煤矿无线远程遥控信号及操车系统研究

陈显宝

（山东省邱集煤矿有限公司，山东 德州 251105）

邱集煤矿1991 年底开工建设，2003 年末建成投产，目前达到生产能力75 万t/a（山东省能源局公告2023 年第7 号），是临沂矿业集团骨干矿井之一，是国家安全生产标准化一级矿井。近年来，矿井秉承坚持“无人则安、少人则安”的理念，不断加大智能化开采技术和装备水平升级力度，推动少人或无人化发展。矿井提升机控制采用人工值守操作模式，主副井口、井下各水平分别配有提升机控制室，24 小时轮班值守的工作模式，需要信号把钩工不定时巡检，通信采用有线电话或者井下无线手机相互通信的形式。在经历了多年这种模式的操作后，面临着人工值守操车劳动强度大，效率低，巡检不到位而误操作引起的安全风险和压力大。

另一方面信号把钩工在信号室进行打点和操车作业时，由于视觉局限性及个别员工责任心不强，导致其不了解现场情况就进行操作，存在很大的安全隐患。系统优化创新点是在原有控制程序的基础上，引入了就近无线操控的理念，实现就近急停罐笼、就近打点、就近操车、增加就地安全闭锁，并设计了相应的指示信号，最大程度地提高人员操作的安全性、流畅性和高效性。就近无线操控系统可以随时切换到原有操控系统。

为了解决提升机操车控制效率低的问题，经过探索和研究改进之后，提出了通过煤矿工业以太网交换技术实现全矿信息数据传输，实现全矿提升机信号及操车控制系统与全矿井的监控系统信息共享，再由无线遥控器下发控制命令给隔爆型PLC 控制箱，从而执行对所有提升系统中的液压站电机、阻车器、推车机、安全门、摇台等操车设备的控制目的，可以提高煤矿的信息化管理水平，利用信息互享的技术，实现远程操作，减少值班人员数量，达到减员增效的目的。

1 系统设计

系统由隔爆型PLC 可编程控制箱、隔爆兼本安型无线基站、矿用本安型手持遥控器、隔爆计算机、千兆工业以太网交换机、隔爆兼本安型直流电源等设备组成，具体的设计框图如图1。系统工作原理是信号操作工手持遥控器，按动面板上的功能按键，通过无线发射模块发射指令给无线接收模块，无线接收模块将接收到的指令通过光缆传输给隔爆型可编程控制箱中的PLC 模块，PLC 模块根据内置控制逻辑程序一方面输出指令控制推车机、安全门、摇台、阻车器等设备动作，另一方面接收信号机及各被控设备的运行状态信息，按逻辑程序输出至隔爆型计算机，并在显示器显示，以便现场操作人员随时了解提升信号及操车设备运行状态[1-3]。

图1 系统整体设计框图

2 硬件设计

2.1 KXJ1140 隔爆兼本安型PLC 控制器

现有PLC 可编程控制器内配有以太网通信模块，来完成与无线基站的通信功能，进而实现无线远程传输控制PLC 控制器动作的目的。PLC 控制器作为就地或远距离控制相应频率和电压等级的矿用隔爆三相鼠笼型异步电动机的启动或停止之用，同时对多台电动机及有关电路进行过载、短路、断相、主电路漏电闭锁和欠压、过压保护[4-5]。控制器供电采用1140 V 交流电源，具有多种信号输入接口：2 路RS-485 数字总线接口、4 路100 Mbps 网口、4路100 Mbps 光纤接口、52 路无源节点信号和8 路电流型模拟量信号输入接口。通过内部PLC 组件编程可以实现就地和远程控制，并且可以接收控制信号与模拟量信号后，发出相应的控制信号功能，进而实现自动化控制。

2.2 KJD127 矿用隔爆兼本安型计算机

计算机为工业级24 寸液晶监视器、无风扇工业计算机、本安键盘、隔爆外壳组成。计算机采用127 V 交流电供电，整机功率≤100 W。计算机具有2 路1000 Mbps 光纤接口和4 路100 Mbps 网口，可以根据现场实际需要，灵活连接这两种传输接口。

2.3 矿用本安型无线基站

无线基站作为连接手持式遥控器和执行设备之间的通信桥梁，通过本安电路设计，使其具有快速有线光纤通信和远距离无线通信的功能，实现手持遥控器远程操控PLC 控制器，达到对操作设备无线控制的效果。具体的技术指标详见表1。

表1 无线基站主要技术指标

2.4 矿用本安型遥控发送器

矿用本安型遥控发送器采用特殊组合形式进行控制，按照操作流程控制，从而实现提升信号和操车设备的就近无线操作。模块采用加强型无线技术，最大传输距离超过200 m[6-7]。

2.4.1 信号程序之间的闭锁

1）信号与绞车控制回路闭锁：只有当绞车房接到上井口发来的提升信号指令，绞车方可提升。

2）信号与安全回路闭锁：当绞车房收到上、下井口发来的“急停”信号时，绞车安全回路跳闸。

3）信号有转发闭锁功能：上井口只有收到下井口发来的信号时，才能向车房发出信号，并只能转发与下井口相同的信号。

4）信号本身闭锁功能：当发出信号后，只有清除当前信号才能再发其他信号。

5）急停信号可直接发到车房，不受任何闭锁限制。

2.4.2 操车执行程序之间的闭锁

1）罐笼到位，打停点后，安全门方可打开，摇台放下，前阻打开，推车机正向推车至前限位停止；前阻关闭，摇台抬起，安全门关闭，可发提升信号，推车机退回至后限位停止，后阻打开，复阻打开，放车[8]。

2）前阻与后阻不能同时打开。始终保持前阻开，后阻关；后阻开，前阻关。

3）操车与信号闭锁：只有当操车设备执行部位处于正常位置时方可发出提升信号指令，否则发不出提升信号[9]。

2.5 矿用隔爆摄像仪

在井口和井底附近均安装有符合矿用安全要求的摄像仪，摄像仪是通过千兆环网平台，将实时的设备运行状态传送给地面监视主机和井下防爆计算机，信号工可以根据各区域的实时画面，综合判断如何操车控制。具体的摄像仪功能和参数见表2。

表2 摄像仪功能和参数

2.6 矿用千兆工业以太网交换机

千兆工业以太环网交换机是系统传输的核心设备，能够架起井下设备信息互享的快速通道，实现各种感知设备和控制设备的融合联动，加快煤矿智能化建设[10-12]。核心传输模块具有4 路LC 千兆光纤接口，作为环网的主传输接口，同时具备4路千兆RJ45 网口、4 路百兆光纤接口和4 路百兆RJ45 网口、1 路RS-485 总线型信号接口，能够满足多达13 路的终端设备数字信号接入[13-14]。

2.7 矿用隔爆兼本安型直流电源

矿用直流电源是环网交换机和其他本安设备的关联装置，主要为其提供各种功率的本安输出电源。在本系统设计中，直流电源需要具备24 V/0.6 A、12 V/1 A、5 V/1.5 A 这三种本安电源规格，同时还需要具备交流断电后，有超过4 h 供电能力的备用电池，另外电源还需要具备RJ45 输出接口，是为系统具备电源工作状态和电池电量监测功能而提供的传输接口。根据现场实际的供电系统情况，电源采用660 VAC 供电。

3 现场实施效果

3.1 现场实施效果

煤矿无线遥控操车系统在临沂矿业集团邱集煤矿进行了实际应用，并取得了良好的应用效果：

1）通过研究，为该矿提供了全新的井下无线远程遥控信号及操车系统解决方案，用于煤矿井下提升信号及操车电控的重要场所。该系统通过无线远程控制的方式减少井口提升中各水平的岗位操作人员数量，优化人员组织，减少人员占用[15]。

2）研究隔爆兼本安型计算机，实现对联网的各提升机实时运行状态的信息显示，也可以通过计算机软件控制权限，进行各种需要的控制操作[16-17]。

3）研究无线传输技术，实现无线遥控器和无线基站的信息传输，灵活控制操车系统。

4）研究工业以太环网平台，实现各PLC 控制器、无线基站以及井上井下计算机的信息数据传输，为操控人员制定控制决策提供必要的信息[18-20]。

3.2 效益分析

根据邱集煤矿现代化矿山建设要求，对副井信号及操车系统进行自动化改造，改造后可减少信号把钩工岗位人员，并且由信号把钩工灵活采用手持无线遥控器方式实现信号操车系统的远程操作，其实现的效益如下：

1）节省了人力和物力。每班可减少岗位人员2 人，每天3 班轮岗，每年减少2190 工天，以250元/（人·工·天）为例，一年就可以减少人工成本54.75 万元。

2）降低风险，提高工作效率。上井口信号操作台运行状况在上井口把钩工处进行显示，包括打点状态以及运行状态，同时上下井口出车侧增加视频监视，能在上下井口处实时显示出车侧视频信息。

4 结语

该文阐述了一种现场操作人员通过手持式无线遥控器实现对煤矿井口和各水平信号操车设备进行远程无线操控的系统设计方案，介绍了系统研究内容、硬件框架、硬件技术参数和现场实际应用效果。

方案使得信号工可以通过查看实时视频监视画面，直接通过手持遥控发送器即可实现就地对井下设备进行直观操作，使用灵活方便，可以解决信号工不断往返信号操控室查看操作现场设备工况的问题，降低工人的劳动强度，减少了人员数量，取得良好效益。

方案提出了利用无线传输操控与PLC 控制相结合的理念，在此基础上还可以在未来增加5G 无线传输技术、AI 视频智能分析技术，以提高视频传输效率、视频智能综合分析能力和无线遥控能力，可以更好地辅助操作人员进行决策制定，提升了煤矿装备安全技术水平，为矿山建设少人化、智能化的发展具有积极的推动意义。