掘進工作面智能配套裝備升級改造

王晉強

（晉能控股煤業(yè)集團沁秀公司岳城煤礦，山西 晉城 048006）

隨著工業(yè)裝備智能化、集約化的快速發(fā)展，兩化融合已經(jīng)開始向礦山一線延伸，通過智能化升級提升礦井安全技術(shù)水平勢在必行。綜掘工作面作為煤礦安全事故最集中區(qū)域，更是智能化改造的重中之重。以岳城礦為例，該礦掘進工作面出煤、風(fēng)機等系統(tǒng)均需安排崗位司機單人盯崗手動操作，每班崗位司機至少4 人，極大地制約了人工效率，加大了設(shè)備運行和人工操作失誤的風(fēng)險[1]。因此有必要研究一種具有集中通訊、控制功能的智能化操作系統(tǒng)，實現(xiàn)工作面所有設(shè)備運行的集約化操作和智能化操控，對確保煤礦生產(chǎn)安全、提高生產(chǎn)效益具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 現(xiàn)場概況

岳城煤礦現(xiàn)同時布置4 個綜掘工作面，掘進機、運輸皮帶、轉(zhuǎn)載機、局扇風(fēng)機、配電開關(guān)等設(shè)備均需配備崗位司機協(xié)同完成，4 個頭面每班需配置近16 人專門負責(zé)設(shè)備操作運行。同時還存在如下問題：（1）掘進工作面帶式輸送機控制系統(tǒng)可靠性差，沿線急停裝置出現(xiàn)故障等無法精確定位顯示，且急停故障率高，無法與工作面和調(diào)度室實時聯(lián)系；（2）掘進工作面出煤系統(tǒng)設(shè)備多是單人單崗手動操作，且啟停步驟繁瑣，需要逐級聯(lián)系啟動，操作效率低下；（3）局扇系統(tǒng)缺乏遠程控制功能及數(shù)據(jù)記錄、運行歷史查詢功能，故障后無法快速有效恢復(fù)。因此非常有必要對現(xiàn)場設(shè)備系統(tǒng)進行智能化升級改造，提高安全生產(chǎn)效率。

2 改造方案

構(gòu)建井下綜掘工作面智能化集控系統(tǒng)，通過井下防爆電腦和地面集控平臺實時監(jiān)測綜掘工作面運輸皮帶、轉(zhuǎn)載機、局扇風(fēng)機、配電開關(guān)等相關(guān)設(shè)備的運行工況參數(shù)和狀態(tài)，實現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的遠程開停、集中控制和故障報警功能。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

圖1 掘進工作面集控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖1 可知，掘進工作面集控系統(tǒng)按照設(shè)備管控架構(gòu)分為管理層、傳輸層和設(shè)備層。其中管理層是以皮帶集控上位機和解碼器為核心，通過顯示器實時監(jiān)控所有設(shè)備運行狀態(tài)及參數(shù)，管理、存儲、更新以及共享數(shù)據(jù)庫資源，并將數(shù)據(jù)上傳至地面監(jiān)控中心；傳輸層由千兆環(huán)網(wǎng)、控制電纜、光纖組成，作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄簩崿F(xiàn)帶式輸送機主控制器與帶式輸送機開關(guān)互聯(lián)，實現(xiàn)防爆計算機與局扇風(fēng)機及供配電系統(tǒng)開關(guān)互聯(lián)，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳及控制命令下達?？刂茖邮峭ㄟ^防爆計算機對現(xiàn)場各類開關(guān)控制器、傳感器進行設(shè)備控制、信號傳輸和實時報警，達到遠程集控的目的。

3 系統(tǒng)配置

本次針對掘進工作面運輸系統(tǒng)（按4 部運輸皮帶，每部按1000 m 考慮）、局扇風(fēng)機系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)（皮帶開關(guān)、局扇開關(guān)、水泵開關(guān)、移變高低壓頭開關(guān)）等相關(guān)設(shè)備進行智能化改造，達到遠程集控、實時監(jiān)測和智能運行的要求。

3.1 皮帶集控子系統(tǒng)

皮帶保護控制系統(tǒng)一方面將系統(tǒng)本身檢測到的所有數(shù)據(jù)上傳至井下監(jiān)控中心，另一方面接收地面監(jiān)控中心下發(fā)的啟停指令。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2。

由圖2 可知，在掘進巷道口放置一臺KTC190型控制器，此控制器出2 條AST 線，連接所有四部皮帶；AST1 線通過七芯電纜連接一部機頭接口箱，經(jīng)擴音電話、急停、七芯電纜連接一部機尾智能電話，再通過七芯電纜連接二部機頭接口箱，經(jīng)擴音電話、急停、七芯電纜連接二部機尾智能電話，最后以智能終端結(jié)束，AST1 線控制一部、二部啟停以及各皮帶保護；AST2 線通過七芯電纜連接溜子機頭接口箱，再通過七芯電纜連接三部機頭接口箱，經(jīng)擴音電話、急停、七芯電纜連接三部機尾智能電話，再通過七芯電纜連接四部機頭接口箱，經(jīng)擴音電話、急停、七芯電纜連接四部機尾智能電話，最后以智能終端結(jié)束。每個設(shè)備機頭接口箱帶就地啟停按鈕，可以單獨在就地啟動，沿線每隔100 m 布置一臺帶拉線功能的急停開關(guān)，每隔200 m 布置一臺帶拉線急停功能的組合擴音電話，每條帶式輸送機尾布置一臺可以接防跑偏和防撕帶保護的智能電話。

圖2 皮帶集控結(jié)構(gòu)配置圖

3.2 局扇風(fēng)機控制系統(tǒng)

局扇風(fēng)機系統(tǒng)包括遠程監(jiān)控站、井下監(jiān)控中心、通訊采集分站、語音通話等系統(tǒng)組成，其基本架構(gòu)如圖3。

圖3 局扇風(fēng)機集控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 地面遠程監(jiān)控站

地面監(jiān)控站由遠程監(jiān)控計算機、組態(tài)監(jiān)控軟件、網(wǎng)絡(luò)交換機、打印機、UPS 電源和監(jiān)控臺等組成，監(jiān)控計算機雙機冗余設(shè)計，分別安裝監(jiān)控組態(tài)軟件和視頻監(jiān)控軟件，可互為切換和相互備用[2]。

3.2.2 井下監(jiān)控中心

井下監(jiān)控中心由礦用隔爆型計算機、電源箱、采集傳輸裝置、傳感器組成。系統(tǒng)配置礦用鋰離子蓄電池電源，維持時間不少于4 h，可清晰顯示各路監(jiān)控點圖像，可以循環(huán)顯示和多路顯示，配置網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機就地儲存視頻。

3.2.3 礦用本安通訊分站

礦用本安通訊分站是基于高性能、低功耗的STM32STM32 系列嵌入式計算機設(shè)計開發(fā)，提供光纖接口2 路，以太網(wǎng)接口8 路，RS485 接口2 路，數(shù)字量輸入（DI）接口12 路，數(shù)字量輸出（DO）接口16 路及液晶屏人機界面[3]。

3.2.4 井上井下語音通話

井上下語音通話系統(tǒng)架構(gòu)如圖4。

圖4 井上井下語音通話示意圖

由圖4 可知，皮帶沿線語音設(shè)備、工作面沿線語音設(shè)備與KTK35 廣播報警擴播電話連接，完成井上下語音通話，且具有撥號電話的所有功能，具有聲光報警和應(yīng)急廣播于一體的功能，同時可與煤礦運輸沿線控制保護等第三方擴音電話進行語音連接，實現(xiàn)地面調(diào)度與井下擴音電話的雙向語音通訊功能。該系統(tǒng)能發(fā)出擴音振鈴及紅色閃光燈振鈴信號，在綜采、掘進工作面、膠帶機等嘈雜環(huán)境，更易接聽來電，可以實現(xiàn)擴播事故語音報警、礦難語音報警和警報頻率報警，并能通過閃光燈顯示快速撤離信號。

4 現(xiàn)場驗證及結(jié)論

設(shè)備升級后，在岳城煤礦掘進巷道進行了工業(yè)性試驗。試驗結(jié)果表明，采用改造后的智能配套系統(tǒng)后，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)設(shè)備的遠程開停、集中控制和故障報警功能，且巷道沿線急停系統(tǒng)故障率明顯降低，工作面出煤效率明顯提高，每班掘進工作量較原來提高了大約20%；能夠?qū)崿F(xiàn)皮帶司機、風(fēng)機管理員、配電開關(guān)人員等多崗合一，每班出勤7人即可正常生產(chǎn)，每班減少2 人，達到了減員提效的目的。