機(jī)巷運(yùn)輸自動化控制系統(tǒng)研究

機(jī)巷運(yùn)輸自動化控制系統(tǒng)研究 摘要：隨著煤礦井下單班作業(yè)人數(shù)限員規(guī)定（試行）的通知下發(fā)及煤礦企業(yè)招工難等突出問題的顯現(xiàn)，如何減少井下一線作業(yè)人數(shù)，減輕工人勞動強(qiáng)度，成為南方煤礦企業(yè)發(fā)展的瓶頸。針對這一問題，樂礦集團(tuán)沿溝煤礦投入使用了一套采區(qū)機(jī)巷運(yùn)輸自動化集中控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)大幅度精減了作業(yè)線上人員，節(jié)約成本，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞：采區(qū)機(jī)巷；自動化；集中控制系統(tǒng)；輸送機(jī)1概述沿溝煤礦開采急傾斜煤層群，采用"急傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法"開采。工作面煤炭經(jīng)機(jī)巷后采用刮板輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)運(yùn)至煤斗。采區(qū)機(jī)巷運(yùn)輸系統(tǒng)基本運(yùn)輸單元由多條皮帶、刮板輸送機(jī)搭接形成。沿溝煤礦現(xiàn)有的原煤開采輸送系統(tǒng)，均靠人工操作及巡檢維護(hù)。因此，每部設(shè)備均需配備刮板輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)司機(jī)。采面初采期，工作面走向長度較長，皮帶、刮板輸送機(jī)較多，最多時可達(dá)9部，最少時也有5部，造成企業(yè)用工多，人力成本占到企業(yè)噸煤成本的一半以上。隨著國家煤礦安全監(jiān)察局煤礦井下單班作業(yè)人數(shù)限員規(guī)定（試行）的通知的下發(fā)及煤礦企業(yè)招工難等突出問題，自動化減人工作已成為各煤礦企業(yè)發(fā)展趨勢和努力追求的目標(biāo)。而采區(qū)工作面機(jī)巷運(yùn)輸集中自動化控制系統(tǒng)能從根本上解決采區(qū)機(jī)巷設(shè)備用人多、故障多、成本高等問題，具有重要的社會和經(jīng)濟(jì)效益。2采區(qū)機(jī)巷運(yùn)輸自動化集中控制系統(tǒng)簡介采區(qū)機(jī)巷運(yùn)輸自動化控制系統(tǒng)是以視頻、自動化及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集于一體的智能監(jiān)控裝置；以智能模型為核心的控制思路，組成井下煤炭輸送的智能物聯(lián)網(wǎng)，達(dá)到全井無憂安全輸送。2.1系統(tǒng)框架。采區(qū)機(jī)巷運(yùn)輸自動化控制系統(tǒng)中，各智能控制分站是通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)接口連接在一起的。各分站具有獨立工作能力，可自主完成既定的任務(wù)，如數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)視、操作和控制等。對礦井運(yùn)輸系統(tǒng)來說，就是針對每一條生產(chǎn)線設(shè)置一個智能控制分站，一條生產(chǎn)線包括由不同臺數(shù)的皮帶機(jī)與刮板機(jī)組成，獨立自主完成對一條生產(chǎn)線運(yùn)輸設(shè)備的控制、顯示和操作。采區(qū)機(jī)巷運(yùn)輸自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。2.2控制保護(hù)功能。系統(tǒng)為實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有完善的生產(chǎn)監(jiān)控管理功能，能對運(yùn)輸主要環(huán)節(jié)及相關(guān)的輔助環(huán)節(jié)的生產(chǎn)過程進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、顯示、記錄，對井下運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程集中監(jiān)控；同時配合工業(yè)電視系統(tǒng)進(jìn)行安全圖像監(jiān)視，以確保人員及設(shè)備的安全。監(jiān)控系統(tǒng)實施后，操作員可在中控終端上監(jiān)視及控制運(yùn)輸生產(chǎn)過程，完成對運(yùn)輸生產(chǎn)及相關(guān)環(huán)節(jié)的"遙測、遙信和遙控"，實現(xiàn)了礦井運(yùn)輸生產(chǎn)系統(tǒng)的綜合自動化。各設(shè)備的保護(hù)信號有打滑、堆煤、斷軸、超溫、煙霧、縱撕、灑水、跑偏、倉滿、急停閉鎖、斷鏈、板斜、掉鏈等。2.3系統(tǒng)硬件組成。系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控中心站、網(wǎng)絡(luò)層、現(xiàn)場控制分站組成。主要設(shè)備包括上位機(jī)、組態(tài)軟件、礦用隔爆交換機(jī)、隔爆兼本安型PLC控制箱、隔爆液晶屏、總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、防爆攝像頭及各類傳感器等部分。2.4外接數(shù)據(jù)交換。根據(jù)現(xiàn)場的設(shè)備布置情況，采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在設(shè)備層采用專用總線技術(shù)。在控制層采用專用的控制網(wǎng)絡(luò)。在系統(tǒng)接入的信息層采用工業(yè)以太網(wǎng)。系統(tǒng)保證整個網(wǎng)絡(luò)的暢通行，網(wǎng)絡(luò)具有路由的功能，能通過上位系統(tǒng)的以太網(wǎng)、路由到控制層和設(shè)備層。2.5系統(tǒng)功能。（1）實時運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測各監(jiān)控子系統(tǒng)實時采集生產(chǎn)工況參數(shù)，可以采用圖形、報表的形式顯示系統(tǒng)的實時工況。具體監(jiān)測的工況參數(shù)：如皮帶是否打滑、斷帶、跑偏、撕裂、煙霧，皮帶機(jī)是否堆煤，刮板機(jī)的聯(lián)軸器與減速器的溫度，電機(jī)的溫度、轉(zhuǎn)速，減速器內(nèi)的油位，刮板的運(yùn)行狀態(tài)，刮板機(jī)是否堆煤等。（2）實時過程控制分析采集的參數(shù)，各系統(tǒng)自動完成過程控制或由操作員操作控制。系統(tǒng)控制模式分為遠(yuǎn)程自動控制、遠(yuǎn)程手動控制、就地運(yùn)行控制。模式切換可在觸摸屏及上位機(jī)上完成。正常運(yùn)行時，系統(tǒng)一般處于遠(yuǎn)程自動控制狀態(tài)。系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)程序控制生產(chǎn)線上設(shè)備自動按順序啟動、運(yùn)行、連鎖與保護(hù)及停車全過程的控制和監(jiān)測。協(xié)助運(yùn)行時，系統(tǒng)可以處于遠(yuǎn)程手動控制狀態(tài)。根據(jù)生產(chǎn)要求由操作人員協(xié)助控制生產(chǎn)線上設(shè)備的開、停車，保留集中自動控制的全部功能。檢修試車時，系統(tǒng)處于就地運(yùn)行控制狀態(tài)。通過現(xiàn)場設(shè)備控制柜上的起停裝置控制設(shè)備的開、停車，保留單臺設(shè)備的保護(hù)功能。（3）歷史數(shù)據(jù)查詢以上生產(chǎn)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)均可存儲于生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)庫中，可實現(xiàn)歷史回顯、歷史趨勢分析，進(jìn)行綜合分析。提供實時數(shù)據(jù)及曲線、歷史數(shù)據(jù)及曲線、報警參數(shù)記錄、報警數(shù)據(jù)、起停車的時間記錄等。（4）視頻監(jiān)控利用遠(yuǎn)程視頻攝像儀，在中控或各子站均可實時視頻監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀況，通過網(wǎng)絡(luò)將實時視頻傳至井上并保存，以便后期調(diào)閱。（5）設(shè)備故障及模擬量超限報警當(dāng)設(shè)備故障或模擬量超限時，生產(chǎn)監(jiān)測及管理網(wǎng)絡(luò)同步顯示故障設(shè)備名稱，并可實現(xiàn)報警、實時打印故障功能。如設(shè)備出現(xiàn)各類故障時，系統(tǒng)將聲光報警并按預(yù)設(shè)程序進(jìn)行連鎖動作，并對故障時間、位置及類型等信息進(jìn)行記錄。3采區(qū)機(jī)巷集中自動化控制系統(tǒng)在沿溝礦31701工作面的應(yīng)用3.1機(jī)巷運(yùn)輸情況及存在問題簡介。31701采區(qū)機(jī)巷共裝設(shè)皮帶輸送機(jī)二部、刮板輸送機(jī)四部。整條機(jī)巷全長700余米，兩處90度拐彎。當(dāng)工作面來煤后，最后一部刮板輸送機(jī)司機(jī)發(fā)信號通知第一部司機(jī)，由第一部司機(jī)將皮帶輸送機(jī)開啟；等第一部開啟后，第二部司機(jī)再將二部皮帶輸送機(jī)開啟；按此步驟，直到最后一部刮板輸送機(jī)運(yùn)行。為此礦人力資源部給該機(jī)巷定員20人（操作工每班6人、維修鉗工2人）。由于原有操作工藝復(fù)雜，導(dǎo)致該機(jī)巷存在三個方面問題：從發(fā)出信號到設(shè)備全線運(yùn)轉(zhuǎn)起來，需10多分鐘，一旦工作面來煤較快，極易壓死刮板輸送機(jī)。由于下煤斜坡除下煤外，也是工作面進(jìn)風(fēng)巷，煤流不及時運(yùn)走，會影響工作面進(jìn)風(fēng)斷面，經(jīng)常造成工作面少風(fēng)、無風(fēng)作業(yè)及瓦斯超限；由于工作面采用炮采，工作面出煤量極不穩(wěn)定。為減輕工作量，崗位人員停機(jī)時間較少，尤其中、晚班，設(shè)備幾乎不停，造成刮板輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)長期空負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，中部槽、鏈環(huán)、托輥等零配件磨損消耗特別大；這樣既增加了材料費(fèi)，又增加了維修工作量，還增加了電費(fèi)支出。為了有效化解老工藝給生產(chǎn)帶來的被動影響，提高安全生產(chǎn)可靠性，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，沿溝礦于2018年10月采用EPC模式，引進(jìn)北京昌盛傳動技術(shù)有限公司采區(qū)機(jī)巷運(yùn)輸自動化集中控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了31701機(jī)巷運(yùn)輸設(shè)備集中自動化控制。3.2系統(tǒng)安裝。為減少線路聯(lián)接，每臺設(shè)備上布置了一臺分站及一個紅外攝像頭，各臺設(shè)備傳感器通過分站PLC進(jìn)行程序處理，主站（操做臺）與控制分站之間通過光纖總線方式連接組成控制網(wǎng)絡(luò)，各控制分站是通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)接口連接在一起。整條機(jī)巷只需增加光纜一根，兩芯屏蔽阻燃通訊線一根。由于設(shè)備采用PLC程序控制，設(shè)備未投入使用前，可用程序?qū)⑿略O(shè)備所有點進(jìn)行短接，確保了設(shè)備安裝期間不會對現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)造成影響。3.3系統(tǒng)操作。系統(tǒng)的控制方式：具有集中自動運(yùn)行、單機(jī)自動運(yùn)行、就地三種工作方式。機(jī)巷只需兩人，一人操作、一人巡視；操作人員通過最后一部刮板輸送機(jī)尾攝像頭觀察來煤情況，一旦刮板輸送機(jī)尾煤量達(dá)30mm，便發(fā)出指令從最后一部設(shè)備往前逐臺開啟。當(dāng)無煤時，系統(tǒng)會從里面逐臺往外停止設(shè)備運(yùn)行，確保設(shè)備不會被煤流壓死。4使用效果分析4.1經(jīng)濟(jì)效果。（1）人工成本收益：原6臺設(shè)備操作人員18人/天，改造后6人/天，按礦機(jī)巷設(shè)備操作工崗位3500元/月（含四險一金）計算，則年節(jié)約人工費(fèi)用12×4.2萬元=50.4萬元。（2）電量支出收益：由于設(shè)備由原逆煤流啟動改為順煤流啟動及增加了停機(jī)頻率，通過機(jī)巷表計對比，電能節(jié)約可達(dá)30%以上。按沿溝礦對近4年統(tǒng)計每臺設(shè)備單耗計算，取平均值0.218萬度臺/月，年合計用電量約為0.218×6臺×12個月=15.696萬度，按綜合電價0.79元/度計算：15.696×0.79=12.4萬元。則年節(jié)約電費(fèi)：12.4×0.3=3.72萬元。（3）設(shè)備損耗收益粗算：改造后設(shè)備空運(yùn)行時間可減少30%，按皮帶機(jī)每臺設(shè)備價值約18萬元，刮板輸送機(jī)每臺設(shè)備價值約10萬元，6臺設(shè)備合計約76萬元；年節(jié)省設(shè)備損耗費(fèi)用76×0.3=22.8萬元/年。機(jī)巷運(yùn)輸系統(tǒng)集中自動化控制改造后，與原系統(tǒng)相比預(yù)計4年可節(jié)約費(fèi)用為307.68萬元，除去支付北京昌盛傳動技術(shù)有限公司投資82.66萬元費(fèi)用外，沿溝礦四年可節(jié)約費(fèi)用225.02萬元。4.2社會效果。通過該項目的實施，企業(yè)用工大量減少，若沿溝礦生產(chǎn)的五個采面全部投入采區(qū)機(jī)巷集中自動化控制系統(tǒng)后，五個采區(qū)將直接減少一線作業(yè)人員50人，將大幅度緩解目前煤礦招工難、用工多的突出問題；特別是滿足了煤礦井下單班作業(yè)人數(shù)限員規(guī)定（試行）通知的要求，實現(xiàn)了煤礦井下人少則安、無人為安的安全理念和自動化減人、機(jī)械化換人的目標(biāo)。5結(jié)語機(jī)巷集中自動控制系統(tǒng)，通過沿溝礦近一年的使用，基本達(dá)到了無故障運(yùn)行，且安裝、使用方便，安全可靠性高，并得出如下結(jié)論：1）本項目采用EPC模式運(yùn)作，企業(yè)投資做到了零風(fēng)險。2）機(jī)巷運(yùn)輸系統(tǒng)集中自動化控制改造后，與原系統(tǒng)相比預(yù)計4年可節(jié)約費(fèi)用為307.68萬元，除去投資82.66萬元費(fèi)用外，四年可節(jié)約225.02萬元。3）通過該項目的實施，企業(yè)用工大量減少。原系統(tǒng)每天需要18人，采區(qū)機(jī)巷集中自動化控制系統(tǒng)實施后每天只需要6人，大幅度減少了井下一線人員數(shù)量，切合煤礦井下單班作業(yè)人數(shù)限員規(guī)定（試行）的通知要求，實現(xiàn)煤礦井下人少則安、無人為安的安全理念和自動化減人、機(jī)械化換人的目標(biāo)。