1、前言
煤礦膠帶機集控系統(tǒng)運行安全可靠與否直接影響礦井的經(jīng)濟效益。為提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，實施集中監(jiān)控，實現(xiàn)系統(tǒng)的綜合保護和集中監(jiān)控，是十分必要的。
唐山開誠電器有限責任公司生產(chǎn)的智能皮帶機集中控制與監(jiān)測系統(tǒng)是應用于礦山皮帶運輸自動化的高科技產(chǎn)品，本系統(tǒng)是以《煤礦安全規(guī)程》為依據(jù)，總結礦山運輸過程中所出現(xiàn)的事故，本著安全性高、實用性強、具有先進性的特點而研制開發(fā)的新一代綜合控制系統(tǒng)。
集控系統(tǒng)與調度電話系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)一起，構成一個完整的操作、調度、監(jiān)視網(wǎng)絡，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控。該系統(tǒng)可實現(xiàn)提高生產(chǎn)效率、降低事故率，減少故障處理時間、減少現(xiàn)場操作人員、提高經(jīng)濟效益。
2、集控系統(tǒng)的描述
目前，PLC始終處于工業(yè)自動化控制領域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動化控制設備提供了非常可靠的控制應用。其主要原因，在于它能夠為自動化控制應用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當前工業(yè)企業(yè)對自動化的需要。
在全球工業(yè)計算機控制領域，圍繞開放式過程控制系統(tǒng)、開放式過程控制軟件、開放式數(shù)據(jù)通信協(xié)議，已經(jīng)發(fā)生巨大變革。隨著PLC(SoftPLC)控制組態(tài)軟件技術的誕生與進一步完善和發(fā)展，安裝有SoftPLC組態(tài)軟件和基于工業(yè)PC過程控制系統(tǒng)正在逐步得到發(fā)展。對于控制軟件來講，是PLC控制器的核心，向工業(yè)用戶提供開放式的編程組態(tài)工具軟件。此外，開放式通信網(wǎng)絡技術也得到了突破，其結果是將PLC融入更加開放的工業(yè)自動化控制。
本系統(tǒng)采用全分布式控制結構。由井下控制站和綜合操作臺構成。綜合操作中心位于地面中央控制室。系統(tǒng)采用日本三菱公司的AnS和FX2N系列PLC，控制主站與控制分站之間采用三菱PLC開放的網(wǎng)絡總線結構CC-link，控制分站與傳感器之間采用距陣結構聯(lián)接，控制主站與綜合操作臺的監(jiān)控上位機之間通過CC-link總線網(wǎng)絡聯(lián)接。控制分站負責現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集和控制，通過監(jiān)控，可對整個系統(tǒng)的設備進行監(jiān)視和集中控制。
本系統(tǒng)是以三菱的AnS和FX2N系列PLC作為主控元件，具有防潮、抗干擾能力強，現(xiàn)場易編程、易擴展，基本免維護，并能夠實現(xiàn)軟件控制化，自動檢測系統(tǒng)故障等功能。系統(tǒng)采用多臺PLC組成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，達到不同的規(guī)模控制。完成一個系統(tǒng)內多條皮帶全過程的監(jiān)控、監(jiān)測、連同地面指揮管理中心站，構成一個完善的監(jiān)控系統(tǒng)。
3、網(wǎng)絡系統(tǒng)
考慮到煤礦的現(xiàn)場情況和控制距離，在地面控制中心設置控制主站,采用三菱的大中型PLC-AnS系列，網(wǎng)絡選用開放的CC-link總線，在控制距離大于1200米的兩個控制站間要加中繼器，在皮帶機頭設置控制設備分站。控制設備分站負責現(xiàn)場的信號采集與現(xiàn)場的實時控制。
系統(tǒng)為實時監(jiān)控網(wǎng)絡結構，具備有完善的生產(chǎn)監(jiān)控管理功能，對皮帶運輸主要環(huán)節(jié)及相關的輔助環(huán)節(jié)的生產(chǎn)過程進行實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、顯示、記錄打印，對井下運輸皮帶系統(tǒng)進行遠程集中監(jiān)控，同時配合工業(yè)電視系統(tǒng)進行安全圖像監(jiān)視，以確保人員及設備的安全。
監(jiān)控網(wǎng)絡實施后，操作員可在中控室終端上監(jiān)視控制運輸皮帶生產(chǎn)過程，完成對運輸皮帶生產(chǎn)及相關環(huán)節(jié)的“遙測、遙信和遙控”，實現(xiàn)礦井運輸皮帶生產(chǎn)系統(tǒng)的綜合自動化。
(1) 實時運行參數(shù)監(jiān)測。各監(jiān)控系統(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)的實時工況及目前產(chǎn)量、倉儲等。
(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。
(3) 歷史數(shù)據(jù)查詢。以上生產(chǎn)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)均可存貯于生產(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，及直方圖、餅圖等進行綜合分析。
(4) 設備故障及模擬量超限報警。當設備故障或模擬量超限時，生產(chǎn)監(jiān)測及管理網(wǎng)絡同步顯示故障設備名稱，并可實現(xiàn)語音報警、實時打印故障功能。服務器將該故障信息存入故障信息數(shù)據(jù)庫，供以后統(tǒng)計分析。
(5) 優(yōu)化生產(chǎn)計劃。在網(wǎng)絡服務器中建立了綜合歷史數(shù)據(jù)庫，定時將生產(chǎn)、經(jīng)營等數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，制作計劃、生產(chǎn)完成情況的趨勢分析圖表，為今后的生產(chǎn)計劃提供參考；根據(jù)外運下達計劃和設備實際狀態(tài)、倉儲煤量，合理安排生產(chǎn)計劃、設備維修計劃，以最大限度地減少對生產(chǎn)的影響。
4、操作員工作站
根據(jù)監(jiān)控子系統(tǒng)功能，在監(jiān)控中心設置工作站,運輸系統(tǒng)監(jiān)控工作站它們的功能有：
(1) 根據(jù)操作人員不同，設定不同的使用權限，各司其職；
(2) 提供交互式全中文界面的操作平臺，各子系統(tǒng)設備運行狀態(tài)及參數(shù)直觀動態(tài)顯示；
(3) 根據(jù)工藝流程及聯(lián)鎖關系實現(xiàn)各子系統(tǒng)的自動/手動/就地控制；
(4) 實時設定各種運行、生產(chǎn)工藝參數(shù)；
(5) 實時監(jiān)視各子系統(tǒng)設備的運行參數(shù)及狀態(tài)，同時將各參數(shù)數(shù)據(jù)貯存在硬盤上，將必要的數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)服務器；
(6) 實時監(jiān)視各子系統(tǒng)傳感器的當前狀態(tài)及參數(shù)；
(7) 對各個設備及必要傳感器的故障狀態(tài)實時報警，報警方式為聲光報警。并且打印實時報警，同時將報警數(shù)據(jù)貯存入數(shù)據(jù)服務器，便于統(tǒng)一管理，以便對報警信息進行事故分析；
(8) 隨時查詢、打印實時趨勢以及任意時間段的歷史趨勢；
(9) 隨時查詢、打印任意時段歷史數(shù)據(jù)報表。
5、工程師站
工程師站除具有操作員工作站的一切功能外，還具有如下功能。
根據(jù)工藝的調整在線修改控制器程序，以適應新工藝的需要；
將監(jiān)控系統(tǒng)中有關數(shù)據(jù)進行轉換，進入全礦的信息管理系統(tǒng)中；
設置彩色打印機，打印實時的彩色畫面及彩色的趨勢圖；
當某個子系統(tǒng)的操作員工作站發(fā)生故障時，可以馬上通過設定操作人員權限，將工程師站轉換成為該子系統(tǒng)的操作員工作站。
6、皮帶運輸監(jiān)控系統(tǒng)
本系統(tǒng)由運輸皮帶機、給煤機等基本設備組成，利用控制設備、通訊模塊、打滑、堆料、超溫、煙霧、縱撕、滅塵、速度、跑偏、煤位等保護,達到皮帶機集中控制與監(jiān)測系統(tǒng)的要求。
系統(tǒng)采用多臺PLC組成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，達到不同的規(guī)模控制。完成系統(tǒng)內皮帶，給煤機的全工作過程的監(jiān)控、監(jiān)測、連同地面中控室，構成一個完善的監(jiān)控系統(tǒng)。
(1) 實現(xiàn)膠帶機運輸系統(tǒng)集中監(jiān)控，實時監(jiān)控設備狀態(tài)和運行參數(shù)，并顯示數(shù)據(jù)曲線，對重要信息在硬盤記錄；
(2) 控制方式分集控自動/集控手動/就地，三種方式可轉換。正常生產(chǎn)時，使用集控自動方式，設備按工藝要求的順序和流程由中央控制臺自動啟停；集控手動時，可在中央控制臺操作各設備，無閉鎖和聯(lián)動關系；就地時，在現(xiàn)場操作；
(3) 啟動設備前由集控臺發(fā)預告信號，預告30秒后，若現(xiàn)場均滿足集控自動啟動條件，設備按順序自動啟動。現(xiàn)場可用停車鈕停止啟動過程；
(4) 現(xiàn)場信號箱設起/停車按鈕，現(xiàn)場可隨時停車。若設備由集控啟動，控制系統(tǒng)接到現(xiàn)場停車停號后，可作急停處理，實施故障停車操作；
(5) 按“技術規(guī)定”膠帶運輸機裝設拉線開關、跑偏保護、低速保護等，這些信號均接入集控系統(tǒng)，參加設備的緊急停車和閉鎖停車；
(6) 對設備故障和工藝參數(shù)的異常實時報警，并進行聲光提示。一般故障只報警，現(xiàn)場非正常停車或嚴重故障時，故障設備及其上游設備緊急停車，下游設備順煤流延時閉鎖停車。
6.1 系統(tǒng)的主要功能
1. 每臺設備機頭旁均設有就地操作控制箱，上有工作方式轉換開關及就地起停鈕；
2. 所有膠帶機上的給煤點均設置堆煤保護和縱向撕裂保護，以防止膠帶機事故的擴大化；
3. 所有膠帶機均設有兩極跑偏開關，每隔約50米設置一對跑偏開關，一級跑偏用于故障報警，二級跑偏用于故障停車；
4. 所有膠帶運輸機，均設拉線開關，用于緊急情況下的停車，急停拉線開關的安裝間距均確定按50米進行配置，并可擴展下皮帶的跑偏保護，以保證設備和人身安全；
5. 擴音電話采用新型的選撥電話系統(tǒng)，安裝間距確定按200米進行配置；
6. 水平膠帶機的拉緊裝置為液壓調節(jié)方式，開誠提供一套膠帶機的松帶檢測傳感器，由PLC控制完成膠帶機的張力自動調節(jié)功能；
7. 在皮帶機頭設置堆煤傳感器，防止皮帶的堆煤事故的發(fā)生；
8. 在皮帶機設置皮帶速度傳感器，以檢測皮帶的超速及打滑事故的發(fā)生；
9. 在皮帶巷道設置煙霧傳感器，以檢測皮帶巷道的煙霧濃度防止火災事故的發(fā)生；
10. 在皮帶機的主滾筒設置溫度傳感器，隨時檢測滾筒的溫度，并配備自動撒水裝置，在滾筒超溫時實現(xiàn)自動撒水并對主滾筒進行降溫；
11. 膠帶運輸機每隔約100米設起動預警裝置，設備啟動前發(fā)出預警信號，提示有關人員應立即遠離設備；
12. 電機的電流實時監(jiān)測功能可發(fā)現(xiàn)一些機械設備的潛在故障隱患；運行中對電機的電流進行實時監(jiān)測分析，當發(fā)生電流超限或突變時報警，嚴重時停機。
13. 實現(xiàn)對給煤機與皮帶的閉鎖，實現(xiàn)與以前皮帶的閉鎖功能，具有自動、手動、檢修等控制方式；
14. 在軟件與硬件上開發(fā)了先進的矩陣控制功能，節(jié)省主電纜的開支；
15. 自控系統(tǒng)在性能上具有良好的抗?jié)駸嵝浴⒖垢蓴_性，在結構上滿足在井下條件能夠迅速檢修或更換元器件，根據(jù)煤礦井下的現(xiàn)場環(huán)境，控制箱采用不銹鋼結構，其他采用防腐措施；
16. 可根據(jù)膠帶機系統(tǒng)的故障性質，進行緊急停機、順序停機或發(fā)出報警聲光信號；
17. 在集中操作臺上能集中顯示膠帶機的工作狀態(tài)、故障類型、故障地點；
18. 隔爆軟啟動器或隔爆變頻器納入監(jiān)控；
19. 多種操作方式。控制方式有：集中聯(lián)動、集中手動、就地聯(lián)動、就地手動、禁起等方式，使系統(tǒng)操作靈活、可靠。在集中方式，所有設備由集控室操作員通過上位機操作；
20. 多種流程選擇。在聯(lián)動方式下，可根據(jù)工藝選擇運輸流程， 膠帶啟動按順煤流方向，并根據(jù)膠帶速度、長度延時開車，以減少運行時間；重載啟動時，按逆煤流方向啟動；系統(tǒng)停止或無煤時延時自動停車；
21. 完善的信息處理功能，報警信息、運行參數(shù)、操作記錄等信息自動形成標準格式的數(shù)據(jù)庫文件，并在硬盤長期保存，供信息系統(tǒng)調用；
22. 實現(xiàn)系統(tǒng)集中監(jiān)控，生產(chǎn)數(shù)據(jù)微機化管理。
1) 界面直觀友好，操作簡便，功能齊全。有形象逼真的動態(tài)畫面和全中文顯示，還具有實時報警監(jiān)視、安全確認機制和數(shù)據(jù)記錄功能。對操作員素質無特殊要求，培訓簡單；
2) 對報警信息和重要運行參數(shù)在硬盤記錄，數(shù)據(jù)表格和曲線可隨時調出；
3) 生產(chǎn)數(shù)據(jù)存入計算機硬盤，可由管理信息系統(tǒng)按需調用。
6.2 可實現(xiàn)自動化控制系統(tǒng)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享
計算機管理工作站設信息管理系統(tǒng)，決策者通過管理工作站可根據(jù)各自權限遠程訪問監(jiān)控上位機，得到現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表、設備管理信息和生產(chǎn)統(tǒng)計分析。
6.3 具有故障自診斷功能
1. 網(wǎng)絡故障自診斷。當網(wǎng)絡由于發(fā)生斷線、干擾等傳輸問題時， 網(wǎng)絡會自動偵測到，并發(fā)出報警；
2. PLC故障自診斷。PLC的掃描器和適配器發(fā)生故障時，系統(tǒng)會通過網(wǎng)絡的通訊情況判斷故障，并發(fā)出報警；PLC的I/O模塊發(fā)生故障時，CPU會通過I/O模塊的狀態(tài)位偵測到故障及故障內容，系統(tǒng)會發(fā)出報警；
3. 傳感器和信號線故障診斷。模擬量的傳感器或信號線發(fā)生斷線故障時，PLC通過測量值判斷故障并發(fā)出報警。
6.4 維護方便
1. I/O模塊采用可拆卸端子排，出現(xiàn)故障時，集控室發(fā)出聲光報警，可在幾分鐘之內即可更換完畢；
2. 系統(tǒng)擴展方便，增加新設備或上后期工程，可以方便地加入節(jié)點，并可通過網(wǎng)絡在線修改程序；
3. 系統(tǒng)具有自診斷功能，能及時報告故障時間、位置、類型等信息，更便于維護。
6.5 集控系統(tǒng)的特點
本集控系統(tǒng)具有以下幾方面特點：
1. 選用先進的控制器，系統(tǒng)的實時性好，可靠性高，數(shù)據(jù)處理速度快；
2. 采用全分布式控制結構，系統(tǒng)具有較高的安全性。當?shù)孛娌糠殖霈F(xiàn)控制故障時，井下部分仍可實現(xiàn)集控運行；
3. 通訊網(wǎng)絡速度快，距離遠，可靠性高；
4. 界面直觀友好，操作簡便，功能齊全。人機界面不僅具有形象逼真的動態(tài)畫面和全中文顯示，還具有實時報警監(jiān)視、安全確認機制和數(shù)據(jù)記錄功能；
5. 減少布線成本，由于采用遠距離通訊網(wǎng)絡，使布線更加方便，并大大減少電纜用量；
6. 維護方便，運行費用低。系統(tǒng)擴展方便，可隨時增加節(jié)點，并可通過網(wǎng)絡由中控室在線修 改程序。控制器和網(wǎng)絡可靠性高，維護工作量小；
7. 總結各礦膠帶運輸系統(tǒng)的經(jīng)驗教訓，特別采取了增加設備可靠性的措施，如選用先進可靠的控制器和網(wǎng)絡產(chǎn)品。
