閉鎖擴(kuò)音電話(huà)在煤礦皮帶控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

張仰望

(中煤能源大屯煤電公司姚橋煤礦，江蘇 徐州 221611)

1 概述

皮帶輸送機(jī)是煤礦生產(chǎn)中非常重要的運(yùn)輸設(shè)備，它能否安全高效的運(yùn)行，直接決定著礦井機(jī)電設(shè)備的開(kāi)機(jī)率和產(chǎn)量。目前，皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)主要采用PLC的控制模式，它能夠?yàn)樽詣?dòng)化控制應(yīng)用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當(dāng)前煤礦企業(yè)對(duì)自動(dòng)化的需要，可以與擴(kuò)音電話(huà)、工業(yè)電視等系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)完整的操作、調(diào)度、監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)皮帶控制系統(tǒng)的遙測(cè)、遙信、遙控。

中煤集團(tuán)大屯公司姚橋煤礦位于蘇魯交界的微山湖西岸，礦井地質(zhì)儲(chǔ)量5.4億t，原設(shè)計(jì)能力為年產(chǎn)120萬(wàn)t，經(jīng)過(guò)幾次改擴(kuò)建，礦井生產(chǎn)能力達(dá)到年產(chǎn)300萬(wàn)t以上，2010年以來(lái)年生產(chǎn)原煤達(dá)到445萬(wàn)t，是江蘇省境內(nèi)規(guī)模最大的特大型礦井。目前姚橋礦主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)共21部皮帶機(jī)，全部實(shí)現(xiàn)了集中控制，由地面監(jiān)控室統(tǒng)一操作。

針對(duì)姚橋礦東六一號(hào)皮帶大巷，要求采用PLC集中控制，在PLC中能夠顯示擴(kuò)音電話(huà)狀態(tài)、閉鎖位置，并且控制系統(tǒng)能和地面集控中心互聯(lián)互通。因此提出了一種基于RS485通信方式，Modbus-RTU通信協(xié)議擴(kuò)音電話(huà)組成的新型控制系統(tǒng)。該擴(kuò)音電話(huà)具備閉鎖功能，同時(shí)集成了語(yǔ)音、數(shù)字通信、狀態(tài)采集的功能，在皮帶沿線(xiàn)發(fā)生危險(xiǎn)或存在安全隱患時(shí)，通過(guò)按下擴(kuò)音電話(huà)的閉鎖按鈕，可以給皮帶控制系統(tǒng)一個(gè)控制信號(hào)，從而可以對(duì)設(shè)備做出相應(yīng)的反應(yīng)，提高煤礦安全生產(chǎn)的水平。當(dāng)閉鎖發(fā)生時(shí)，話(huà)機(jī)的位置也同步傳輸?shù)狡Э刂葡到y(tǒng)的PLC中，從而可以判斷話(huà)機(jī)的具體位置，可以快速定位便于排查，提高煤礦功效及經(jīng)濟(jì)效益。

2 技術(shù)方案

姚橋煤礦東六一號(hào)皮帶大巷全長(zhǎng)1650 m，整個(gè)皮帶控制系統(tǒng)中的閉鎖擴(kuò)音電話(huà)一般安裝于皮帶架外側(cè)，按100 m均勻布置，共安裝了17臺(tái)擴(kuò)音電話(huà)?？刂撇糠譃槲鏖T(mén)子S7-300系列PLC，在皮帶機(jī)頭設(shè)立主站，控制器采用315-DP模塊，自帶以太網(wǎng)接口，配置有數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊，所有IO模塊都經(jīng)過(guò)信號(hào)隔離以后進(jìn)入模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊通道的保護(hù)。為了便于現(xiàn)場(chǎng)的使用，沿線(xiàn)擴(kuò)音電話(huà)一般由機(jī)頭電源集中供電，擴(kuò)音電話(huà)采用內(nèi)置電池，當(dāng)有外電時(shí)給話(huà)機(jī)電池充電，擴(kuò)音電話(huà)的語(yǔ)音部分全部由電池供電。擴(kuò)音電話(huà)具備語(yǔ)音通信接口，可以直接接入PLC上的語(yǔ)音預(yù)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的啟車(chē)、停車(chē)及故障預(yù)警，提醒沿線(xiàn)人員注意；具備閉鎖按鈕，當(dāng)拍下閉鎖按鈕時(shí)，能將該閉鎖動(dòng)作信號(hào)傳輸?shù)絇LC中進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作；具備定位功能，從PLC的組態(tài)界面能直觀(guān)地看出是第幾臺(tái)擴(kuò)音電話(huà)發(fā)生的閉鎖動(dòng)作。綜上所述，如何實(shí)現(xiàn)擴(kuò)音電話(huà)的集中供電、閉鎖定位及可靠的控制是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)及難點(diǎn)。閉鎖擴(kuò)音電話(huà)在皮帶控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用如圖1。

圖1 閉鎖擴(kuò)音電話(huà)在皮帶控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工作原理

基于上述方案，閉鎖擴(kuò)音電話(huà)的實(shí)現(xiàn)主要基于以下關(guān)鍵部分：

（1）擴(kuò)音電話(huà)的恒流源充電設(shè)計(jì)

由于擴(kuò)音電話(huà)內(nèi)置電池，擴(kuò)音電話(huà)在工作時(shí)使用的是電池電量，并且現(xiàn)場(chǎng)使用一般都需要集中供電，減少線(xiàn)纜的敷設(shè)，同時(shí)可以克服從皮帶沿線(xiàn)取電的不便利性。為了降低負(fù)載變動(dòng)時(shí)對(duì)電源供電的影響，該擴(kuò)音電話(huà)的充電采用恒流源的充電模式[1]。

恒流源是輸出電流保持恒定的電流源，而理想的恒流源應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：

a.不因負(fù)載(輸出電壓)變化而改變；

b.不因環(huán)境溫度變化而改變；

c.內(nèi)阻為無(wú)限大（以使其電流可以全部流出到外面）。

基于以上特性，該擴(kuò)音電話(huà)采用了LM334Z組成的恒流源電路進(jìn)行電池的充電，如圖2。

如 圖2所 示，由U1、U2、U3、U5共4只LM334Z組成了電池充電的恒流源電路。以U1為例，通過(guò)電阻R16接到U1的2腳和3腳之間，查閱LM334Z的相關(guān)資料[2]可以得出，U1的3腳輸出電流IU3=0.067/R16=10 mA。撥碼開(kāi)關(guān)SW1可以設(shè)置電池端的充電電流，從圖中通過(guò)計(jì)算可以得知，該電路的最小充電電流為15 mA，最大充電電流為40 mA。穩(wěn)壓二極管1N4741A將電壓鉗至11 V，因此滿(mǎn)足了擴(kuò)音電話(huà)內(nèi)部電池組9.6 V（8節(jié)串聯(lián)）的充電。

圖2 擴(kuò)音電話(huà)電池充電電路

由恒流源的特性得知，隨著話(huà)機(jī)的增多，原理上只是增加了供電端的電流，整個(gè)沿線(xiàn)的負(fù)載主要集中在線(xiàn)纜上的壓降損耗。該系統(tǒng)中，推薦使用2.5平方的銅材質(zhì)的線(xiàn)纜傳輸電源。通過(guò)查閱相關(guān)資料，如果采用導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為19/0.41的電纜，20 ℃銅導(dǎo)體電阻為7.41 Ω/km。以每臺(tái)話(huà)機(jī)最大充電電流40 mA，1 km內(nèi)間距100 m安裝一臺(tái)擴(kuò)音電話(huà)共10臺(tái)，因此擴(kuò)音電話(huà)的供電端口最大電流為400 mA，線(xiàn)纜等效后理論上沿線(xiàn)的壓降根據(jù)歐姆定律U=IR可以計(jì)算出U=0.4×7.41=2.964 V≈3 V?？紤]到接觸電阻或其他因素的影響，采用單臺(tái)本安18 V電源可以帶載不低于15臺(tái)擴(kuò)音電話(huà)（間距100 m/臺(tái)），基本上能夠滿(mǎn)足一般皮帶擴(kuò)音電話(huà)的集中供電要求。在姚橋煤礦東六一號(hào)皮帶大巷使用中，在皮帶機(jī)頭采用一臺(tái)DC18V本安電源供電，通過(guò)讀取最后一臺(tái)擴(kuò)音電話(huà)電壓高于DC13V，滿(mǎn)足了對(duì)沿線(xiàn)所有擴(kuò)音電話(huà)的集中供電需要。

（2）擴(kuò)音電話(huà)通信定位

閉鎖擴(kuò)音電話(huà)另外一個(gè)重要功能是閉鎖定位功能。在機(jī)殼閉鎖結(jié)構(gòu)上放置兩個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，當(dāng)閉鎖結(jié)構(gòu)動(dòng)作時(shí)微動(dòng)開(kāi)關(guān)同步動(dòng)作。在設(shè)計(jì)上，一個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)的常開(kāi)觸點(diǎn)與話(huà)機(jī)線(xiàn)纜中的兩根線(xiàn)并接在一起，該組線(xiàn)纜接入到PLC的DI點(diǎn)中作為干節(jié)點(diǎn)使用。當(dāng)此微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，PLC的DI檢測(cè)到相應(yīng)的輸入，從而可以通過(guò)程序進(jìn)行相應(yīng)的控制。由于此微動(dòng)開(kāi)關(guān)在擴(kuò)音電話(huà)中無(wú)通信邏輯，因此PLC能及時(shí)做出反應(yīng)，提高系統(tǒng)的安全性能。

閉鎖結(jié)構(gòu)上的另外一個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)用于給擴(kuò)音電話(huà)內(nèi)部提供一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)。擴(kuò)音電話(huà)內(nèi)部具有通信板，采用Modbus-RTU通信協(xié)議，RS485的傳輸方式。當(dāng)擴(kuò)音電話(huà)檢測(cè)到閉鎖微動(dòng)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作信號(hào)后，作為一個(gè)輸入點(diǎn)，通信板將采集到的信號(hào)存入寄存器中，成為一個(gè)變化量。當(dāng)PLC檢測(cè)到閉鎖動(dòng)作后，開(kāi)始向沿線(xiàn)的通信從站設(shè)備（擴(kuò)音電話(huà)）發(fā)出查詢(xún)命令，當(dāng)讀取到相應(yīng)寄存器的變化值，同時(shí)讀取從站的地址。在實(shí)際使用中，每一個(gè)從站地址代表一臺(tái)擴(kuò)音電話(huà)的地址，施工時(shí)按照順序設(shè)置即可對(duì)每一臺(tái)擴(kuò)音電話(huà)進(jìn)行標(biāo)定，在讀取相應(yīng)寄存器變化值時(shí)同時(shí)將從地址讀取，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)話(huà)機(jī)閉鎖的快速定位。

此外通信模塊提供4路開(kāi)關(guān)量輸入及1路模擬量輸入接口，必要時(shí)可以采集沿線(xiàn)的一些開(kāi)關(guān)量信號(hào)及模擬量信號(hào)，同時(shí)該通信模塊實(shí)時(shí)采集了擴(kuò)音電話(huà)內(nèi)部的電池電壓、外接供電電壓，所有的數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)都通過(guò)RS485總線(xiàn)的方式接入到機(jī)頭PLC的通信接口中。

4 主要技術(shù)指標(biāo)

基于上述設(shè)計(jì)，所述的閉鎖擴(kuò)音電話(huà)滿(mǎn)足以下技術(shù)指標(biāo)：

（1）供電指標(biāo)

① 額定工作電壓：DC18V；② 最大工作電流：≤100 mA。

（2）音頻指標(biāo)

① 頻率帶寬：350～3000 Hz ；② 擴(kuò)音響度：≥85 dB（A）（音頻線(xiàn)輸入1 kHz，500 mV信號(hào)時(shí)）；③ 語(yǔ)音失真度：≤15%（擴(kuò)音響度為85 dB時(shí)）；④ 頻率響應(yīng)：≤±6 dB（350～3000 Hz）。

（3）RS485通信信號(hào)指標(biāo)

① 傳輸方式：半雙工RS485，雙極性；② 傳輸速率：9.6 kbps；③ 信號(hào)工作電壓峰峰值：1～12 V。

5 煤礦應(yīng)用

目前，該擴(kuò)音電話(huà)系統(tǒng)在姚橋礦的東六一號(hào)皮帶大巷中安裝使用，主要實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1）擴(kuò)音電話(huà)語(yǔ)音傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)音頻模式，通過(guò)IP語(yǔ)音廣播實(shí)現(xiàn)地面和井下的實(shí)時(shí)語(yǔ)音聯(lián)系，可以實(shí)現(xiàn)地面對(duì)井下語(yǔ)音及打點(diǎn)、井下各電話(huà)對(duì)講及打點(diǎn)等多種語(yǔ)音功能，如果出現(xiàn)事故異常，地面主控室通過(guò)語(yǔ)音系統(tǒng)給出語(yǔ)音報(bào)警提示信號(hào)。

（2）啟動(dòng)語(yǔ)音預(yù)警功能。每次啟動(dòng)前除了報(bào)警信號(hào)之外，同時(shí)播報(bào)“皮帶機(jī)準(zhǔn)備啟動(dòng)，注意安全”，更好地提醒巷道內(nèi)人員。各種傳感器故障時(shí)播報(bào)具體信息，井下巡檢人員更好地掌握故障內(nèi)容。

（3）采用PLC的集中控制模式，在皮帶系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，按下任何一臺(tái)話(huà)機(jī)的閉鎖按鈕，都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的停車(chē)，從而保障煤礦的安全生產(chǎn)。閉鎖話(huà)機(jī)的位置能夠通過(guò)通信傳輸?shù)絇LC中，可以快速定位，便于故障檢修及恢復(fù)。

（4）擴(kuò)音電話(huà)具有4路開(kāi)關(guān)量輸入，將沿線(xiàn)的拉繩開(kāi)關(guān)及機(jī)尾的跑偏開(kāi)關(guān)信號(hào)接入到了擴(kuò)音電話(huà)中。當(dāng)傳感器動(dòng)作時(shí)，PLC通過(guò)程序處理能進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，減少了線(xiàn)纜的敷設(shè)。在實(shí)際使用中動(dòng)作反應(yīng)時(shí)間低于2 s。

（5）通過(guò)機(jī)頭PLC的組態(tài)集控，實(shí)現(xiàn)沿線(xiàn)擴(kuò)音電話(huà)狀態(tài)（如電池電量、語(yǔ)音工作狀態(tài)）、皮帶沿線(xiàn)電源狀態(tài)、沿線(xiàn)閉鎖狀態(tài)等在線(xiàn)監(jiān)測(cè)顯示功能。

（6）在皮帶控制系統(tǒng)檢修期間，崗位工在維修期間，拍下話(huà)機(jī)的閉鎖按鈕再進(jìn)行相關(guān)操作。當(dāng)閉鎖拍下時(shí)，皮帶不能啟車(chē)，從而可以提高安全性，當(dāng)檢修完成時(shí)恢復(fù)閉鎖即可恢復(fù)系統(tǒng)正常。同時(shí)，檢修期間的語(yǔ)音通信可以及時(shí)地和其他崗位工相互交流故障問(wèn)題，提高工作效率。

6 結(jié)語(yǔ)

基于在姚橋煤礦東六一號(hào)皮帶實(shí)際使用效果，該閉鎖擴(kuò)音電話(huà)具有安裝簡(jiǎn)單、信號(hào)傳輸抗干擾性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，可以將沿線(xiàn)擴(kuò)音電話(huà)的狀態(tài)集成到皮帶機(jī)頭更直觀(guān)地顯示，標(biāo)準(zhǔn)的音頻制式便于地面集控，提高了煤炭開(kāi)采的自動(dòng)化水平，給煤礦的安全、高效生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支撐，具有一定的推廣價(jià)值。