基于邏輯傳感和無線MESH的采煤機遠程冗余控制系統

任陽陽

（陽煤一礦機電工區信息中心 ，山西 陽泉 045000）

0 引 言

綜采工作中常用到的設備集合稱之為三機配套，其分別為采煤機、液壓支架、刮板輸送機。采煤機設備的設計是由電子、機械、液壓傳動等技術綜合而成的一個重要的煤礦工作設備，此外該設備在實際生產中往往會面臨較為嚴峻的生產環境，例如煤層變化、巖石等帶來的負載變化，另外外界環境中煤塵顆粒、環境溫度及水霧含量均會給采煤設備的可靠運行帶來隱患，該設備無法工作時會直接導致整個煤礦工作的癱瘓。

文中針對電牽引采煤機遠程控制系統進行分析與研究，在分別對機載控制器其輸入、輸出端口控制模式及截割模型分析的基礎上，基于以太網技術、無線短距離網狀網、生產中采煤機遠程冗余控制Profibus系統技術結合的基礎上設計了一種新型的電牽引采煤機參數化控制層次模型。通過實際的工程應用表明所設計的控制層次可對采煤機應用中的控制效果達到了預期設計，同時又保證了煤礦生產過程中的安全、高效的生產能力，為技術理論及技術支持同時提供了一定的參考作用。

1 電牽引采煤機的本地控制原理

從圖1所描述的內容可以看出PLC控制器是整個電牽引采煤機設備實現控制的核心。通過該控制器可完成對設備截割電機、破碎電機、牽引電機及調高驅動電機等工作使用儀器完成驅動。其中牽引電機通過對牽引電機運轉速率的調節從而實現對截割滾筒的高度值進行調節。機載控制器中所涉及到的傳感類型包含有轉速大小、電流值、溫度變化值、采煤機所處位置坐標值、機身與搖臂的傾角角度、振動大小、設備運行參數、電機絕緣與瓦斯保護等其它類型的數據參數。所以這些參數值的獲取均需要經過數模轉換器完成對真實值的讀取。非遠程距離要對設備進行控制即可通過機身控制裝置按鍵、控制站或是遙控控制的方式實現，機身不同點間的控制是可通過輸入互鎖電路處理后完成。另外設備中的牽引變頻器是通過輸入、輸出方式實現控制作用，也就是說通過外加起停信號、加減速及換向信號的方式，然后在設備的輸出端得到變頻器故障問題報警信息。

2 電牽引采煤機遠程控制系統分層架構

電牽引采煤機遠程控制系統的設計所包含的功能有：狀態信息的遠程監控、電機工作狀態的控制、設備參數信息的控制、截割路徑的預設、設備傳感器測得數據信息的融合及本地和遠程測量所得結果的同步等。其中監測功能主要包含有正常參數的運行、設備保護及報警事件的處理。下圖2中的結構圖即為文中所設計出的遠程控制系統的結構圖。

圖2 采煤機遠程控制平臺

傳感器的執行層與物理層其主要功能是完成對設備運行或靜止狀態下的相應參數信息的采集與傳感功能。采煤機工作任務的完成是基于系統內部牽引電動機、截割電機、泵電機、換向電磁閥等多個器件的相互作用下得以實現。其中變頻器通過主從的方式完成對牽引電機的驅動功能。另外PLC與電氣聯鎖的保護措施得以保證采煤機電氣保護裝置功能的實現。

控制層的主要功能是對數據信息的采集值進行相應信號的響應，然后通過邏輯控制等操作完成通信與同步鎖的實現。其中通信是通過網狀網的方式完成遠程設備與振動傳感器兩者間的有效連接。

網絡層的主要功能是對系統中的無線網狀網的漫游、地面遠程監控與地下設備工作中的信息傳輸及網絡交互等。

遠程控制層中的PLC控制器其主要功能是實現對設備功能的遠程操控、傳感器設備的交互、邏輯控制單元的管理、同步互鎖及設備保護等功能。WinCC遠程監控系統在基于人機交互操作功能的基礎上，同時具有信息采集的數據融合、設備預警及報警模式的功能、數據統一處理等。另外參數數據編輯系統負責對設備中的參數設置、路徑規劃等進行優化與預先設計。截割路徑規劃子系統可以完成預設路徑的設備啟動、系統誤差值的設定及設備姿態的調整，此外該系統的輸出是在WinCC遠程監控系統對機載進行交互的基礎上實現的執行處理并將相關結果進行返回。3DVR子系統其是運行在三維空間下，對該維度下的采煤設備的狀態參數變化進行實時的上報并可通過遠程指令操控的方式實現控制。

文中所設計的系統網絡采用冗余模式的方式從而提高系統在煤礦工作中的安全及可靠性。該系統網絡中的無線網狀網交換同樣采用冗余配置的方式進行聯通，具有鄰居節點關系的節點間其通路數量至少為2條，同時系統中的采煤機網絡可以在任意時刻通過漫游連接的方式接入至網絡。另外給運動中的采煤機設備自身安裝兩套無線AP裝置并留有2-3個外界接入口。另外設備內所布設的傳感器也是以AP的方式實現與網絡的聯通。另外位于溜槽側的網狀網節點也加入網狀網與有線網的接口，另外S7-400H PLC控制器、Win CC服務器兩者與網絡的交互是通過雙路網接口實現的。從而形成整個系統的網絡化設計。

系統遠程監控部分是通過Siemens S7-400H PLC實現的，其雙控制其分別為熱工作狀態從而保證在某一設備出現問題時另外一臺設備可以及時的進行替換，然后在問題設備故障處理完成后會以新的主從結構方式加入到網絡。

3 電牽引采煤機機載控制系統

電牽引采煤機機載控制系統的設計，是以原有設備的基礎上通過新加入傳感器、網狀網及總線配置的方式完成對軟件設計的實現，從而完成該設備對系統數據信息的采集、遠程及本地的操作控制、截割路徑預設、系統內部網絡互聯互通等功能。圖3所示的為系統的邏輯架構設計圖。

系統控制部分的構成組建包含有：系統數據采集的傳感器、網絡交互的通信設備、系統功能執行元件、系統邏輯處理單元及其人機交互界面等。其中傳感器數據采集的內容包含有系統內退內部各個開關的狀態信息、設備內部各個器件在工作態與非工作態下的溫度值、電機電流大小、搖臂傾角角度值、設備位置坐標、油缸移位偏值、設備機身及俯仰角的大小等數值。其中系統中牽引電機與變頻器的相關值的輸入是通過Profibus總線完成的。并通過變頻器、破碎電機、高壓開關箱、泵電機、左右牽引電機、電磁換向閥、左右截割電機、齒輪泵驅動電機、及其它不同類型的設備完成執行功能。另外系統人機交互實現控制是通過操作面板、操作站及遙控的方式即可實現。最后系統內部機載PLC控制系統功能的實現及其組成分別包含有液壓調高邏輯控制單元、記憶截割控制單元、變頻牽引邏輯控制單元、同步互鎖控制、截割破碎邏輯控制單元、網絡通訊模塊、行走姿態控制邏輯控制單元等多模塊。

圖3 機載PLC控制系統控制單元劃分

4 電牽引采煤機控制系統的通訊網絡

圖4 綜采工作面的無線MESH網絡拓撲圖

系統中設備的工作控制部分與遠程交互界面的功能實現是通過網絡連接的方式進行實現的，因此系統中網絡的可靠性直接關乎著系統功能實現的可行性。在以往的設計中網絡部分的設計主要是通過有線的方式完成通信，然而由于設備工作位置的往復性很容易導致傳輸介質因為來回扭曲導致損毀現象的產生從而影響了系統的正常運行。基于此文中通過帶寬為25Mbps的本安型無線網狀網網絡替換傳統設備中的有線網絡，使得系統中的傳感器部分、控制操作部分及遠程操作界面均可以在無線網絡通信的方式下進行連接，從而避免了有線網絡在應用中的不足。文中所設計的系統無線網狀網的節點包含有主副兩個節點，從而保證黨某一節點突然出現故障問題時另外一個節點能夠快速的建立起網絡路由，從而使得系統能夠可靠安全的運行。圖4所顯示的為系統中無線網狀網的結構設計圖。

5 電牽引采煤機遠程控制系統工廠試驗

圖5顯示的為系統的遠程監控中心內的設備，其包含有計算機及屏幕顯示系統兩部分。文中針對煤礦生產環境中設計出的遠程監控系統在與西安煤礦機械有限公司交流的基礎上，對現有的MG 900/2210WD電控部分進行了修正并隨后進行了遠程監測測試。圖5、圖6均顯示的為行電牽引采煤機遠程控制的工廠試驗效果圖。

圖5 電牽引采煤機遠程控制系統的前臺監控中心

在對遠程控制監測系統的測試過程中分別對系統中的MG 900/2210WD電牽引的點擊、液壓調高驅動電機、采煤機行走姿態、破碎電機及變頻牽引電機部分進行了各個模塊的測試，測試結果表明所設計的采煤機系統可完整實現對數據信息的遠程采集、搖臂傾角大小值的獲取、數據信息歸檔及系統報警、預警等功能均功能完善。

圖6 采煤機遠程控制軟件工作畫面

6 結束語

文中在基于現有MG900/2210WD型電牽引采煤機的基礎上對其進行新的設計后，基于冗余網絡技術提出了一個可用于遠程煤礦系統的監測控制系統，同時將該系統在西安煤礦機械有限公司進行了各個功能的測試。測試結果表明基于冗余特性的無線網狀網網絡下的系統完全可以實現采煤遠程監控功能；從而為以后采煤設備的遠程參數控制及故障診斷等功能提供了可借鑒平臺。