煤礦無線遠(yuǎn)程遙控信號(hào)及操車系統(tǒng)研究

陳顯寶

（山東省邱集煤礦有限公司，山東 德州 251105）

邱集煤礦1991 年底開工建設(shè)，2003 年末建成投產(chǎn)，目前達(dá)到生產(chǎn)能力75 萬t/a（山東省能源局公告2023 年第7 號(hào)），是臨沂礦業(yè)集團(tuán)骨干礦井之一，是國家安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化一級(jí)礦井。近年來，礦井秉承堅(jiān)持“無人則安、少人則安”的理念，不斷加大智能化開采技術(shù)和裝備水平升級(jí)力度，推動(dòng)少人或無人化發(fā)展。礦井提升機(jī)控制采用人工值守操作模式，主副井口、井下各水平分別配有提升機(jī)控制室，24 小時(shí)輪班值守的工作模式，需要信號(hào)把鉤工不定時(shí)巡檢，通信采用有線電話或者井下無線手機(jī)相互通信的形式。在經(jīng)歷了多年這種模式的操作后，面臨著人工值守操車勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，巡檢不到位而誤操作引起的安全風(fēng)險(xiǎn)和壓力大。

另一方面信號(hào)把鉤工在信號(hào)室進(jìn)行打點(diǎn)和操車作業(yè)時(shí)，由于視覺局限性及個(gè)別員工責(zé)任心不強(qiáng)，導(dǎo)致其不了解現(xiàn)場情況就進(jìn)行操作，存在很大的安全隱患。系統(tǒng)優(yōu)化創(chuàng)新點(diǎn)是在原有控制程序的基礎(chǔ)上，引入了就近無線操控的理念，實(shí)現(xiàn)就近急停罐籠、就近打點(diǎn)、就近操車、增加就地安全閉鎖，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的指示信號(hào)，最大程度地提高人員操作的安全性、流暢性和高效性。就近無線操控系統(tǒng)可以隨時(shí)切換到原有操控系統(tǒng)。

為了解決提升機(jī)操車控制效率低的問題，經(jīng)過探索和研究改進(jìn)之后，提出了通過煤礦工業(yè)以太網(wǎng)交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)全礦信息數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)全礦提升機(jī)信號(hào)及操車控制系統(tǒng)與全礦井的監(jiān)控系統(tǒng)信息共享，再由無線遙控器下發(fā)控制命令給隔爆型PLC 控制箱，從而執(zhí)行對所有提升系統(tǒng)中的液壓站電機(jī)、阻車器、推車機(jī)、安全門、搖臺(tái)等操車設(shè)備的控制目的，可以提高煤礦的信息化管理水平，利用信息互享的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，減少值班人員數(shù)量，達(dá)到減員增效的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由隔爆型PLC 可編程控制箱、隔爆兼本安型無線基站、礦用本安型手持遙控器、隔爆計(jì)算機(jī)、千兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、隔爆兼本安型直流電源等設(shè)備組成，具體的設(shè)計(jì)框圖如圖1。系統(tǒng)工作原理是信號(hào)操作工手持遙控器，按動(dòng)面板上的功能按鍵，通過無線發(fā)射模塊發(fā)射指令給無線接收模塊，無線接收模塊將接收到的指令通過光纜傳輸給隔爆型可編程控制箱中的PLC 模塊，PLC 模塊根據(jù)內(nèi)置控制邏輯程序一方面輸出指令控制推車機(jī)、安全門、搖臺(tái)、阻車器等設(shè)備動(dòng)作，另一方面接收信號(hào)機(jī)及各被控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，按邏輯程序輸出至隔爆型計(jì)算機(jī)，并在顯示器顯示，以便現(xiàn)場操作人員隨時(shí)了解提升信號(hào)及操車設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)[1-3]。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 KXJ1140 隔爆兼本安型PLC 控制器

現(xiàn)有PLC 可編程控制器內(nèi)配有以太網(wǎng)通信模塊，來完成與無線基站的通信功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程傳輸控制PLC 控制器動(dòng)作的目的。PLC 控制器作為就地或遠(yuǎn)距離控制相應(yīng)頻率和電壓等級(jí)的礦用隔爆三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)或停止之用，同時(shí)對多臺(tái)電動(dòng)機(jī)及有關(guān)電路進(jìn)行過載、短路、斷相、主電路漏電閉鎖和欠壓、過壓保護(hù)[4-5]?？刂破鞴╇姴捎?140 V 交流電源，具有多種信號(hào)輸入接口：2 路RS-485 數(shù)字總線接口、4 路100 Mbps 網(wǎng)口、4路100 Mbps 光纖接口、52 路無源節(jié)點(diǎn)信號(hào)和8 路電流型模擬量信號(hào)輸入接口。通過內(nèi)部PLC 組件編程可以實(shí)現(xiàn)就地和遠(yuǎn)程控制，并且可以接收控制信號(hào)與模擬量信號(hào)后，發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

2.2 KJD127 礦用隔爆兼本安型計(jì)算機(jī)

計(jì)算機(jī)為工業(yè)級(jí)24 寸液晶監(jiān)視器、無風(fēng)扇工業(yè)計(jì)算機(jī)、本安鍵盤、隔爆外殼組成。計(jì)算機(jī)采用127 V 交流電供電，整機(jī)功率≤100 W。計(jì)算機(jī)具有2 路1000 Mbps 光纖接口和4 路100 Mbps 網(wǎng)口，可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要，靈活連接這兩種傳輸接口。

2.3 礦用本安型無線基站

無線基站作為連接手持式遙控器和執(zhí)行設(shè)備之間的通信橋梁，通過本安電路設(shè)計(jì)，使其具有快速有線光纖通信和遠(yuǎn)距離無線通信的功能，實(shí)現(xiàn)手持遙控器遠(yuǎn)程操控PLC 控制器，達(dá)到對操作設(shè)備無線控制的效果。具體的技術(shù)指標(biāo)詳見表1。

表1 無線基站主要技術(shù)指標(biāo)

2.4 礦用本安型遙控發(fā)送器

礦用本安型遙控發(fā)送器采用特殊組合形式進(jìn)行控制，按照操作流程控制，從而實(shí)現(xiàn)提升信號(hào)和操車設(shè)備的就近無線操作。模塊采用加強(qiáng)型無線技術(shù)，最大傳輸距離超過200 m[6-7]。

2.4.1 信號(hào)程序之間的閉鎖

1）信號(hào)與絞車控制回路閉鎖：只有當(dāng)絞車房接到上井口發(fā)來的提升信號(hào)指令，絞車方可提升。

2）信號(hào)與安全回路閉鎖：當(dāng)絞車房收到上、下井口發(fā)來的“急?！毙盘?hào)時(shí)，絞車安全回路跳閘。

3）信號(hào)有轉(zhuǎn)發(fā)閉鎖功能：上井口只有收到下井口發(fā)來的信號(hào)時(shí)，才能向車房發(fā)出信號(hào)，并只能轉(zhuǎn)發(fā)與下井口相同的信號(hào)。

4）信號(hào)本身閉鎖功能：當(dāng)發(fā)出信號(hào)后，只有清除當(dāng)前信號(hào)才能再發(fā)其他信號(hào)。

5）急停信號(hào)可直接發(fā)到車房，不受任何閉鎖限制。

2.4.2 操車執(zhí)行程序之間的閉鎖

1）罐籠到位，打停點(diǎn)后，安全門方可打開，搖臺(tái)放下，前阻打開，推車機(jī)正向推車至前限位停止；前阻關(guān)閉，搖臺(tái)抬起，安全門關(guān)閉，可發(fā)提升信號(hào)，推車機(jī)退回至后限位停止，后阻打開，復(fù)阻打開，放車[8]。

2）前阻與后阻不能同時(shí)打開。始終保持前阻開，后阻關(guān)；后阻開，前阻關(guān)。

3）操車與信號(hào)閉鎖：只有當(dāng)操車設(shè)備執(zhí)行部位處于正常位置時(shí)方可發(fā)出提升信號(hào)指令，否則發(fā)不出提升信號(hào)[9]。

2.5 礦用隔爆攝像儀

在井口和井底附近均安裝有符合礦用安全要求的攝像儀，攝像儀是通過千兆環(huán)網(wǎng)平臺(tái)，將實(shí)時(shí)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)傳送給地面監(jiān)視主機(jī)和井下防爆計(jì)算機(jī)，信號(hào)工可以根據(jù)各區(qū)域的實(shí)時(shí)畫面，綜合判斷如何操車控制。具體的攝像儀功能和參數(shù)見表2。

表2 攝像儀功能和參數(shù)

2.6 礦用千兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)

千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機(jī)是系統(tǒng)傳輸?shù)暮诵脑O(shè)備，能夠架起井下設(shè)備信息互享的快速通道，實(shí)現(xiàn)各種感知設(shè)備和控制設(shè)備的融合聯(lián)動(dòng)，加快煤礦智能化建設(shè)[10-12]。核心傳輸模塊具有4 路LC 千兆光纖接口，作為環(huán)網(wǎng)的主傳輸接口，同時(shí)具備4路千兆R(shí)J45 網(wǎng)口、4 路百兆光纖接口和4 路百兆R(shí)J45 網(wǎng)口、1 路RS-485 總線型信號(hào)接口，能夠滿足多達(dá)13 路的終端設(shè)備數(shù)字信號(hào)接入[13-14]。

2.7 礦用隔爆兼本安型直流電源

礦用直流電源是環(huán)網(wǎng)交換機(jī)和其他本安設(shè)備的關(guān)聯(lián)裝置，主要為其提供各種功率的本安輸出電源。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，直流電源需要具備24 V/0.6 A、12 V/1 A、5 V/1.5 A 這三種本安電源規(guī)格，同時(shí)還需要具備交流斷電后，有超過4 h 供電能力的備用電池，另外電源還需要具備RJ45 輸出接口，是為系統(tǒng)具備電源工作狀態(tài)和電池電量監(jiān)測功能而提供的傳輸接口。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際的供電系統(tǒng)情況，電源采用660 VAC 供電。

3 現(xiàn)場實(shí)施效果

3.1 現(xiàn)場實(shí)施效果

煤礦無線遙控操車系統(tǒng)在臨沂礦業(yè)集團(tuán)邱集煤礦進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果：

1）通過研究，為該礦提供了全新的井下無線遠(yuǎn)程遙控信號(hào)及操車系統(tǒng)解決方案，用于煤礦井下提升信號(hào)及操車電控的重要場所。該系統(tǒng)通過無線遠(yuǎn)程控制的方式減少井口提升中各水平的崗位操作人員數(shù)量，優(yōu)化人員組織，減少人員占用[15]。

2）研究隔爆兼本安型計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對聯(lián)網(wǎng)的各提升機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的信息顯示，也可以通過計(jì)算機(jī)軟件控制權(quán)限，進(jìn)行各種需要的控制操作[16-17]。

3）研究無線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無線遙控器和無線基站的信息傳輸，靈活控制操車系統(tǒng)。

4）研究工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各PLC 控制器、無線基站以及井上井下計(jì)算機(jī)的信息數(shù)據(jù)傳輸，為操控人員制定控制決策提供必要的信息[18-20]。

3.2 效益分析

根據(jù)邱集煤礦現(xiàn)代化礦山建設(shè)要求，對副井信號(hào)及操車系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造，改造后可減少信號(hào)把鉤工崗位人員，并且由信號(hào)把鉤工靈活采用手持無線遙控器方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)操車系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作，其實(shí)現(xiàn)的效益如下：

1）節(jié)省了人力和物力。每班可減少崗位人員2 人，每天3 班輪崗，每年減少2190 工天，以250元/（人·工·天）為例，一年就可以減少人工成本54.75 萬元。

2）降低風(fēng)險(xiǎn)，提高工作效率。上井口信號(hào)操作臺(tái)運(yùn)行狀況在上井口把鉤工處進(jìn)行顯示，包括打點(diǎn)狀態(tài)以及運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)上下井口出車側(cè)增加視頻監(jiān)視，能在上下井口處實(shí)時(shí)顯示出車側(cè)視頻信息。

4 結(jié)語

該文闡述了一種現(xiàn)場操作人員通過手持式無線遙控器實(shí)現(xiàn)對煤礦井口和各水平信號(hào)操車設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程無線操控的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，介紹了系統(tǒng)研究內(nèi)容、硬件框架、硬件技術(shù)參數(shù)和現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用效果。

方案使得信號(hào)工可以通過查看實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視畫面，直接通過手持遙控發(fā)送器即可實(shí)現(xiàn)就地對井下設(shè)備進(jìn)行直觀操作，使用靈活方便，可以解決信號(hào)工不斷往返信號(hào)操控室查看操作現(xiàn)場設(shè)備工況的問題，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了人員數(shù)量，取得良好效益。

方案提出了利用無線傳輸操控與PLC 控制相結(jié)合的理念，在此基礎(chǔ)上還可以在未來增加5G 無線傳輸技術(shù)、AI 視頻智能分析技術(shù)，以提高視頻傳輸效率、視頻智能綜合分析能力和無線遙控能力，可以更好地輔助操作人員進(jìn)行決策制定，提升了煤礦裝備安全技術(shù)水平，為礦山建設(shè)少人化、智能化的發(fā)展具有積極的推動(dòng)意義。