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连采工作面集控系统技术在大柳塔煤矿的 应用

2023-11-30 15:36:07  来源:智能矿山杂志  作者:王波,吴晓娥
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2021 年5 月,国家能源局、国家矿山安全监察局发布《关于支持鼓励开展煤矿智能化技术装备研发与应用的通知》,重点强调煤矿智能化装备发展应自主可控与产学研用相结合,不断提升煤矿智能化技术装备国产化、成套化水平。

目前,煤矿井下连采工作面供电设备多,且在巷道中分布较为分散。在日常生产、检修时,这些供电设备需要频繁停送电,工人每次停送电需要步行很远的距离,给作业带来诸多不便,耗费了作业人员大量体力。同时,连采工作面的输送带大部分不能实现数据采集和远程监控,需要配备专人值守,增加了不安全因素,提高了企业人力成本,限制了煤矿智能化发展。基于此,国能神东煤炭集团有限责任公司大柳塔煤矿(简称大柳塔煤矿) 开发了连采工作面集控系统技术(简称集控系统),并在连采七队进行了实践应用。

集控系统对连采工作面供电设备和输送带系统进行集控改造,通过统一的监控平台实现了对供电设备和输送带系统的数据采集和集中监控。

集控系统远程监控功能的应用,使得连采输送带实现了远程值守,不用再设立专门的连采输送带岗位工,有效减少了井下工作人员数量,提高了煤矿连采工作面作业安全性和生产效率。

连采工作面设备供电系统介绍

集控系统所要集中监控的主要包括生产设备供电系统和运输设备供电系统。

生产设备供电系统组成

连采工作面生产设备的供电系统一般包括1台生产移动变压器(简称移变)、1台排水移变、1台主用风机移变和1台备用风机移变,所带负荷情况如下:

(1) 生产移变所带负荷为连续采煤机、梭车、锚杆机、给料破碎机。

(2) 排水移变所带负荷为排水系统。

(3) 主风机移变所带负荷为主用风机。

(4) 备用风机移变所带负荷为备用风机。

运输设备供电系统组成

每个连采工作面的运输系统根据运输长度由一到十几部不等的输送带组成,每部输送带的供电设备包括移变、馈电开关、综合保护器(简称综保)、磁力启动器、输送带保护器等。

连采工作面供电系统分布

连采工作面的供电设备随着工作面不断推进,逐步在巷道中延伸,一般分布于每个带式输送机机头和配电硐室。通常沿着巷道每隔1 000 m或者在巷道转弯处设置配电硐室,硐室内安放所需的供电设备。在每部带式输送机头安排工作人员值守,对设备进行操作和巡检。

连采工作面集控系统技术研究

目前,连采工作面面临着供电设备种类多、布置分散、不能集中远程监控的问题;同时,每个连采工作面的多条输送带,需要设置专门的岗位来巡视和操作,耗时较多且不能实时监控输送带的运转情况。基于上述原因,笔者开发了连采工作面集控系统。

一方面,在连采工作面关键场所分别布置控制柜,实现连采供电设备的数据集中采集和远程监控。将供电设备统一接入控制柜,实现连采工作面配电硐室、风机配电硐室、每个连采输送带配电硐室、给料破碎机平台等场所的供电设备和给料破碎机、连续采煤机、输送带控制器的数据远程监测与控制。

另一方面,通过在连采输送带的机头和机尾安装摄像头,接入附近的控制柜,实现视频数据的统一采集和连采工作面输送带的无人值守。结合集控系统的远程控制输送带控制器功能,实现每部连采输送带的视频监视、数据监测和集中远程控制。

集控系统通信结构设计

集控系统的通信是整个集控平台能否高质量完成准确、高效、实时的数据采集和远程监控的关键技术,针对连采工作面集控系统通信结构,笔者做出以下设计方案:连采工作面通信系统对于固定设备采用了ModbusRTU 协议(RS485 接口) +工业以太网TCP/IP 协议(RJ45 接口) 混合网络架构的通信模式,有线网络连接方式;对于频繁移动的设备采用WiFi 通信,无线介质传输。连采工作面设备间通信架构如图1 所示。根据工作面设备的分布情况,不同的配电硐室之间组成线性串联网络。

由于连采供电设备分布较为分散、相互距离较远,且每一处的设备都要和井下集控中心通信,所以,为方便设备组网,每台设备都利用2 对光口的交换机连接。井下控制柜内部结构及相邻通信设备连接如图2 所示。

设备端通信方式的确定

随着煤矿装备总体水平的提升,目前井下供电系统的主要设备经改造后,都配有具备通信功能的智能型开关,具备通过与上位机数据通信实现远程控制设备启停的能力。通过对井下各个厂家生产的移变、馈电开关、照明综保、输送带控制器的调研发现, 大部分设备都具备支持ModbusRTU(RS485) 协议的通信功能。ModbusRTU (RS485)协议通信具有抗干扰性能强、通信距离远、组网灵活等优点,是连采工作面供电系统和运输系统设备级互联通信的优选方案。但如何保证众多设备间通信的稳定性、可靠性,是本集控系统的关键。

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一般而言,利用PLC 的RS485 串行接口与移变、馈电开关、综保、输送带保护器等设备进行通信较为常见。但经过分析,通过PLC串行通信接口实现与这些设备通信的效果并不是最好。以罗克韦尔公司的PLC 为例,1 台PLC 有2 个RS485 通信口,在供电系统中为了保证通信的稳定性,波特率一般设置为9 600 bit/s。因此,2 个RS485 通信口的PLC每秒通过串口的数据最大传输速率为9 600 bit/s×2 =19 200 bit/s。

井下每个配电硐室都有8 个以上的综保,每个设备都有几十条重要数据需要采集,数据量较大。而PLC的ModbusRTU协议(RS485 接口) 程序运行模式为轮询式,当有一个设备出现故障或干扰,程序就会出现等待,直到数据正常或等待超时才会执行下一条命令,这样数据传输和上位机下达命令就会有很明显的延时。如果PLC通信访问的综保数据寄存器为连续寄存器,可以批量读取,效果尚可;但如果综保的数据寄存器比较分散,编程将变的较为复杂,而且程序命令也更多,会严重影响系统运行效果。

鉴于上述问题,笔者引进了串口服务器模块。串口服务器是一种新型的,方便RS485 通信的产品。每个串口服务器有4 或8 个RS485 通信口,这些通信口可以同时访问现场设备,并将访问到的数据进行转换,转换为通信更快的RJ45 网口,不仅组网灵活,而且通信速率更高。例如:若通信速率设置为9 600 bit/s, 则4 口的串口服务器的通信速率为9 600 bit/s ×4 =38 400 bit/s,8 口的串口服务器的通信速率为9 600 bit/s ×8 =76 800 bit/s。串口服务器的通信模式支持多链路同时访问,程序不用轮询,不用逐条等待,通信速率将大幅提高。

通过对PLC 的RS485 串行接口和串口服务器功能的分析,集控系统最终选择使用串口服务器来实现数据传输功能。

连采工作面集控系统供电方案

要实现井下设备集中远程控制,供电系统是一个难点,必须保证在供电设备断电的情况下,控制柜依然有电,只有这样控制器才能将控制命令发送到供电设备的综保,使供电设备开关合闸,从而实现恢复供电。

保障控制柜的持续通电不易实现,因为井下每个配电点,都只有一路供电线路,井下各种设备运转、控制器及照明系统等都从这一线路上取电。一旦供电线路断电,该线路上的所有馈电开关、照明综保、磁力启动器及控制柜都将断电。而当供电线路恢复送电后,由于电源控制器断电,不能实现远程通信,导致该供电线路所带的负荷设备依然处于断电状态,无法实现远程送电。为解决该问题,大柳塔煤矿设计了2 种实施方案:

(1) 通过对移变改造,使移变只要高压侧大于10 kV,就能从移变旁路输出一路容量大于100 W的100 V交流电供给控制器(控制器总功耗小于15 W)。该供电方式可以保证控制器的供电,但不适合移变、馈电开关、照明综保等距离较远设备的供电。

(2) 根据控制器最大总功耗只有15 W的情况,在控制器中增加1 块小型蓄电池,在供电系统断电的情况下,通过蓄电池供电。根据在连采工作面设备的用电实践经验,通常情况下,只要控制柜蓄电池的电量能够坚持1 h 即可。该供电方式比较灵活,使用比较方便。如果系统长时间断电,控制柜也会因为蓄电池电量不足而断电,此时就必须人为送电。

在实际的系统使用中,为保证系统供电,2 种方案可以灵活使用。

连采工作面集控系统技术实践

集控系统在大柳塔矿连采七队工作面集控系统进行了实践验证,主要在连采工作面配电硐室、风机配电硐室、工作面给料破碎机平台和4 个输送带配电硐室分别设置控制柜,来实现相应场所供电设备和输送带的集中远程监控。此外,分别在连采工作面给料破碎机平台和地面调度室配置防爆计算机并安装集控设备,作为集中远程监控的终端。为实现统一的数据采集与监控,被监控设备端应具备RS485 接口,并支持ModbusRTU通信协议。集控系统具体实施情况如下。

移变的监测和远程控制

大柳塔矿连采七队工作面移变硐室有5 台移变、1 台排水开关和1 台照明综保。具体实施过程:在移变硐室中放置一台控制柜,控制柜配备1 个8 口的串口服务器,每个串口上可以连接1 台移变或其他设备,负责硐室内供电设备的数据采集、监测与控制。控制柜的电源取自移变高压侧直接输送的100 V交流电,以保证控制柜不断电。井下工作面移变硐室设备布置及网络、供电设备远程监控连接分别如图3、图4 所示。

风机开关的远程监测与控制

连采工作面风机配电硐室有4 台风机启动器、4台风机开关和1 台照明综保。实施过程中在移变硐室放置1 台控制柜,负责上述设备的数据采集、监测与控制。控制柜电源取自移变高压侧直接输送的100 V交流电。

设备监测与控制

连采工作面给料破碎机平台上有1 台给料破碎机、1 台破碎机开关、1 台锚杆机开关、1 台梭车开关、1 台连续采煤机开关和1 台照明综保。实施过程中在破碎机平台处放置1 台控制柜,负责上述设备的监测与控制。控制柜利用UPS蓄电池供电,要求至少满足主线路停电后0.5 h 不断电。工作面附近还设置有1 台防爆计算机,作为整个集控系统的上位机,方便工作面现场操作。

输送带配电硐室内供电设备的集中控制

大柳塔矿连采七队共有4 部输送带,每部输送带配电硐室中有1 台移变、1 台馈电开关、1 台输送带保护器、1 台变频器和1 台照明综保。每个输送带配电硐室都有1 台控制柜,控制柜通过移变高压侧供电,实现输送带的数据采集、远程监测与控制。控制柜中安装有交换机,通过该交换机的光接口可以为安装在带式输送机头或机尾的摄像头提供通信接口,实现摄像头视频数据的采集。通过采集到的视频信息和设备数据综合使用,从而保证集控系统的可靠运行。带式输送机集中监控通信连接示意、远程视频监视画面分别如图5、图6 所示。

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集中控制室的部署

在连采工作面破碎机平台处配置防爆计算机并安装相关软件,通过防爆计算机中安装的集控系统与各硐室配电柜的通信,可实现对连采工作面及配电硐室全部移变、馈电开关、局部通风机、磁力启动器、输送带控制器等设备的集中实时监控,从而实现对作业场所及配电硐室设备的集中管理。配合每部带式输送机头、机尾的视频监控画面,提高系统与生产联系的实用性。连采工作面集中控制室防爆计算机如图7 所示。

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地面调度室集中管理

在地面调度室安装连采工作面数据集控系统,通过工作面光缆接入到矿井环网交换机,保证通信响应时间不大于1 s,实现地面与井下设备的实时通信,进而实现在地面调度室对连采工作面供电设备的集中管理和输送带的上位远程控制。最终实现连采工作面各类设备在地面的数据实时采集和集中远程监控。集控系统馈电开关远程监控界面如图8所示。

结 语

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集控系统在大柳塔煤矿连采七队工作面投入使用后,实现了连采工作面供电设备与给料破碎机的集中管理和控制,大幅降低了工人远距离步行停送电的劳动强度;实现了带式输送机机头、机尾的视频远程监控,配合远程监控输送带控制器功能,可以不再设置输送带岗位工,减少了井下作业人员的数量,大幅提高了生产安全性,降低了生产成本。据统计,对于大柳塔矿连采七队的4 部带式输送机的集中监控和管理(包括数据监控、视频监控、远程启停干预等),不但取消了原来各部输送带的岗位工,减少7~8 名岗位人员,而且1 人可以同时管理4 部带式输送机,避免了对人协同管理带来的一系列安全隐患,实现了减人、增安、提效。


助理编辑:李雅楠

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