煤矿井下皮带机集控改造及实践研究

张峰 张妍菊 张立勇

摘要：本文在简述煤矿井下皮带机集控改造必要性的基础上，以某煤矿井下皮带机为例，结合存在的问题，立足集控系统结构，采取集控软件技术、硬件组成技术、视频监控技术，进行了集控改造。实践表明，通过保持原有皮带机系统框架开展机械与电机改造，能够达到预期控制功能要求，进而保障皮带机运输安全。

关键词：煤矿；井下皮带机；集控改造

DOI：10.12433/zgkjtz.20241325

皮带机是煤矿井下运输的关键设备，但易受到内外部因素影响，出现跑偏、打滑等故障，进而影响井下运输工作。而皮带机集控技术能够利用信号检测技术、总线技术、传输信号技术、计算机处理技术等，采集井下皮带机运行数据，对皮带机故障、开停等状态进行远程监控，将皮带速度、电机温度、电流等参数显示出来，实现全程自动化控制。因此，为确保煤矿井下皮带机稳定、安全运行，集控改造显得尤为重要。

一、煤矿井下皮带机集控改造的必要性

伴随井下采面、巷道的开拓延伸，皮带机运输路线延长，逐渐暴露出许多传统皮带机问题，特别是井下语音通信系统、运输控制系统，存在传输速度慢、运行环节多、安全性低等问题。为此，煤矿井下皮带机应加强集控改造，对皮带机头、转载点、机尾、落煤点等部位及主运皮带加装摄像头与传感器，连接地面集控室，有效存储、展示摄像头数据，及时发现异常。集控系统还能切换就地控制、远程控制模式，集成设备参数及保护系统，使皮带撕裂、跑偏、温度等数据一目了然，控制上下游皮带启停，优化生产过程，提高生产安全性与效率。井下皮带机集控改造能实现减人提效、集中控制，合理利用故障预警与在线诊断功能，提高生产自动化程度，减少人工干预，为建设智能化矿井、实现“高质量、低成本”发展夯实基础。

二、煤矿井下皮带机集控改造技术

以某煤矿井下皮带机为例，皮带长2300m，宽1000mm，运量1100t/h，速度1.15m/s，胶带采取阻燃钢丝绳芯，存在无法上传皮带机型号的情况，加上程序改动、故障查询较为频繁，需对其进行改造。

（一）集控系统结构

井下皮带机集控系统由信息管理层、通信层、控制层构成，通过组网模块与交换机直接通信，结构见图1。

信息管理层设置操作员站，能够根据人员职责设置使用权限，提供操作平台，直观显示设备参数及运行状态，对其实时监测。对传感器及重要部件故障进行声光报警，将报警数据储存至数据服务器，有助于统计报警信息及事故分析。

通信层采用“现场总线+1000M以太环网”方案，整合嵌入式系统、链路聚合技术，使用28芯矿用阻燃光缆进行组建，保证各监控监测设备均能通过该网络传输数据，从而提高数据传输效率。

控制层使用PLC与KTC101两种控制系统。前者负责皮带运输机远程开停，检测设备运行状态，利用分站控制设备，将数据显示到平台上。后者负责皮带运输机就地开停，控制设备和传输数据。

（二）集控软件技术

井下皮带机集控软件可采集皮带机数据，集成监控信息，存储至工业数据库。该产品以IAS为核心，具有高开放性、先进性、高可靠性特点，适用于跨地域、多系统、大数据工业联网及数据集成。以太网终端采用组态软件，可实现工业生产可视化监控，为技术人员、现场工程提供简易开发环境，结合工程需求创建图形窗口完成组态，实时传递设备运行参数。

皮带机控制系统直接连接集控软件，可实现井下、地面设备监控全覆盖，做到井下无人值守。步骤如下：①组网实现软件，与井下PLC直接通信，设定通信接口参数，保证参数的一致性。②PLC系统借助光电转换模块，转换电信号为光信号，以光纤通信线路，连接光纤收发器、智能分站、工业交换机。通信成功即可在IDE软件构建位置节点。③结合数据表将设备表与监控表对应，设定正确映射表，准确采集设备工况及运行参数。④软件编辑配置设备位置，输入设备相关属性，完成点对点编辑，即可利用客户端远程控制井下设备。

（三）硬件组成技术

1.以太环网

工业以太网系统是多功能系统，核心设备包括矿用网络智能分站、矿用以太网交换机、多功能智能网关、光端机、视频服务器、接口转换设备、网络摄像仪及电源箱等。改造中采取“现场总线+以太环网”方式采集数据，针对井下特殊环境要求，采取1000M光纤环网，发送控制命令与上传信息。该矿井设置环网中，系统使用RS30交换机20台、核心交换机2台，为煤矿皮带机信息化控制提供稳定、高速的网络平台。

2.硬件组成

井下皮带机集控系统使用光纤通信、计算机网络技术，构建高速互联网，实现设备视频图像、语音信息、设备运行信息的传输，完成远程监控。该系统由网络交换机、网络分站、视频服务器、网络摄像仪等构成，考虑到篇幅有限，这里仅介绍网络交换机与网络分站。

①网络交换机。井下皮带机在使用中，考虑信号接入与环境情况，采取矿用隔爆千兆交换机为传输设备，提供100M以太网，额定电压为交流127V，频率50Hz，能够组成光纤自愈环网，输入电源广泛，电源允许波动大（75%～120%），易检修安装，即便线路出现故障，也能迅速切换冗余链路，以保证系统的可靠性。

②网络智能分站。为实现井下皮带机数据无拥塞、可靠传输，要求传输速率≥100Mbps，与主干网自适应，且提供智能网关，便于接入监测设备、安全监控系统、终端设备、现场总线等。结合视频分配器、网络摄像仪与IP电话，可将设备图像、语音信号等传输至平台。该集控系统采取KJJ114智能分站，能够实时监测瓦斯、风、电闭锁等的状态，检测设备的开关状态、温度、启停等情况。

3.传输数据

井下皮带机终端发送数据至智能分站，利用分站转换采集信号，通过网络交换机连接环网，进而以IDS软件集成数据，完成界面编辑。改造皮带机电控系统使用KTC101，配置标准串口2个，以Modbus通信，利用控制分站，将皮带机系统与工业以太网连接。考虑通信质量，在500m以内采取RS485线路，超过500m选用光纤通信，数据传输流程见图2。

电控系统使用PLC监控现场设备，如果设备分散，则增设井下控制分站，以现场总线连接工业以太网。集控室调度服务器，借助接口通信协议，完成数据通信。

（四）视频监控技术

井下皮带机集控系统的视频传输，由传输线、摄像单元、视频分配器、光端机、显示系统及服务器构成。井下摄像机配置低照度镜头、摄像机、阻燃光缆等，以视频矩阵传输视频信号至皮带集控中心。在视频监控方面，集控系统在皮带机关键环节安装网络摄像仪，且在调度室配置视频解码器，安装2台视频分配器，1台矩阵切换主机，1套数字视频服务器，5台视频解码器。该多系统采取KBA5网络摄像仪，利用工业以太网传输图像至数据中心。液晶电视墙方面，设置12台46寸液晶电视，按照4列3行顺序排列，自由切换VGA与AV信号，显示皮带监控信息。

（五）PLC控制技术

PLC软件利用文件块方式编写程序集所需数据，这类文件块主要有功能块、组织块、数据块等。组织块是在各种条件下用户使用的接口，由操作系统调用，可扫描程序与中断执行程序；功能块是用户子程序，通过低频率与低电压实现多变频器同时输出，减少电网冲击；数据块是存储数据区，负责存储皮带机运行参数数据。将皮带机等信号直接接入PLC，实现自动控制。

三、煤矿井下皮带机集控改造效果分析

（一）集控改造

在保持整体皮带机框架不变基础上，结合皮带机特点、巷道布置形式，最恶劣工况为运段满载，按照521kW最大负荷优化设计，采取驱动单元进行集中布置，不同工况功率要求见表1。

机械改造方面，改造4台驱动单元底盘，采取“电机+减速机+液粘软启动+驱动滚筒”配置，安装1套制动器液压站，保留2台盘式制动器。

电控改造方面，保留主控开关与电动机，增加软启动液压站启动开关，使用皮带机集控系统，以光纤完成通信。工作方式包括远控与就地两种，满足用户调用、使用需求。

（二）实现目标

①采集信息。接入和采集各种运行数据、设备工况、保护信号，具备扩展性；可修改、定义北侧模拟参数报警值、保护动作值。

②保护功能。系统拥有皮带机机头堆煤、欠速打滑、超温断电洒水、跑偏等保护功能；可选择多种运行方式，以免人员误操作。

③诊断故障。判断设备运行参数阈值，检测参数超出报警阈值，集控中心工作站将发送报警信号，提示值班人员检修维护皮带机设备。

④扩音功能。配置报警电话，出现异常事故利用语音广播给出语音提示；提供停机、开机前预警提示。集控中心以拨号方式实现1对1与1对多通话。

⑤联网功能。集控系统利用分站、主站等，借助以太网控制井下交换机，将监控数据集成处理，输入集控信息平台。

四、结语

综上所述，为减少人员数量，规避人员误操作，优化生产效率，针对某井下皮带机集控情况，可采取现场总线、以太环网、组态软件及PLC控制技术，改造电控系统。以以太环网及通信协议实现集控系统通信，完成信号采集与参数控制功能，能够实现皮带机可靠软启动与软制动，满足煤矿井下高效、安全运输要求。

参考文献：

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