煤礦無線遠程遙控信號及操車系統研究

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，2003 年末建成投產，目前達到生產能力75 萬t/a（山東省能源局公告2023 年第7 號），是臨沂礦業集團骨干礦井之一，是國家安全生產標準化一級礦井。近年來，礦井秉承堅持“無人則安、少人則安”的理念，不斷加大智能化開采技術和裝備水平升級力度，推動少人或無人化發展。礦井提升機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控制室，24 小時輪班值守的工作模式，需要信號把鉤工不定時巡檢，通信采用有線電話或者井下無線手機相互通信的形式。在經歷了多年這種模式的操作后，面臨著人工值守操車勞動強度大，效率低，巡檢不到位而誤操作引起的安全風險和壓力大。

另一方面信號把鉤工在信號室進行打點和操車作業時，由于視覺局限性及個別員工責任心不強，導致其不了解現場情況就進行操作，存在很大的安全隱患。系統優化創新點是在原有控制程序的基礎上，引入了就近無線操控的理念，實現就近急停罐籠、就近打點、就近操車、增加就地安全閉鎖，并設計了相應的指示信號，最大程度地提高人員操作的安全性、流暢性和高效性。就近無線操控系統可以隨時切換到原有操控系統。

為了解決提升機操車控制效率低的問題，經過探索和研究改進之后，提出了通過煤礦工業以太網交換技術實現全礦信息數據傳輸，實現全礦提升機信號及操車控制系統與全礦井的監控系統信息共享，再由無線遙控器下發控制命令給隔爆型PLC 控制箱，從而執行對所有提升系統中的液壓站電機、阻車器、推車機、安全門、搖臺等操車設備的控制目的，可以提高煤礦的信息化管理水平，利用信息互享的技術，實現遠程操作，減少值班人員數量，達到減員增效的目的。

1 系統設計

系統由隔爆型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、隔爆計算機、千兆工業以太網交換機、隔爆兼本安型直流電源等設備組成，具體的設計框圖如圖1。系統工作原理是信號操作工手持遙控器，按動面板上的功能按鍵，通過無線發射模塊發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 模塊根據內置控制邏輯程序一方面輸出指令控制推車機、安全門、搖臺、阻車器等設備動作，另一方面接收信號機及各被控設備的運行狀態信息，按邏輯程序輸出至隔爆型計算機，并在顯示器顯示，以便現場操作人員隨時了解提升信號及操車設備運行狀態[1-3]。

圖1 系統整體設計框圖

2 硬件設計

2.1 KXJ1140 隔爆兼本安型PLC 控制器

現有PLC 可編程控制器內配有以太網通信模塊，來完成與無線基站的通信功能，進而實現無線遠程傳輸控制PLC 控制器動作的目的。PLC 控制器作為就地或遠距離控制相應頻率和電壓等級的礦用隔爆三相鼠籠型異步電動機的啟動或停止之用，同時對多臺電動機及有關電路進行過載、短路、斷相、主電路漏電閉鎖和欠壓、過壓保護[4-5]?？刂破鞴╇姴捎?140 V 交流電源，具有多種信號輸入接口：2 路RS-485 數字總線接口、4 路100 Mbps 網口、4路100 Mbps 光纖接口、52 路無源節點信號和8 路電流型模擬量信號輸入接口。通過內部PLC 組件編程可以實現就地和遠程控制，并且可以接收控制信號與模擬量信號后，發出相應的控制信號功能，進而實現自動化控制。

2.2 KJD127 礦用隔爆兼本安型計算機

計算機為工業級24 寸液晶監視器、無風扇工業計算機、本安鍵盤、隔爆外殼組成。計算機采用127 V 交流電供電，整機功率≤100 W。計算機具有2 路1000 Mbps 光纖接口和4 路100 Mbps 網口，可以根據現場實際需要，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行設備之間的通信橋梁，通過本安電路設計，使其具有快速有線光纖通信和遠距離無線通信的功能，實現手持遙控器遠程操控PLC 控制器，達到對操作設備無線控制的效果。具體的技術指標詳見表1。

表1 無線基站主要技術指標

2.4 礦用本安型遙控發送器

礦用本安型遙控發送器采用特殊組合形式進行控制，按照操作流程控制，從而實現提升信號和操車設備的就近無線操作。模塊采用加強型無線技術，最大傳輸距離超過200 m[6-7]。

2.4.1 信號程序之間的閉鎖

1）信號與絞車控制回路閉鎖：只有當絞車房接到上井口發來的提升信號指令，絞車方可提升。

2）信號與安全回路閉鎖：當絞車房收到上、下井口發來的“急?！毙盘枙r，絞車安全回路跳閘。

3）信號有轉發閉鎖功能：上井口只有收到下井口發來的信號時，才能向車房發出信號，并只能轉發與下井口相同的信號。

4）信號本身閉鎖功能：當發出信號后，只有清除當前信號才能再發其他信號。

5）急停信號可直接發到車房，不受任何閉鎖限制。

2.4.2 操車執行程序之間的閉鎖

1）罐籠到位，打停點后，安全門方可打開，搖臺放下，前阻打開，推車機正向推車至前限位停止；前阻關閉，搖臺抬起，安全門關閉，可發提升信號，推車機退回至后限位停止，后阻打開，復阻打開，放車[8]。

2）前阻與后阻不能同時打開。始終保持前阻開，后阻關；后阻開，前阻關。

3）操車與信號閉鎖：只有當操車設備執行部位處于正常位置時方可發出提升信號指令，否則發不出提升信號[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網平臺，將實時的設備運行狀態傳送給地面監視主機和井下防爆計算機，信號工可以根據各區域的實時畫面，綜合判斷如何操車控制。具體的攝像儀功能和參數見表2。

表2 攝像儀功能和參數

2.6 礦用千兆工業以太網交換機

千兆工業以太環網交換機是系統傳輸的核心設備，能夠架起井下設備信息互享的快速通道，實現各種感知設備和控制設備的融合聯動，加快煤礦智能化建設[10-12]。核心傳輸模塊具有4 路LC 千兆光纖接口，作為環網的主傳輸接口，同時具備4路千兆RJ45 網口、4 路百兆光纖接口和4 路百兆RJ45 網口、1 路RS-485 總線型信號接口，能夠滿足多達13 路的終端設備數字信號接入[13-14]。

2.7 礦用隔爆兼本安型直流電源

礦用直流電源是環網交換機和其他本安設備的關聯裝置，主要為其提供各種功率的本安輸出電源。在本系統設計中，直流電源需要具備24 V/0.6 A、12 V/1 A、5 V/1.5 A 這三種本安電源規格，同時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，是為系統具備電源工作狀態和電池電量監測功能而提供的傳輸接口。根據現場實際的供電系統情況，電源采用660 VAC 供電。

3 現場實施效果

3.1 現場實施效果

煤礦無線遙控操車系統在臨沂礦業集團邱集煤礦進行了實際應用，并取得了良好的應用效果：

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

2）研究隔爆兼本安型計算機，實現對聯網的各提升機實時運行狀態的信息顯示，也可以通過計算機軟件控制權限，進行各種需要的控制操作[16-17]。

3）研究無線傳輸技術，實現無線遙控器和無線基站的信息傳輸，靈活控制操車系統。

4）研究工業以太環網平臺，實現各PLC 控制器、無線基站以及井上井下計算機的信息數據傳輸，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

根據邱集煤礦現代化礦山建設要求，對副井信號及操車系統進行自動化改造，改造后可減少信號把鉤工崗位人員，并且由信號把鉤工靈活采用手持無線遙控器方式實現信號操車系統的遠程操作，其實現的效益如下：

1）節省了人力和物力。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）降低風險，提高工作效率。上井口信號操作臺運行狀況在上井口把鉤工處進行顯示，包括打點狀態以及運行狀態，同時上下井口出車側增加視頻監視，能在上下井口處實時顯示出車側視頻信息。

4 結語

該文闡述了一種現場操作人員通過手持式無線遙控器實現對煤礦井口和各水平信號操車設備進行遠程無線操控的系統設計方案，介紹了系統研究內容、硬件框架、硬件技術參數和現場實際應用效果。

方案使得信號工可以通過查看實時視頻監視畫面，直接通過手持遙控發送器即可實現就地對井下設備進行直觀操作，使用靈活方便，可以解決信號工不斷往返信號操控室查看操作現場設備工況的問題，降低工人的勞動強度，減少了人員數量，取得良好效益。

方案提出了利用無線傳輸操控與PLC 控制相結合的理念，在此基礎上還可以在未來增加5G 無線傳輸技術、AI 視頻智能分析技術，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行決策制定，提升了煤礦裝備安全技術水平，為礦山建設少人化、智能化的發展具有積極的推動意義。