煤矿皮带运输系统网络化监控改造实践

赵海翔

(霍州煤电集团有限责任公司技术中心)

皮带运输机是煤矿的主要生产设备之一，特别是大型现代化煤矿，皮带运输机广泛应用在井下工作面、运输巷、装车站、地面煤楼等各个生产环节。在自动化技术的推动下，皮带运输系统实现网络化控制的瓶颈逐步被打破，各种解决方案也层出不穷。网络化监控节约了现场布线工作量，简化了自动化系统结构，提高了运输系统效率。纵观各种解决方案，皮带运输系统网络化监控实现方式主要有基于单片机的开发和基于PLC的设计，从联网方式来看，支持的协议标准有Profibus-DP、CAN、MPI、RS485、RS232、Ethernet等。借助各种结构的网络，将运输系统内不同类型、不同接口的设备和仪表都连接起来，实现监控信息集中上传，通过上位机可实现地面远程控制设备运行。通过该网络，语音信息、监控数据、控制指令都可以传输，带来极大的方便。随着无线通信技术的发展，构建皮带运输巷无线监控网络逐渐成为可能，这为皮带运输系统监控指明了新的方向。

1 皮带网络化控制改造的要求

皮带运输系统要实现自动化，主要完成沿线关联设备的运行控制，运行中的各种综合保护，围绕这两个方面，具体的功能要求包括：

1) 实现胶带机安全运行保护，常见有跑偏、堆煤、撕裂、温度、速度、烟雾、急停、张力、断带等保护功能。

2) 胶带机控制功能，控制高压柜断路器的合闸、分闸，控制变频器、软启动器、抱闸装置等辅助设备的开、停。

3) 具备皮带巷沿线打点、通话、语音报警功能。

4) 在此基础上扩展上位机监控功能，在地面以图、表、曲线、数值、动态画面等形式反映设备运行情况。

由于皮带运输系统具有线路长、设备多、有严格的连锁关系等特点，所以，构建覆盖全线的自动化网络十分必要，在完成所述基本功能的基础上，能实现多机联锁运行，分散监测，集中控制且实时参数通过生产现场网络传输至各中心站，甚至到地面调度中心。

2 自动化改造解决方案对比

2.1 网络结构

构建监控网络，是皮带运输系统实现自动化的重要基础，众多的参控设备和检测仪表分布在长达几千米甚至几万米的皮带线上，通过生产现场网络，可精简系统结构，节约布线的工作量，并易于实现集中控制。皮带系统构建监控网络是充分运用计算机技术和自动控制技术的最新成果，先后出现了如图1所示的基于局部网络的监控系统、基于现场总线的监控系统、基于以太网的监控系统[2]。图1(a)所示的结构，可以实现少量设备的近距离通信；图1(b)所示的基于现场总线结构的监控网络，可根据生产现场分布情况，扩展网络距离，多台设备、多种设备均可通过总线传输数据；图1(c)所示的结构，是目前运输系统实现集控的典型通信网络结构，通过建成的主干以太网(Ethernet)，所有分系统的数据无缝传输。

图1 运输系统自动化网络结构图

通过对比3种网络结构，结合井下实际情况，可选择适合的组网形式。图1(a)所述网络中包含有模拟信号传输，抗干扰能力差，采用专门设计的通信协议，开放性差，且一旦投资完成，升级扩容难度大，可见适用性较差。图1(b)所述现场总线监控系统；一般采用标准协议，比如运输系统中目前广泛应用的Profibus-DP、CAN Bus、RS485等协议[1]，大大提高了系统兼容性；这种方式将运输系统信息处理环节延伸到运输现场，节省了大量接线端子块、隔离器、I/O卡等部件，降低系统成本。图1(c)所述网络直接将Ethernet通信服务器集成到皮带机综合保护控制装置中，使以太网直接延伸至生产控制底层，实现真正的“一网到底”，与上层管理网协议兼容，进一步简化网络结构，降低系统成本。从实践来看，目前运输系统自动化改造，主要采用现场总线与Ethernet融合组网的方式，既满足现场兼容性，又方便与上层管理网无缝连接。

2.2 实现方式

目前，运输系统自动化的具体实现方式也呈现出多样化，各个生产厂商根据最新的技术发展，不断推出新的解决方案。如图2所示，是一种典型的皮带机网络化保护控制系统解决方案，现场级采用CAN总线，将多台监控主机连接起来，在方便接入Ethernet的位置，配置联网服务器，实现监控数据进入Ethernet由光纤传输至远端，地面配置监控上位机，配套专门的可视化监控软件，实现实时信息显示，地面远程控制，该解决方案将数据传输、语音通话、视频监控融为一体。总体来说，目前主要的解决方案可归纳如下：

1) 选用高性能微处理器设计监控主机，外围扩展多路模拟量、数字量通道，以完成皮带多种保护功能，设计专门的语音电路、显示电路、通信接口电路，使主机具备打点、通话、报警、显示及联网功能，支持的网络协议主要有CAN、RS232/485、Ethernet等。

2) 选用知名品牌的PLC模块，根据生产现场情况灵活搭建监控网络，通过计算监控皮带的数据规模，合理选择CPU模块、I/O模块、联网模块、接口模块。根据运输巷的分布，可设计成一主站多分站结构；也可以设计成多个对等监控站结构，还可以根据现场需要，设置就地按钮盒。

图2 典型的皮带机网络化保护控制系统图

2.3 方案对比

1) 系统性能。早期的基于单片机的皮带机综合保护装置，稳定性不如PLC系统好，各个厂家开发的保护装置质量差别也比较大。近几年，微处理器的性能大幅度提高，基于高性能微处理器的皮带保护控制主机，都表现出良好的性能，由于微处理器支持的资源增加，将通信接口、语音、操作按钮、数据采集等功能集于一身的产品也得到应用，稳定、可靠，皮带监控装置在现场放置，也利于现场就地操控。PLC系统能否真正发挥技术优势，依赖于开发人员的经验。

2) 开发周期。PLC模块基本为定型产品，开发工作量重点是模块选型及软件设计，开发周期短；而基于微处理器开发皮带监控装置，涉及硬件电路设计、软件设计、抗干扰设计、本安及防爆考虑等，开发周期较长。在远程监控需求刺激下，上位机监控功能逐渐成为必选设计任务，PLC作为标准的模块，已将常用的数据传输协议及接口标准集成在开发环境中，很容易实现与Wincc、Intouch、Ifix、MCGS等组态软件的通信，而基于微处理器的监控装置，一般都采用OPC技术实现监控数据的上位机读取。从这个方面看，PLC系统开发周期比皮带监控装置要短。但若采用一个技术成熟的皮带监控装置构建监控系统，其开发周期远远短于PLC系统开发。

3) 灵活性。皮带监控装置通过扩展可以挂接语音通话、视频监控等子系统，而且可根据皮带运输巷实际设备情况，自由确定安装位置，修改监控程序，灵活性较好；PLC系统在上层网络构建中，较为灵活，而现场应用，则不如皮带监控装置灵活。

4) 成本。设计一套PLC皮带运输自动化系统动辄上百万元，甚至上千万元，开发成本巨大；而基于微处理器的皮带监控装置，表现出明显的价格优势。

3 皮带运输系统自动化改造展望

近几年，无线通信技术在工业领域的推广应用力度越来越大，从运输系统的特点来看，最适合应用的应该是覆盖全线的无线监控网络，这样，所有的监控信息自适应地传输至监控分站，监控分站再通过矿以太环网传输至地面管理中心。将物联网技术发展的相关成果应用到运输系统自动化中，必将掀起一场新的革命。从井下生产实际来看，无线监控网络非常方便，无论对于正常运行监控信息的传输，还是对紧急情况下的调度、控制，甚至是事故救援，都将产生积极地影响。

无线运输系统监控网络构想图见图3，将沿线各种监控用传感器改造为无线传感器，直接与无线基站进行数据交换，再由无线基站传输至以太网。这样的无线监控网络可覆盖皮带运输巷、斜巷人车、井下(井上)人车、猴车等长距离运输系统，成熟的无线监控网络甚至可以延伸至采掘面，适应采掘工作机动性的需要。目前，无线监控网络能够实现数据传输，语音通话，报警提示，命令下发等功能。

图3 覆盖运输沿线的无线监控网络设想图

4 总 结

皮带运输系统具有设备多、类型杂、布置分散、全线距离远等特点，在自动化改造过程中，呈现出多种解决方案，在联网结构、实现方式、性能、成本、灵活性等方面各有差异。实现煤矿自动化，减少了检修时间，提高了生产效率。相信皮带运输系统自动化将呈现更加便捷高效的未来。

[1] 张新文. 煤矿矿井皮带运输机集中控制[J].陕西煤炭技术，2000(2):45-46.

[2] 田 宇. PLC远程监控运输机械电气控制系统[D].武汉：武汉理工大学硕士学位论文，2008：5-6.