副井信号操车设备远程控制设计与应用_张卫.pdf

收稿日期2020-01-18 作者简介张卫 （1969） ， 男， 高级工程师。 总第 526 期 2020 年第 4 期 金属矿山 METAL MINE 副井信号操车设备远程控制设计与应用 张卫李建 1 （安徽开发矿业有限公司， 安徽 霍邱237400） 摘要副井信号操车设备远程控制系统是数字化矿山建设的重要组成部分， 此系统应用计算机网络技术、 可编 程控制器技术、 无线通信技术、 传感器检测技术和视频监控技术， 以总线冗余、 Profibus-DP现场总线控制和工业以太 网为基础组成的数字化网络控制系统。通过将原系统分段独立的控制方式改造成集中遥控和远程操作的方式来减少 副井提升机各中段水平的岗位操作人员数量、 提高设备的安全性和生产效率， 适用于地下矿山企业的长期生产工况作 业， 是智慧化矿山建设的必然趋势。 关键词副井提升机远程控制信号操车无线通讯 中图分类号TD65文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -04-159-06 DOI10.19614/ki.jsks.202004025 Design and Application of Remote Control for Signal Operating Equipment of Hoist Zhang WeiLi Jian2 （Anhui Development Mining Co.， Ltd.， Huoqiu 237400， China） AbstractThe remote control system of the signal operation equipment of the auxiliary shaft is an important part in con- struction of the digital mine. The system applies computer network technology，programmable controller technology，wireless communication technology， sensor detection technology and video monitoring technology， and is a digital network control sys- tem based on bus redundancy，Profibus-DP field bus control and industrial Ethernet. It is the inevitable trend of intelligent mine construction to reduce the number of post operators at each middle level of auxiliary shaft hoist，improve the safety and production efficiency of equipment，and apply to the long-term production conditions of underground mine enterprises by transing the original system into centralized remote control and remote operation mode. KeywordsAuxiliary shaft hoist， Remote control， Signal operation， Wireless communication Series No. 526 April 2020 1项目背景 2015年6月11日， 国家安全监管总局下发的通 知中提出建立较为完善的 “机械化换人、 自动化减 人” 标准体系， 推动重点行业领域机械化、 自动化程 度大幅提升” 。2017 年 8 月， 五矿矿业控股有限公司 成立了智慧矿山研究院， 以安徽开发矿业有限公司 作为智慧矿山的依托单位， 将自动化及信息化水平 较好的安徽开发矿业有限公司作为试点矿山， 积极 研究智慧矿山的关键技术、 制定智慧矿山建设的统 一标准， 打造安全、 绿色、 高效的智慧矿山。2018年5 月 1日起，智慧矿山信息系统通用技术规范 （GB/ T34679-2017） 开始实施。意味着智慧矿山建设开始 以国家标准的形式落地推广。2019年五矿矿业安徽 开发矿业有限公司加快推进示范性智慧化矿山的建 设， 同时为了缓解企业人力资源紧张局面， 改善井下 从业人员工作环境， 安徽开发矿业拟对在用 2 条副 井提升机的信号操车设备进行远程集中控制和遥控 改造升级。在确保副井提升机安全运行的前提下， 取消井下各水平信号操车操作人员， 井下信号操作 设备改为远程集中控制或者专职信号工跟罐就地遥 控控制， 完成提升机井下各信号操作水平 “无人值 守” 化运行。 2项目概况 安徽开发矿业有限公司目前在用2条副井， 分别 为1副井和联合副井， 负担着全矿井下人员和物料 的提升任务， 1副井总共有6个水平， 联合副井总共 159 ChaoXing 金属矿山2020年第4期总第526期 有4个水平， 现信号操车系统各水平配备1名专职信 号操作工， 负责本水平信号操车设备的操作和设备 点巡检工作， 未实现远控或遥控运行模式。 2条副井提升机的电气控制系统设备均采用的 是 ABB 公 司 的 传 动 系 统（DCS800）、 电 控 系 统 （PM861PM856CompactHMI6.0 （Server-Client） ） 和 制动系统 （Tube液压站PM856BCC闸控板） ； 信号 操车系统设备采用的是常熟市新虞电器有限责任公 司的产品。 3设计方案 3. 1设计目的、 原则及要求 （1） 本方案的设计目的是实现副井提升机信号 操车系统的自动化。即在原相对独立的信号操车控 制系统的基础上， 增加井口信号台远程控制系统， 实 现对井下各水平信号操车设备的集中远程控制； 增 加各水平的遥控装置， 实现跟罐信号工在罐笼里对 到达水平的信号操车设备的遥控控制。 （2） 设计原则。遵循 “安全性、 先进性、 经济性、 开放性” 的基本原则。在已有的自动化及信息化系 统的基础上进行改造提升， 以达到智慧矿山的水平； 采用当今先进的智能化装备和信息化技术， 实施完 成后整体相比较国内外先进矿山具有一定的先进 性； 改造优化过程中不破坏副井提升机的正常生产， 改造后不会对设备的安全设施造成影响； 改造后的 系统具有良好的开放性， 在需要的时候能够良好地 兼容当前新技术、 新设备及新系统， 以实现矿山自动 化的不断提升。 （3） 设计要求。信号操车系统的优化设计需要 按照 矿山安全规程 规定的要求进行设计和检验。 多水平运行的副井提升机信号系统需要满足的要求 有 ①设置主点信号； ②采用转发信号系统， 由地表 信号工汇总后统一发给提升机控制系统； ③信号系 统进行的相应操作要满足提升机闭锁的要求； ④系 统配置后备提升信号系统， 在提升信号系统故障情 况下可应急使用， 可以发出 “上提” 、“下放” 、“停车” 、 “紧停” 4个声光信号； ⑤急停信号报警功能， 与提升 机安全控制回路闭锁。 3. 2设计内容 3. 2. 1控制系统结构 副井信号系统采用可编程控制器远程I/O单元 构成， 通过分布式总线Profibus-DP连接， 具有较灵 活的调整性和扩展性。各水平的信号操车系统远程 I/O单元将本水平的闭锁、 急停、 控制、 保护、 模拟信 号、 状态、 故障等信息传输给信号系统的可编程控制 器。信号系统的PLC将井口和井下信号系统处理好 的闭锁、 控制、 保护等信号指令通过I/O传输给提升 机控制系统， 完成一次完整的副井提升机信号指令 的控制传输过程。在原有的信息化控制系统的基础 上新增信号远程控制操作系统， 各水平新增信号遥 控系统和就地控制系统来实现信号远程集中控制和 遥控控制， 新设计的信号操车控制系统结构示意图 如图1。 图1中， 新增的井口远程控制操作台的作用是负责井下各水平信号操车设备的远程控制； 负责向提 160 ChaoXing 2020年第4期张卫等 副井信号操车设备远程控制设计与应用 升机控制系统转发各水平的提升信号状态， 其通讯 方式是通过原信号操车通讯回路来实现的。井下各 水平的操作台的作用是负责本水平信号操车设备的 就地控制； 负责向井口远程控制操作台发送本水平 的提升信号状态。在各水平原有操作台的基础上新 增信号操车就地控制箱和信号遥控系统， 新增的就 地控制箱是对原操作台个别功能的扩展， 实现个别 本地信号操车系统的功能。信号遥控系统是通过无 线通讯的方式接收罐笼内的手持遥控装置的发送信 号， 再作用于原操作台控制回路来完成信号操车的 相应动作。 3. 2. 2远程控制系统 以联合副井为例， 在原系统的控制方式和控制 逻辑程序基础上， 新增了远程集中控制操作系统； 配 备远程监视和操作信号工1名， 所有的远程操作均满 足原设备的运行闭锁条件。各水平中段的信号、 限 位、 检测传感器的动作状态都在远程操作台上进行 动态显示； 当所有操作台按钮同时切换到 “远程” 时 可实现远程操作模式， 当任意按钮 “远程/就地” 不满 足上述条件时， 系统默认为现场操作台控制。远程 控制系统的主要工况过程 （1） 副井提升机正常运行情况时 （信号系统非检 修模式） ， 手持遥控设备非遥控模式， 远程操作人员 选择信号远程控制模式， 选择远程控制的信号水平， 在确保提升机停止运行的状态下， 提升机罐笼在该 水平的到位信号使能， 可启动该水平液压站操作相 应操车设备； 当操车系统的闭锁 1 （安全门关闭到 位） 、 闭锁2 （摇台开启到位） 、 闭锁3 （信号系统无硬件 闭锁） 满足提升机运行的条件时， 远控操作台可以发 出相应提升信号。 （2） 副井提升机在信号系统检修模式时， 远程操 作人员选择信号远程控制模式， 选择需要控制水平， 在确保提升机停止运行的状态下， 可启动该水平液 压站操作相应操车设备。当操车系统闭锁3 （信号系 统无硬件闭锁） 满足提升机运行的条件时， 远控操作 台可以选择提升模式、 选择去向水平并发出去向方 向等提升信号。 3. 2. 3遥控控制系统 在原系统的控制方式的基础上， 撤销原各水平 的专职信号工， 井口设置专职跟罐信号工1名， 配备 信号操作手持遥控装置； 提升人员时， 专职跟罐信号 工负责跟随罐笼运行， 完成各水平的操车设备的开 闭操作和提升信号的发送； 提物、 下料时， 停留在目 的水平， 担任该水平的专职信号工。遥控控制系统 的主要工况过程 （1） 副井提升机正常运行情况时 （信号系统非远 控模式） ， 跟罐人员手持信号操车控制器， 选择信号 遥控控制模式， 提升机罐笼到达目标水平， 在确保提 升机停止运行的状态下， 该水平的罐笼到位信号使 能， 跟罐人员可远程遥控打点停车信号、 遥控启动该 水平液压站操作相应操车设备； 当操车系统的闭锁1 （安全门关闭到位） 、 闭锁2 （摇台开启到位） 、 闭锁3 （信号系统无硬件闭锁） 满足提升机运行的条件时， 手持遥控设备可以选择提升模式、 选择去向水平并 发出去向方向等提升信号。 （2） 当手持遥控装置出现故障时， 跟罐信号工可 根据实际情况操作就近控制箱控制该水平的信号操 车设备， 或通知远程操作人员来远程操作该水平的 信号操车设备。 3. 2. 4控制系统的硬件配置 远程操作台需要实现与现场操作台完全一致的 操控功能， 所以选用西门子S7-300系列的I/O 模块 来配置一套新的远程控制系统。在所有信号操车操 作台上新增加 “远程/就地” 选择按钮。远程安全回路 主要设置信号系统紧急停车按钮和操车检修闭锁按 钮。其控制方式为按钮硬线直接串入提升机控制系 统的安全回路。远程上位机组态软件通过TCP/IP 网络通讯协议与PLC实现数据交换。远程操作台与 控制回路硬件结构示意图如图2 3. 2. 5关键逻辑程序及注解 本设计是利用西门子公司的S7-300控制器编 程软件对操车设备的远程、 遥控和就地控制的关键 逻辑控制程序进行设计和编译。在编程界面， 新建 硬件结构， 添加通讯地址， 设置模块通道变量， 设计 控制程序如下。符号注解如表1。 （1） 程序1示意如图3， 某水平操车液压站油泵控 制程序逻辑， 该程序主要实现的功能分别为就地模 式/远程模式/遥控模式时， 按下油泵启动按钮， 油泵 电机开启并保持输出状态的逻辑控制。 （2） 程序2示意如图4， 为某水平安全门开闭控制 程序逻辑， 该程序主要实现的功能分别为就地模式/ 远程模式/遥控模式下， 按下安全门开启/关闭按钮 时， 安全门开启/关闭电磁阀输出状态的逻辑控制。 （3） 程序3示意如图5， 为某水平摇台起落控制程 序逻辑， 该程序主要实现的功能分别为就地模式/远 程模式/遥控模式下， 按下摇台抬起/落下按钮时， 安 全门抬起/落下电磁阀输出状态的逻辑控制。 （4） 程序4示意如图6， 为某水平检修模式时， 安 全门和摇台的操作逻辑程序， 该程序主要实现的功 能在远程模式和检修模式同时满足条件时， 通过操 161 ChaoXing 金属矿山2020年第4期总第526期 作安全门或摇台的启停按钮来实现目标水平安全门 或摇台设备的启停功能。 其余程序内容不再赘述。 3. 2. 6其他相关设备功能 （1） 增加各水平乘罐人员要罐联络信号装置和 视频监控装置， 远程控制室和跟罐信号工能及时了 解井下各水平的要罐需求， 方便对罐笼的运行进行 调度。 （2） 增加各水平候罐区提升机运行状态显示功 162 ChaoXing 2020年第4期张卫等 副井信号操车设备远程控制设计与应用 能， 方便各水平候罐人员了解提升机的运行情况。 （3） 增加联络呼叫功能， 跟罐专职信号工能在井 筒中与远程控制室的监控人员进行呼叫对讲， 要求 通讯设备通话质量清晰、 待机时间长 （20 h以上） ， 通 讯设备需一备一用。 4风险分析及解决措施 副井提升机信号操作系统进过远程和遥控改 造之后， 无人值守岗位的安全风险都有所增加。其 增加的风险点及解决措施如下 （1） 跟罐信号工的手持遥控装置通讯中断的 风险， 导致信号工不能遥控操作目标水平的信号操 车设备。解决措施是在各水平的罐笼正常到位的合 适位置安装该水平的就地控制箱， 无线通讯故障时 跟罐人员可通过就地控制箱来发送信号。 （2） 井下无人值守时， 操车设备出现闭锁信号 的风险， 导致提升机无法正常运行， 且无人可以确认 现场的设备闭锁情况。解决措施是各水平的操车重 点部位增设监控设施和上位机的动态组态， 地表可 远程清晰查看故障水平闭锁位置的实际情况， 远控 旁路闭锁故障， 运送维修工到达故障水平的二层平 台， 然后对闭锁问题进行处理恢复。 （3） 无人值守时， 候罐人员在井下误操作的风 险。解决措施是加强乘罐须知培训， 增加候罐区域 的监控以及在各中段井口附近加装封闭的安全防护 栏， 避免乘罐人员进入原信号房对信号操车设备进 行误操作。 （4） 跟罐信号工跟地表远程监控人员通话不 便的风险。解决措施是在罐笼里增加无线通讯设 施， 让跟罐信号工可随时跟地表远程监控人员进行 对话通讯。 5应用效果 5. 1设备功能的应用效果 （1） 设计应用后， 远程操作台新增了各水平信号 操车设备的操作控制功能， 通过控制权限的选择来 远程实现了信号操车功能操作和监视管理， 比原系 统新增了一套远程功能。 （2） 设计应用后， 各水平新增加提升机运行状态 显示， 乘罐人员能提前知晓罐笼检修情况、 罐笼去向 水平、 罐笼所在位置等候罐信息， 方便了乘罐人员自 由安排乘罐时间。 （3） 设计应用后， 原各水平信号改为由跟罐信号 工通过无线遥控装置在罐笼里远程操作所在水平的 信号和操车设备， 改变了原有的固定操作方式， 增加 了操作范围。 （4） 各水平操作台冗余了一套无线操作设备， 减 少了设备故障率。 5. 2人员优化的应用效果 以1条拥有4个水平的联合副井为例， 在改造之 前各水平设置1名信号工， 1条井3班运行制计算， 合 计需要18名专职信号工。2条井合计需要36名信号 工， 副井信号操车系统经过远程控制改造以后每条 井三班运行制时只设置9名信号工 （井下4个水平1 名， 远程操作台1名） 。2条副井提升系统减配18名 信号操车的操作人员， 大大优化了副井提升机的人 力资源数量， 提高了劳动效率和设备的自动化水平。 5. 3系统安全性的应用效果 （1） 优化改造后的信号操车系统的I/O单元通讯 仅用于闭锁、 急停、 控制、 保护、 信号的信息传输， 现 场总线的通讯用于模拟信号、 状态、 故障信息的传 输， 不参于闭锁、 控制、 保护、 信号的传输。信号系统 出现通讯中断的情况时， 不会影响提升信号及副井 提升机控制系统的正常运行。 （2） 罐笼运行方式变为有专职跟罐信号工随罐 运行时， 提升机出现故障， 乘罐人员被困井筒中间 时， 跟罐信号工能及时联系地表远控信号工， 知悉提 升机的恢复情况， 并积极安抚和配合营救乘罐人员， 避免了提升机被困井筒时造成的恐慌和未知的伤 害。 6结语 随着社会和产业的不断进步， 绿色发展和本质 163 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ 安全的理念已经成为矿山企业的共识和硬性要求。 借助智慧化矿山的系统建设趋势， 降低生产管理成 本， 提高生产经营效果， 改善职工劳动强度和作业环 境， 提升设备本质安全是 “无人矿山、 透明矿山、 安全 矿山、 互联矿山” 的必然选择。本项目设计的副井提 升机信号操作远程和遥控控制系统是矿山企业自动 化、 信息化和智慧化建设的重要组成部分， 它从根本 上增强了设备的安全性能， 优化了人力资源配置， 提 高了生产效率， 达到了设计的预期效果。 参 考 文 献 马建民， 赵增玉.现代提升机数字控制系统 ［M］ . 徐州 中国矿业 大学出版社， 2002. 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