煤礦機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)研究

楊耀杰

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)機(jī)電處， 山西 介休 032000）

引言

煤礦井下采掘作業(yè)面存在大量的機(jī)電設(shè)備，空間較為擁擠，同時(shí)作業(yè)面溫度、粉塵及瓦斯?jié)舛鹊染^高，在生產(chǎn)過程中極易出現(xiàn)安全事故[1-2]。為了提高井下生產(chǎn)安全保障能力，部分煤礦通過減少采掘作業(yè)面現(xiàn)場(chǎng)人員數(shù)量、使用智能化監(jiān)控設(shè)備、改進(jìn)采掘設(shè)備性能等措施，在一定程度上改善了采掘作業(yè)面安全保障能力[3]。現(xiàn)階段煤礦井下采掘作業(yè)面大部分完成了自動(dòng)化、數(shù)字化改造，部分礦井已進(jìn)入智能化開采階段，僅在回采巷道內(nèi)布置一臺(tái)監(jiān)控設(shè)備即可完成采煤工作面綜采設(shè)備運(yùn)行控制[4-5]。實(shí)現(xiàn)井下機(jī)電設(shè)備監(jiān)控是確保煤炭安全開采的重要方面，為此，本文基于冗余原則提出一種煤礦機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)，以期提高機(jī)電設(shè)備間通信能力及安全可靠性。

1 智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成包括控制層、設(shè)備層及管理層三個(gè)層級(jí)，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在該智能監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)控制層、企業(yè)管理層等連接均使用現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。工業(yè)以太網(wǎng)具有數(shù)據(jù)傳輸效率高、傳輸速度快的優(yōu)點(diǎn)，而且可滿足煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控需要，是現(xiàn)階段煤礦井下最為常用的一種數(shù)據(jù)傳輸方式。現(xiàn)場(chǎng)控制層采用工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)風(fēng)機(jī)PLC、排水泵PLC 等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，各PLC 間使用DP 通信方式。由于煤礦井下環(huán)境惡劣，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)有較高要求，為此本文基于冗余原則即配備雙PLC 控制系統(tǒng)來提高系統(tǒng)可靠性。由于通信網(wǎng)絡(luò)使用較為頻繁，為此使用可靠性較強(qiáng)的總線型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主PLC 可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下液壓支架、破碎機(jī)、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等機(jī)電設(shè)備的監(jiān)控，井下遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控使用工業(yè)以太網(wǎng)通信。主PLC 可獲取各類安全傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而掌握各機(jī)電設(shè)備運(yùn)行情況；監(jiān)測(cè)獲取到的傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)使用工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給控制層，現(xiàn)場(chǎng)視頻、語(yǔ)音等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給控制層，從而實(shí)現(xiàn)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、語(yǔ)音及視頻監(jiān)控信息的有效融合。設(shè)備層與監(jiān)控主站間使用工業(yè)以太網(wǎng)連接，可有效避免“信息孤島”問題發(fā)生。

管理層位于地面，主要通過監(jiān)控主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下各機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。控制層布置在回采巷道安全位置，通過工業(yè)以太網(wǎng)與地面管理層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。設(shè)備層主要功能是對(duì)井下布置的各類機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集并執(zhí)行決策指令，其中采集到的機(jī)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)包括設(shè)備運(yùn)行溫度、穩(wěn)定性等；執(zhí)行決策指令包括控制運(yùn)輸、掘進(jìn)及開采設(shè)備運(yùn)行。

2 智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

具體構(gòu)建的機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)體系如圖2 所示，主PLC 的型號(hào)為S7-300，通過加裝以太網(wǎng)通信模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)間的數(shù)據(jù)通信。監(jiān)控系統(tǒng)中主PLC 作用是接收各個(gè)從站信息，并智能作出決策后將決策系統(tǒng)傳輸給各從站，對(duì)井下機(jī)電設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)將回采工作面、掘進(jìn)工作面機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)信息、傳感器監(jiān)測(cè)信息等傳輸給上級(jí)主站中。從站有非智能、智能兩種，非智能從站主要用以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳輸；智能從站依據(jù)主站決策指令通過變頻器實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速度、功率等的調(diào)控。

圖2 智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)體系

現(xiàn)以綜采工作面機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控為例，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)布置的從站功能進(jìn)行闡述。綜采工作面布置的從站包括液壓支架控制從站、災(zāi)害監(jiān)測(cè)及預(yù)警從站、采煤機(jī)從站、刮板輸送機(jī)從站、供液系統(tǒng)從站等。具體如下：

1）液壓支架控制從站。該從站的主要功能是對(duì)液壓支架狀態(tài)（包括傾角、工作阻力、支撐高度等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并依據(jù)主站指令對(duì)液壓支架運(yùn)行進(jìn)行控制。

2）災(zāi)害監(jiān)測(cè)及預(yù)警從站。該從站的主要功能是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度、瓦斯、粉塵等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并獲取液壓支架護(hù)幫板、支架壓力參數(shù)，對(duì)潛在的安全災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警。

3）采煤機(jī)從站。該從站的主要功能是監(jiān)測(cè)采煤機(jī)運(yùn)行并控制基本操作，如運(yùn)行、啟動(dòng)、停機(jī)等；并監(jiān)測(cè)采煤機(jī)割煤滾筒高度、傾斜角度等，完成采煤機(jī)記憶截割。

4）刮板輸送機(jī)從站。該從站內(nèi)置有EM277 通信模塊，并通過調(diào)整變頻器運(yùn)行參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)等設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)節(jié)。

5）供液系統(tǒng)從站。該從站可對(duì)供液系統(tǒng)泵站運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并智能控制變頻器運(yùn)行。

3 智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

為了提高智能監(jiān)控系統(tǒng)可靠性，將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為主、備PLC 系統(tǒng)，在智能監(jiān)控系統(tǒng)工作過程中，主、備PLC 系統(tǒng)中的通信總線、CPU、電源等均獨(dú)立運(yùn)行。控制系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行冗余、非冗余兩種控制程序，當(dāng)冗余程序運(yùn)行時(shí)，僅有主PLC 系統(tǒng)運(yùn)行，而備PLC 僅接受主PLC 數(shù)據(jù)。當(dāng)主PLC 系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，智能監(jiān)控系統(tǒng)智能跳轉(zhuǎn)至備PLC 系統(tǒng)，此時(shí)備PLC 系統(tǒng)將變成主PLC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)井下機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控。主、備PLC 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換包括電源、通信總線及CPU 等部件。

現(xiàn)場(chǎng)工作人員可手動(dòng)切換主、備PLC 系統(tǒng)，從而便于對(duì)PLC 系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)備檢查及運(yùn)行參數(shù)調(diào)整等操作。

4 結(jié)語(yǔ)

1）機(jī)電設(shè)備是煤礦井下采掘、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水等工作正常開展的基礎(chǔ)，確保機(jī)電設(shè)備安全、可靠運(yùn)行，對(duì)提高煤礦安全生產(chǎn)保障能力具有顯著的促進(jìn)意義。為此，提出一種機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制。

2）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，井下機(jī)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)在地面監(jiān)控中心即可實(shí)時(shí)掌握，當(dāng)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)故障后，智能監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出預(yù)警信息，從而顯著提升煤礦機(jī)電設(shè)備運(yùn)行可靠性。