值守提供条件。在主副井分别配置1 套无线通讯系统，便于箕斗和罐笼检修，系统包含无线基站和手持机等，井底和井口基站之间用原有的视频光缆。

2.2.3 方案预期目标

矿井主副井共计包含2 台提升机，各自独立运行，其中主井为全自动运行，机房每班1～2 名司机。通过提升机自动化监控系统的系统设计及实施，可实现以下预期目标。

（1）主井无人值守

完善或重建现有提升机的控制系统，实现电控系统同配套系统配合的全自动无人值守运行。主井实现远程全自动开车，机房无司机操作，只需远程监视系统工作状态即可。

（2）计算机集中监控

在副井车房安装计算机集中监控工作站，工作站按照统一模式设计，包括设计、生产和安装等。主、副井控制升级改造完毕后，将主、副井所有参数连接到集控室，在中控室可以做到一键启动停止和紧急停止。在集控室配置提升机专业操作站，与核心工业交换机通过网线连接，记录、存储所有上传到集控中心的提升机运行数据，通过WINCC 软件显示每一台提升系统的运行状况和安全信息，实现对每一台提升机的集中监测和控制。

（3）智能化管理

实现提升机设备自动化控制和计算机集中监控及管理，保证设备运转稳定，提高设备台效，减轻工人的劳动强度，减少现场岗位工数量，改善工人的工作环境，降低人工成本。

提高系统信息化和智能化，能够提供设备运行异常的早期预警指示及设备故障原因的查询服务，能及时定位发生故障的设备位置或故障产生的基本原因，提供最直接、最可靠的故障判断依据及基本的数据库服务。

2.2.4 集控系统主要技术要求

（1）主井提升机在能实现全自动运行的基础上，在副井操作室设置1 套主井无人值守操作台，具备远程监控提升与装卸载状态，具有提升机自动、半自动、慢动操作模式，手动、检修、故障开车等操作需在主井操作室进行，使主井在正常运行时能够实现无人值守，同时在副井操作室配置视频服务器及显示器，通过视频协助监控主井提升机及装载站与运行状态。

（2）在调度中心配置主副井监控计算机，能够远程监控主、副井提升运行状态，同时配置40 寸工业电视及视频服务器，接入现有的工业电视监控系统设备，分屏显示主副井的视频画面。

（3）通讯方式主要通过专业交换机、Profinet 网络通讯，具备传输速率快等特点。

2.2.5 集控系统设备主要技术要求

（1）主井无人值守操作台

该操作台布置于副井操作室，结构合理，设计人性化，方便在副井完成监控。操作台集成提升机控制和装卸载信号监控于一体。内置西门子公司S7PLC，采用Profinet网络通讯，并配置必要的专业交换机。操作台主要配置如下。

采用2 套15 寸触摸屏，分别显示提升机运行状态和装卸载及信号系统状态，便于操作或监控人员监控。

①配置专业光电交换机，用于PLC 通讯；

②操作站／操作模式选择开关；

③速度选择开关；

④液压站等辅机设备集中控制按钮；

⑤提升机启停按钮；

⑥过卷复位、安全复位、急停等按钮；

⑦故障报警声光指示等。

（2）操作员站上位监控系统

操作员站配置1 台3KVA 在线式UPS 不间断电源，电源故障时可以Oms 切换到后备电池模式，为上位监控系统提供备用电源，保证系统可以实现可靠的监控、诊断、归档功能。

上位机选用2 套CPU17-8550、8G 内存（预留插槽以后可扩展）、1T 硬盘带DVD-ROM 光驱、防水键盘及鼠标、27 寸液晶显示器。分别监控主、副井提升机状态。操作员能对主、副井提升机系统运行状态（主井含装卸载运行状态）进行监控和数据显示，对各级故障进行报警及诊断，对重要信息进行归档记录。具有与PLC 系统通讯接口，可对PLC 编程和监视。具有以太网接口，能够上传提升监控参数。

上位监控软件可实现以下功能。

①提升系统动、静态画面生成。（如提升机设备概况、高低压配电开关状态、提升机系统动态数据、速度动态曲线、电流动态曲线、提升容器位置动态显示、制动油压的动态显示、帮助文本等。

②故障报警显示、记录，能显示和打印故障发生位置、时间、原因、故障解除时间等。

（3）主井烟雾报警系统

在主井绞车房配置烟雾检测箱，采ET200 子站，通过PLC 收集传感器信号。在主井绞车房配电室、电控柜、操作台、主电机、滚筒等处上方安装烟雾传感器（传感器具体分布位置根据现场实际调整），以便对现场易发生火灾区域实现全方位烟感监控，为提升系统安全运行及人身安全提供重要保障。

烟雾报警传感器采用高灵敏度烟感器，信号接入电控系统，可将现场烟雾报警信息上传至提升机电控系统。在发生火灾后以声光报警的形式显示出来，上位监控系统也能具体显示出准确起火地点，并记录报警时间。

2.2.6 视频监控系统主要说明

通过在主井机房、电控室、配电室、煤楼等处增加摄像头、交换机（升级现有交换机）等设备，完善主井视频监控系统，为主井无人值守提供条件，实现在主井、副井操作室均能监控主井提升环境及装卸载画面，同时视频记录能够实现存储14 天左右，并将主副井视频信号通过光纤传入调度中心。

2.2.7 无线通讯系统

无线系统便于箕斗和罐笼检修，具有无线通讯、手持对讲等。在主副井分别配置1 套无线语音通讯系统，包括无线基站、手持机等，能够实现机房、井口、提升容器、井底之间互相语音通讯。

3 关键技术与创新点

3.1 系统解决的关键技术

本系统创新开发主副井一体化运行模式，优化主井提升流程，实现主井提升系统、装卸载系统的自动化运行并有效提升效率，采用以太网、Profinet 通讯等技术实现主井提升在副井操作室的远程监控。

（1）远程集中监控

通过以太网、远程访问，采用WINCC 上位监控软件，实现主、副井提升系统的远程监控、故障诊断、智能管理。

（2）井筒无线语音对讲系统开发

采用基于光纤级联，支持802.11b/g/ n 定向AP,布置无线基站、交换机、服务器，采用手持对讲机实现无线对讲，有效解决过往井筒中信号盲区。

3.2 创新点

（1）基于无线定向AP 的对讲技术的应用开发

以往主、副井井筒检修，井口100m 以下检修人员无法和提升车房联系，检修难度大，采用无线定向AP，通讯距离≮600m，实现井筒全程覆盖，对讲清晰。

（2）安全可靠主、副井的集中自动化控制系统开发

主、副井提升系统根据矿井的实际需求，可开发提升机控制系统专用软件，满足矿井提升机各种工艺及功能需求，具有完善的逻辑控制、安全联锁、保护功能和自动化控制，实现主井自动化运行，副井同时具备该功能。同时实现远程监控。

4 系统应用

通过视频监控系统以及无线对讲系统的使用，该系统将实现提升机设备自动化控制一体化运行和计算机集中监控及管理，保证设备运转稳定，提高设备台效，进一步提升主副井提升机系统设备自动化程度，大幅提高系统信息化和智能化水平，能够提供设备运行异常的早期预警指示及设备故障原因的查询服务，能及时定位发生故障的设备位置或故障产生的基本原因，提供最直接、最可靠的故障判断依据及基本的数据库服务，同时使设备操作人员工作变得简单，有效降低职工的劳动强度，实现减人提效。在无人化改造这一领域，市场容量巨大，将会催生数亿级的电气自动化、智能化应用领域，同时带动其他领域的无人化和智能化应用和研究，对绿色、智能、高效发展现代化矿山建设具有重要意义。