一种基于一键启动的煤矿智能化充填控制系统及方法与流程

本发明属于矿山充填，具体涉及一种基于一键启动的煤矿智能化充填控制系统及方法。

背景技术：

1、“智慧矿山”、“智能矿山”是国家产业规划指出的发展方向，要求利用先进的工业大数据采集、传输、存储和分析应用技术，实现矿山全景状态监测，保证矿山和设备安全可靠运行，智能化的充填系统也是发展趋势。传统的充填自动化控制系统基本能实现设备的集中自动控制，但不能实现智能管控，各项性能指标波动较大，仍需要过多的人工干预，无法保证充填质量，且管理人员难以了解现场的情况，无法及时作出决策，同时由于控制系统采用单一控制模块，一个单元出现故障后，整个系统均无法使用，存在容错性低，难以持续稳定的保证充填质量的问题。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种基于一键启动的煤矿智能化充填控制系统及方法。

2、为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

3、所述基于一键启动的煤矿智能化充填控制系统包括plc控制网络系统、视频网络系统和井下控制网络系统；所述plc控制网络系统包括总交换机（1），与总交换机（1）连接的主控plc（2）、操作员站（3）、视频监控站（4）、服务器（5），所述总交换机（1）还与路由器（32）连接；所述视频网络系统包括智能终端设备（34），多屏处理器（23），与多屏处理器（23）连接的智能视频服务器（6）、原视频服务器（7）、视频解码器（22）和中控室智慧大屏子系统（24）；所述智能终端设备（34）、智能视频服务器（6）、原视频服务器（7）均与路由器（32）连接，所述原视频服务器（7）还与总交换机（1）连接；所述视频网络系统还包括与视频解码器（22）连接的视频交换机（35）、与视频交换机（35）连接的光纤收发机（21）和与光纤收发机（21）连接的频监控系统（20）；所述井下控制网络系统包括与总交换机（1）连接的监测总站（8）和通过矿用网络交换机（9）与监测总站（8）连接的多个监测分站（10），所述多个监测分站（10）分别与支架压力记录仪（11）、应力检测系统（12）、压力检测系统（13）、监测控制箱（17）连接；所述基于煤矿智能化充填的控制系统还包括与服务器（5）连接的上位机。

4、优选地，所述监测控制箱（17）包括检测箱（14）、阀门控制箱（15）和斜拉控制箱（16），所述阀门控制箱（15）与布料阀（18）、伸缩阀（19）连接。

5、优选地，所述应力检测系统（12）包括围岩移动传感器和钻孔应力计，所述压力检测系统（13）包括压力计和锚杆测力计。

6、优选地，所述数字孪生和智能视频服务器（6）和原视频服务器（7）通过路由器（32）与总交换机（1）连接。

7、优选地，所述视频网络系统还包括与总交换机（1）连接的硬盘录像机（33）。

8、优选地，所述主控plc（2）还包括设备层的如下子系统：水配料控制系统（25）、粉煤灰控制系统（26）、煤矸石控制系统（27）、水泥控制系统（28）、搅拌系统（29）、泵送控制系统（30）、空压机控制系统（36）。

9、优选地，所述智能终端设备（34）通过设有防火墙（31）的无线网络与路由器（32）连接。

10、基于上述控制系统的控制方法包括如下步骤：

11、（1）充填开始阶段：首先通过操作员站（3）给泵送控制系统（30）下达指令，启动泵送系统给管道内注入充填材料；管道内注水，进行冲水；管道内注入润管材料，进行初步润管；

12、（2）灰浆推水阶段：操作员站（3）分别给水配料控制系统（25）、粉煤灰控制系统（26）、煤矸石控制系统（27）子系统信号，控制设备将灰浆推动至管道中，并通过泵送控制系统（30）输送到填充区域；完成灰浆泵送后，进行后续料浆隔离；

13、（3）膏体推灰浆阶段：将膏体材料推动至管道中；泵送膏体至目标位置，正式充填；

14、（4）灰浆推膏体阶段：水配料控制系统（25）将剩余的灰浆推动至管道中；泵送控制系统（30）泵送灰浆至目标位置；完成灰浆泵送后，进行后续清水隔离；

15、（5）水推灰浆阶段：水配料控制系统（25）用水将管道内的灰浆推出，并清洗管道；

16、（6）管道压风阶段：压缩空气排除管道余水并干燥；压缩空气吹扫管道。通过压力检测系统（13）和井下视频判断管道清洗情况。

17、下面对本发明作进一步说明：

18、本发明所述基于一键启动的煤矿智能化充填控制系统负责实现整个井上充填系统的一键式自动化启动，包括骨料加工处理智能控制子系统+膏体配比搅拌自动控制子系统+膏体泵送自动控制子系统+井下管路压力监控子系统+井下充填面液位监测子系统等环节的控制和异常报警等环节的智能化控制。采用全自动集中控制和就地控制两种方式，自动化部分由视频控制网络、plc控制网络、井下控制网络及充填过程工艺检测仪表及执行机构组成， 三个网络由交换机、网线、服务器等设备组成环网，三个网络可以单独运行，也可以相互进行数据交换，统一由中控室监控站进行控制。

19、视频控制网络中视频监控系统通过光纤收发机把数据传送到视频交换机，再由视频交换机传输到视频解码器，该数据通过多屏处理器可以在中控室智慧大屏上显示，同时视频的数据也会传送到数字孪生和智能视频服务器、原视频服务器上，通过软件对数据进行分析，视频服务器和硬盘录像机通过以太网与总交换机连接；plc控制网络包括水配料控制系统、粉煤灰控制系统、煤矸石控制系统、水泥控制系统、搅拌系统、泵送控制系统、总交换机等组成；井下控制网络包括一个监测总站，多个kjj185矿用网络交换机和多个kj21-f1本安型监测分站通过光纤连接构成井下环网，其中，kjj185矿用网络交换机分别与d监测分站、e监测分站、f监测分站、g监测分站连接，d监测分站还与a监测分站连接，a监测分站还与b监测分站连接，b监测分站还与c监测分站连接，a监测分站连接支架压力记录仪，b监测分站、c监测分站均分别连接围岩移动传感器、钻孔引力计，e监控分站、f监测分站均分别连接压力机、锚杆测力计，g监测分站与kj763监测箱、kxj127阀门控制箱、kxj127料位控制箱连接，kxj127阀门控制箱与布料阀、伸缩阀连接，从而实现对井下数据的监测和设备控制。监测分站通过can总线或网线与末端设备连接。该系统内部控制网络为独立网络，通过防火墙与外界隔离，不允许外部直接访问。

20、监控站部署于集控室内，由工控服务器、工程师站（过程运维）、操作员站、工控大屏幕、视频监控大屏幕组成，监控站对控制系统进行组态监控并对过程参数进行显示、报警、记录及管理，监控站通过核心交换机与企业数据中心进行生产运维的数据交换，监控站通过与视频服务器交互获取视频流与现场监控摄像头的控制及视频监控大屏幕显示，工控大屏幕用于实时显示泵填实时工况场景。数据可以通过操作上位机界面可实现膏体充填的全过程自动控制和手动控制，同时现场设置了现场操作箱满足就地操作的要求。同时数据也会通过网络传送到视频服务器上，通过软件对数据进行分析。

21、整个综合自动化系统分成三层结构：设备控制层、plc控制层、产品管理层，各层网络层能够独立运行。

22、1）设备控制层：通过开关量信号、模拟量信号以及部分标准的总线通讯协议与plc相连接；

23、2）plc控制层，中控制室对各单机系统设备的智能一键充填控制；

24、3）产品管理层：网络远程对中控系统、井下管路沿线监控系统、连采工作面料流系统、智能视频系统及井下通讯等系统，接入管理中心服务器集中管理展示。

25、操作员点击“一键充填”后，充填自动控制系统依照充填任务单，先进行管路泵送清水湿润管路，清理管路内异物，进行初步润管。完成初步润管后，泵送灰浆，灰浆推水进行二次润管。具体充填过程如下：充填开始，管道冲水，初步润管；灰浆推水，泵送灰浆，后续料浆隔离；膏体推灰浆，泵送膏体，正式充填；灰浆推膏体，泵送灰浆，后续清水隔离；水推灰浆泵送清水，清洗管道；管道压风，压风排水，吹扫管道。具体过程为：

26、充填开始，管道冲水，初步润管：在充填开始阶段，首先将管道内注入适当的充填材料，如水、砂浆等，以填充管道空间。接下来，进行管道冲水，通过向管道中注入水来清洗管道内部的杂物、污垢和残留物，确保管道内部的清洁度和通畅性。完成冲水后，进行初步润管，向管道中注入适当的润滑剂或防腐剂，减少管道内壁的摩擦和腐蚀，延长管道使用寿命。

27、灰浆推水，泵送灰浆，后续料浆隔离：在灰浆推水阶段，使用压力将灰浆推动至管道中，确保灰浆在管道内的流动。灰浆随后被泵送至目标位置，通过泵送设备将灰浆输送到需要填充的区域。完成灰浆泵送后，进行后续料浆隔离，即将未用完的灰浆与泵送设备隔离，以便于后续的处理和清洗。

28、膏体推灰浆，泵送膏体，正式充填：在膏体推灰浆阶段，将特定的膏体材料推动至管道中，以填充管道空间并提供更好的支撑。膏体随后被泵送至目标位置，确保膏体均匀地填充到需要的区域，以达到正式充填的要求。

29、灰浆推膏体，泵送灰浆，后续清水隔离：在灰浆推膏体阶段，将剩余的灰浆推动至管道中，以填充管道空间并提供额外的支撑。灰浆随后被泵送至目标位置，确保灰浆充填到需要的区域。完成灰浆泵送后，进行后续清水隔离，即将未用完的灰浆与泵送设备隔离，以便于后续的清洗操作。

30、水推灰浆泵送清水，清洗管道：在水推灰浆阶段，使用水将管道内的灰浆推出，以清洗管道并将残留的灰浆冲刷掉。清洗过程中，通过泵送清水来冲洗管道内的杂物、污垢和残留物，确保管道内部的彻底清洁。

31、管道压风，压风排水，吹扫管道：管道压风阶段，利用压缩空气将管道内的水分排出，以确保管道干燥。接着进行压风排水，通过压缩空气将管道内的水分彻底排除，以保证管道内部的干燥状态。最后，使用压缩空气对管道进行吹扫，以清除管道内的灰尘、杂物等，确保管道的清洁度和通畅性。

32、整个控制过程中，使用智能控制系统来监测和控制充填、冲水、润管、泵送等过程。该系统可以根据预设的参数和程序，自动调节充填速度、冲水流量和润管剂的注入量，以确保每个步骤的正确执行。通过安装传感器来监测充填、冲水和润管、泵送等过程中的关键参数，如压力、流量、温度等。传感器可以实时监测管道内部的状态，并将数据反馈给控制系统，以便及时调整操作参数。根据传感器监测到的数据，控制系统可以进行反馈控制，即根据实际情况调整充填速度、冲水流量和润管剂的注入量。例如，如果监测到管道内部压力过高，控制系统可以自动减小充填速度或增加冲水流量，以确保管道的安全性。在控制系统中设置安全保护措施，例如超压保护、温度监控等。当监测到异常情况时，系统可以自动停止充填、冲水或润管操作，并发出警报，以防止事故的发生。

33、总之，可以使用智能控制系统来实现对各个阶段的操作参数和条件的监控和调节，以确保工程的顺利进行和管道的安全运行。

34、本发明所述基于煤矿智能化充填的控制系统该系统的主料流工艺设备采用逆料流起动，顺料流停车；在任何控制方式下，机旁停车按钮都有效；在运量大、运距长、速度快的胶带输送机均设综合保护装置，并纳入集控系统；料流沿线设起车预告信号、起车信号及事故信号；重要岗位设置操作权限,需满足权限才能操作；显示屏上可显示以下信号：设备运行信号，膏体浓度信号，设备保护信号，重量、水量及料位、液位等信息；配备有完整的除尘系统，可实现一键启停，可减少在破碎备料、配料充填过程中产生的粉尘泄露，避免对设备和环境造成污染；可根据生产工艺要求，实现各种工艺过程整体自动控制。根据应用场景对骨料充填的要求自动确定设备运行参数及运行时序，实现破碎备料。对输送皮带进行煤堆、皮带速度、跑偏、拉线急停等的监测和保护；可根据生产工艺要求，实现各种工艺过程整体自动控制。根据灰浆充填、矸石充填的要求，自动确定设备运行参数及运行时序，实现自动充填。对控制目标进行监测，形成系统精确的配比控制和闭环控制，保证充填系统输出质量稳定；实时监测设备运行状态参数（如电流、压力、频率、液位等），分析设备运行状态，提前根据历史数据判断是否会有故障征兆，并进行预警、报警和故障诊断，为用户提供预测性维护支持；对整个工艺建立过程预测与诊断专家知识库，可用于分析和预测充填系统运行状态，保证充填系统长期可靠运行；中控系统设计配比管理数据库系统，可实时在线管理500条以上配比单；设计生产任务单管理数据库系统，可实时在线管理100条以上任务单；根据选定的生产任务配单号可以自动一键启动和停止循环配料系统。可以随时暂停自动配料系统；实时采集破碎主机参数，实时根据后续生产煤矸石需求量，调整破碎机过渡时间；根据矸石仓储料情况实时启动和停止配料系统。与现有技术相比，本发明的有益效果为：

35、1、智能化充填控制系统通过搭载先进的过程监测传感器、控制器、执行器等装置，实现一键充填；

36、2、对“破-搅-泵-输”充填系统工艺过程和设备进行实时监测和智能分析；远程监控和远程访问；

37、3、根据生产计划，生成充填系统调度，对控制系统下发运行控制参数；系统具备实验室数据管理功能；

38、4、具备库存管理功能，能实现原材料的进、消、存管理；具备泵房管理和无人过磅控制等功能；

39、5、系统具有灵活的扩展能力，以保证在工厂扩建或改造时，满足工厂对控制系统的扩容要求。除了系统的硬件要求外，系统软件和应用软件留设功能扩展接口；

40、6、系统易于维护，操作简便，控制系统硬件采用模块式组合、分区布置、方便连接、更换和维护。

41、7、控制系统采用开放的网络体系结构，符合iso的有关通信标准，方便系统扩充。

42、总之， 本发明综合了计算机技术、通讯技术、plc，其核心是系统各个配套设备和仪表间的逻辑控制和保护，当系统某个配套设备和自动仪表的生产参数出现变化或故障时，其它配套设备或自动仪表要求能自动跟随变化，保证系统参数的稳定和设备的安全，全方面实现自动控制；本发明与过去传统的充填工艺控制相比优化了充填物料的科学配比，最佳稳定了充填料浆浓度和液位、流量控制，实现了自动生成报表和数据统计，提高了充填作业效率，降低充填成本并提高了充填质量；本发明的智能化充填控制系统在满足工艺要求的基础上能长期稳定运行，并具有抗各种干扰的能力，满足电磁兼容性和安全性的要求；本发明所提供的系统软件是当今国际计算机控制领域公认的、稳定可靠的、工业标准的实时操作系统和相应的系统软件；系统配置的通信网络、过程控制系统、系统软件和标准的商用软件具有高容错能力；所提供的设备符合工业标准，所有部件具有较强的抗电磁及无线电干扰能力。