玉溪煤矿原煤运输智能化控制系统的应用研究

栗跃鹏

（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城 048000）

1 系统流程及现状分析

玉溪煤矿矿井中原煤运输控制系统在运行过程存在较多问题，包括胶带机经常无煤时就空车运行，原煤供应不连续，设备的整体集成化监控及控制程度较低，井下操作控制所需人员较多，使得原煤运输成本相对较高。因此，需对该控制系统进行优化。

2 控制系统主要功能要求

2.1 皮带保护功能

实现防滑、堆煤、跑偏、防撕裂、拉线急停、联锁、烟雾报警等皮带保护功能[1-2]。

2.2 诊断预警功能

整个煤流系统各种监测参数的限值设置过低就会报警过多，设置过高又会导致微小故障积累，造成严重故障、损坏设备部件甚至导致非计划停机。智能预警通过提取故障发生前的异常特征，把异常特征与组合参数的变化趋势、异常波动、平衡匹配相关联，形成矿井煤流系统故障特征规则库，再通过实时秒级扫描所有参数并与特征规则实时比对，实现了煤流系统异常的早期预警[3]。

2.3 系统调速功能

根据玉溪煤矿工作面煤量等情况对顺槽皮带进行智能调速；根据该矿大巷皮带的煤量情况实现对主斜皮带的智能调速。

2.4 视频联动功能

系统自动同矿井视频监控系统对接，在皮带启动、故障发生时，自动切换到相应的视频。实现数据流与视频流的深度融合，可以实现设备的启停、故障等与视频的联动，同时支持PC、移动终端。

3 控制系统总体设计方案

控制系统包括底端的数据采集分系统层、各级监控分站层、工业网络层及地面监控层等部分，如图1所示。其中，数据采集分系统层中配备了各类电机功率传感器、温度传感器及市场上成熟的智能数据采集模块，各类检测模块将检测的数据通过RS485 总线传输至上端的PLC 控制器中进行数据的A/D 转换及分析处理；同时，根据现场采集的信号和故障情况第一时间向上端发出反应及报警，人员可通根据报警提示信息有针对性的对运输设备上的故障情况进行快速排除[4]。监控分站层中则配备了1 号PLC主站、2 号PLC 主站、皮带称重PLC 站、破碎机PLC站等，主要负责接收下端采集的数据和对井下设备进行监控控制，是井下设备中各设备的临时处理中心，经过分析汇总后的数据信息则通RS485 总线接口传输至上端的地面监控主站，并将井下原煤的运输情况进行实时，包括了监控界面、工控机、电源、信号传输接口、集控软件等部分。另外，系统的工业网络则采用了TCP/IP 协议进行通信，光纤采用冗余环形光纤的以太网为基础，构成了整个系统的网络体系结构，有效实现了控制系统中通讯协议及接口的统一。

图1 原煤运输控制系统整体框架图

4 控制系统关键模块设计

4.1 PLC 控制模块设计

为实现对整个运输系统的有效控制，选用了市场上成熟的西门子S7-300 型PLC 控制器，该控制器主要由CPU、模拟量输出模块、储存模块、电源模块、通讯接口模块、I/O 接口模块等部分，主要负责对控制系统中的数据采集分系统中所传输的数据进行分析、运算及判断处理，并将判断的结构传输至上机位显示屏上进行运输状态的实时显示，并向执行机构发出相应的执行命令，以实现对整个原煤运输系统的全面控制。同时，PLC 控制器的机架则选用了标准的ControlLogix 模块支架，背板选用了1756-A13，插槽数配备有13 个。另外，根据控制系统的实际运行需求，为PLC 控制器配备了DC12V、DC5.5V、DC24V的电源模块，输入电压为AC 220 V。

4.2 系统软件总体控制程序设计

该控制系统的软件控制逻辑包括输入采样、程序执行及输出刷新阶段，通过成熟的周期循环扫描法来实现对系统故障信息监控，提高系统的总体抗干扰能力。在系统控制逻辑上设计了主程序模块、系统故障检测模块、控制算法模块、数据转换模块及通讯模块等部分，其中，主程序模块主要在系统开始运行时对系统中各设备运行的相关参数及设备状态进行操作和控制，并实时调用各模块中数据信号。数据转换模块主要负责将采集的数据进行A/D 和D/A转换，能将采集的电信号通过A/D 转换模块处理后转换为相应的数字信号，并传输至编好的程序中进行数据的运行及分析处理。通讯模块中设计触摸屏与PLC 控制器之间的通讯部分，可编程的PLC 与上机位之间的通讯，通讯接口则采用了RS485 接口。

4.3 胶带急停控制流程设计

胶带的急停控制程序是整个原煤元过程中的关键程序。在整套程序中考虑了皮带堆煤、皮带跑偏、电机工作温度、烟雾、皮带撕裂、皮带打滑等控制逻辑判断。首先在设备传动启动后，通过PLC 控制器内部设置的程序来对皮带堆煤情况进行判断，若检测到堆煤正常，则系统会对皮带跑偏传感器所传输的信号进行检测，若出现异常现象，则发出相应的异常报警提示，上机位人员则会根据故障提示类型有针对性的对跑偏故障进行快速维修处理，大大缩短了设备的维修时间。另外，若检测到设备出现了烟雾，则发出相应的报警提示，并启动自动洒水装置。对皮带撕裂、皮带打滑等逻辑判断也采用了同样的判断逻辑。由此，实现了整个环节的全程检测判断。

5 应用效果评价

为进一步验证该控制系统的综合性能，将该系统进行了现场应用测试，测试周期为4 个月。主要是将该系统经过改造后集成在井下运输过程中。在系统运行过程中，胶带机的启动时间由原来的30 min缩短至10 min，节约了矿用能耗，系统的启动界面图如图2 所示；同时，胶带机空载时的空转时间也明显缩短，提高了设备的使用效率。人员的劳动强度及故障率也大大缩减；同时，该系统整体运行良好，能将井下运输作业设备的工作状态参数通过显示界面进行实时显示，显示参数更加丰富，当某设备出现故障失效现象时，显示界面能及时地发出相应的报警提示，并将故障类型及位置进行实时显示，人员可快速对故障进行排除，不仅提高了人员的作业效率，而且使得整个运输过程的自动化程度得到明显提升。

图2 控制系统启动界面图