智能化带式输送机系统在煤矿中的应用研究

王建楠 李晓华，3 郑功勋 王晓东 王春华

(1.贵州省煤矿设计研究院有限公司，贵州省贵阳市，550025;2.贵州省矿山安全科学研究院，贵州省贵阳市，550025；3.河南理工大学安全学院，河南省焦作市，454003)

贵州省煤炭储量丰富，其中大多数煤矿是地下开采方式，主要应用带式输送机进行运输，带式输送机已然成为煤矿生产中的大动脉，发挥着重要作用[1]。目前贵州省大多数煤矿的运输系统采用传统的现场管理方式，每条带式输送机机头配备1名司机和1名巡检人员，带式输送机的启停很多时候需要监控室调度员通过电话来协调，而且经常不能及时发现胶带打滑、跑偏、断裂和撕裂等情况，极大地影响了生产和安全。有人值守的控制方式大大增加了人工成本，并且由于人为因素的不确定性较大，可能会出现启停带式输送机不及时而造成较大的经济损失和安全事故[2-3]。

为了满足煤矿企业的需求，我国的煤矿科研工作者利用先进的SCADE组态软件技术和PLC技术成功的研发了一套智能化带式输送机系统。本文将结合已经完成智能化带式输送机系统改造的大运煤矿对该系统进行研究分析，为其他同类型的矿山智能化建设提供参照，促进贵州省煤矿机械化和智能化改造。

1 升级改造方案

1.1 现状分析

本次带式输送机系统改造范围为主平硐带式输送机和主斜井带式输送机，主平硐选用的带式输送机型号为DTL100/50/2×90，采用阻燃胶带，宽度为1 m，速度为2.5 m/s，长度为705 m；主斜井带式输送机选用的带式输送机型号为DTL100/50/2×75，采用阻燃胶带，宽度为1 m，长度为420 m；驱动系统选用2台YBS-75型电动机，功率为75 kW。

(1)启停调度现状。每条带式输送机的机头配备1名固定的司机，专门负责带式输送机的启停，带式输送机开启为顺煤流喊话，逆煤流开启，很多时候需要调度员电话调度。目前的带式输送机启动方式自动化程度较低，且成本和劳动强度较大。

(2)保护系统现状。煤流运输沿线保护系统过于简单，系统无通讯接口，无法融入控制系统中，自动化程度较低，故障发生时无法做到自动处理和及时停车，存在一定的安全隐患。转载点堵煤等运行故障主要依赖人工检测，不能在故障发生后立即停车，容易使故障扩大化。

1.2 系统架构

智能化带式输送机系统以PLC控制系统为核心，与上位机、防爆PLC控制站、带式输送机保护传感器等组成PLC分布式监控系统[4]。智能化带式输送机系统的架构可以分4层，即传感执行层、控制层、网络传输层和监控信息层，其中以太网传输层属于井下部分，监控信息层属于地面部分[5]。智能化带式输送机系统架构如图1所示。

(1)传感执行层。传感执行层包括带式输送机相关数据的采集和命令的执行，其采集和执行功能是通过在带式输送机上安装的相关传感器(温度、速度、载荷等8大传感器)来实现。传感器实时监测相关数据和带式输送机的相关状态。当出现胶带跑偏或紧急情况时可以拉下急停开关，急停闭锁带式输送机。

图1 智能化带式输送机系统架构

(2)控制层。该层主要由PLC控制系统组成，实现带式输送机的控制、设备运行信息的上传及控制指令的执行。一般是在带式输送机机头安装1台控制箱，来实现接入设备的控制及相关信息的处理，应用先进的PLC编程软件将程序写入PLC，实现智能化控制功能，监测带式输送机的状态。

(3)网络传输层。该层指的是工业环网，由井下环网交换机和地面环网交换机等组成，形成一个闭合的环，井下和井上通过环网上传数据和下发命令。

(4)监控信息层。在集控室实现对带式输送机系统设备的实时监测、集中控制和统一调度。

1.3 系统功能

1.3.1 控制功能

(1)远程控制。调度室操作员在集控室远程集中控制各带式输送机运行。地面调度室将命令经环网下发到井下PLC控制器，自动按预定程序启动带式输送机。

(2)就地自动控制。由井下操作员在控制箱上实现一键启停单设备，此时带式输送机与前级存在联锁关系。

(3)就地手动控制。该控制方式将保护功能全部甩掉，使其处于离线状态，便于检修。

1.3.2 监测保护功能

(1)具有烟雾、堆煤、跑偏、速度(打滑、超速)保护、温度、沿线急停闭锁等检测保护功能以及传感器数据监测显示功能。

(2)带式输送机沿线需要安装信号装置，可实现带式输送机启动报警、打点信号联络和语音通讯功能。

(3)地面和井下带式输送机机头可实现语音对讲功能。

1.3.3 系统管理功能

为了系统的安全运行，设置了操作系统登录界面，针对不同职务的人员对其账号设置不同的权限。

2 工程应用实例

2.1 地面监控系统

大运煤矿地面监控系统由监控主备机、监控软件及服务器等组成。上位机软件应用的是目前最先进的SCADA组态软件[6]，该软件有两个层面(服务器层面和客户端层面)，服务器体系结构可以进行监测点数据的采集和处理(如单位转换、报警检测、计算、事件处理和储存等)，客户端体系结构通过与服务器之间的通讯功能来获取数据并用于人机交互，实时监测传感器的状态，并可以进行带式输送机启停延时时间等参数的设置；客户端界面上的高清数字摄像头可以实时监控井下情况；服务器体系结构可以对运行的数据进行长期的储存，利用SCADA软件在上位机上可以对历史数据曲线和历史事件进行实时调取[7-8]。智能化带式输送机系统部分历史曲线如图2所示。

SCADA软件可以根据需要，对操作界面上设备的颜色、尺寸、位置和形状进行修改。系统采用动画的形式对设备运行状态进行呈现，效果形象逼真、富有动感；在主界面中一般应用不同的颜色表示设备不同的运行状态，灰色表示未投入运行，绿色代表投入运行，红色代表故障[9]；当设备故障时系统界面会有语音报警和文字报警并显示具体故障位置。智能化带式输送机系统主界面如图3所示。

2.2 井下PLC控制系统

井下PLC控制系统主要由PLC控制箱、温度传感器、IP广播(调度室可以直接与带式输送机机头喊话)、堆煤传感器(监测皮带上堆煤高度)、跑偏开关(检测是否跑偏有一级和二级之分)、闭锁开关、速度传感器(检测胶带速度)、烟雾传感器、喷水电磁阀、载荷装置(监测带式输送机上的煤流)等设备组成。PLC控制箱主要由触摸屏、PLC模块和辅助电器设备等组成。PLC部分由电源模块、CPU、输入模块、输出模块和模拟量模块组成。其作用是接收传感器所采集的信号和发出命令信号，控制相关设备并采集滚筒温度、带式输送机速度等数据。本次改造采用的是西门子公司生产的SIMATIC S-1200型PLC控制箱，该型号PLC是设计紧凑、节省空间、成本低廉且功能强大的模块化控制器[10]。井下PLC调试应用的是与西门子公司生产的PLC配套的博图软件(TIA Portal V14)，采用梯形图(LAD)创建程序代码。智能化带式输送机控制系统结构如图4所示。

2.3 系统工作流程

2.3.1 就地自动控制

就地自动控制模式通过现场带式输送机机头控制主机，现场操作控制模式旋钮F4左旋至就地位置，此时智能化带式输送机系统控制界面右上角的状态栏显示“就地”，之后在旋转开关旋钮带式输送机一键启停。

2.3.2 远程自动控制

现场操作控制模式旋钮F4右旋远程位置，此时智能化带式输送机系统控制界面右上角的状态栏显示“远控”，此时操作员通过点击带式输送机的启动按钮就可以启动带式输送机。操作员可以根据带式输送机上的堆煤情况选择带式输送机的启动方式。

(1)逆煤流启动。在主斜井带式输送机上有煤的情况下，为了防止顺煤流启动堆煤，一般选择逆煤流启动，即先启动主平硐带式输送机，之后再启动主斜井带式输送机。

(2)顺煤流启动。在主斜井带式输送机没有存煤的情况下，为了节省电能，一般可以选择顺煤流启动，即先启动主斜井带式输送机，之后再启动主平硐带式输送机。

操作员通过点击带式输送机的停止按钮，即可停止带式输送机。操作员可以根据需要选择停止方式，一般选用顺煤流停止。顺煤流停止的时间根据胶带长度除以胶带速度计算，将计算好的时间在SCADA组态软件智能化带式输送机系统主界面进行设置，以确保带式输送机上不会留煤也不会空载。

2.3.3 无人值守

点击“无人值守”按钮，系统弹出确定窗口，例如主斜井带式输送机在“远控”状态，点击切换投入“无人值守”模式，此时主平硐带式输送机无煤后会自动停止，主斜井带式输送机运行并且有煤运输到机头后会自动启动主平硐带式输送机。

3 效益分析

2018年4月，大运煤矿对主平硐带式输送机和主斜井带式输送机进行的智能化改造完成并正式运行。改造后的智能化带式输送机系统在社会效益、经济效益和煤矿安全等方面都为企业带来了可观的效益。在7个月的运行中处置了一起胶带断裂事故和多起胶带跑偏事故；智能化带式输送机系统运行后减少了故障检测时间，大大提高了工作效率，减少了运输时间(根据统计大约减少18%的运输时间)，提高了运输效率。

3.1 社会效益

(1)智能化带式输送机系统提升了大运煤矿井下运输系统的整体管理水平，促进了同类型煤矿实施智能化矿山的进程。

(2)智能化带式输送机系统改变了传统生产方式，优化了生产流程，提高了矿井自动化程度，进一步改善了工人的劳动环境。

3.2 安全效益

智能化带式输送机系统运行后，建立了以安全和生产为中心的企业管理机制安全生产控制体系，加强了集团公司对下级企业的监管力度，使安全和生产的投入效益发生最优化，产生最大效益。

3.3 经济效益

智能化改造前，大运煤矿的带式输送机系统共需要现场工作人员12人，智能化改造后，带式输送机系统只需配备巡检人员3人，按照每人月薪5000元计算，一年可节约工资54万元，降低了人工成本。

4 结论与建议

(1)智能化带式输送机系统改造完成后，调度员和生产指挥人员能够直观、准确地掌握煤流运输过程的实际情况，便于调度指挥。系统对重要数据进行记录，为处理事故提供了真实依据，可有效指挥生产、处理和解决生产中出现的各种问题和事故，达到了建设预期和建设目的。

(2)智能化带式输送机系统经过长时间运行，系统运行稳定，提高了工作效率，降低了生产成本，从安全和经济方面都给企业带来了可观的效益，证明智能化带式输送机系统值得在煤矿企业中大力推广。

(3)智能化带式输送机系统改造完成后，建议矿山企业至少配备具有一定的计算机和网络知识人员3人和操作员3人，以便解决系统运行过程中出现的常规问题和故障，保证系统安全高效运行。