智能綜采工作面采煤機割煤情況自動監控系統設計分析

高江波

（霍州煤電集團呂臨能化公司龐龐塔煤礦， 山西 呂梁 033200）

1 記憶截割的工作原理

通常情況下采煤機的記憶截割為兩個階段，分別為：第一階段，截煤試教是采用人工操作的階段，即為采煤機的記憶學習階段，采煤機進行首次采煤時，完成過程人工手動操作1 個循環運行，從采煤機有工作面的機頭行至機尾，然后再從機尾走到機頭。在人工操作采煤機過程中采煤機電控系統會把運動過程中所有的數據實行采樣并固化到自己的存儲器中。第二階段，采煤機的記憶截割的階段，就是采煤機如何實現自動化截割煤的，即采煤機在截割煤過程中自動調節采煤機的動作姿態是靠第一階段采集所有數據并存儲來完成的。

圖1 即為采煤機在工作面自動記憶截割的運行軌跡圖，在圖中工作面的傾斜方向用X 軸方向表示，其采煤機在自動記憶截割運行時的姿態位置的采集相關數據的點用X 軸坐標點表示；采煤機的回采工作面的方向用Y 軸方向表示，采煤機在工作面前行的方向上運行的距離用Y 軸上的坐標點表示，采煤機在工作過程中上滾筒與下滾筒之間的高度用Z 軸方向表示，采煤機的截割煤工作過程中的采集相同距離樣本是通過監控系統完成的，采煤機在執行完第i 刀截煤工作后，監測控制系統會對這一過程中的運行數據進行采樣和存儲。當在截煤作業執行第i+1 刀過程中采煤機運行中姿態的調整是控制系統依照第i 刀采集的信息數據完成的。假如采煤機執行第i+2 刀進行截煤時，如果工作面工作的狀況有發生變化，這樣，采煤機會根據工況自適應修正調整工作狀態。這個自動調整是靠自動監控系統在通過第i+1 刀采集并記錄的數據做適當調整完成的。在上述過程中調整完的數據會自動被存儲和記憶，這些數據為第i+3 刀作業提供操作依據，以這用方式循環進行截割煤作業工作。

圖1 采煤機自動記憶截割運行路徑示意圖

2 整個采煤機自動監控系統的結構

由于井下的采煤工作的環境非常復雜而且多變，并且采煤機的自動記憶截割方法還有很多的不足，在實際使用時，其自動化水平比較低，所以要持續改善其方法。采煤機的自動監控系統的優化，不僅使自動化水平得到提升，還能實時監控采煤機每個部位在工作時的狀態，可以及時發現采煤機在工作過程中的問題并做出相應的處理，從而提高了采煤機的工作穩定性和大大減少了工作過程中故障發生的概率。整個自動監控系統的結構是由Wicc、各種傳感器、S7-300PLC 等組成。PLC 通過傳感器將所有數據信息進行采集與監測，并由其輸入模塊接收與處理，以達到對采煤機工作截割煤工作過程中的實時監控。假如采煤機在工作過程中某一個部件突然發生故障，故障報警系統發出信息，與此同時控制系統就會把采煤機的有關信息進行采集并存儲，比如上下滾筒的搖臂的傾斜角度、擺動角度、機身位置和傾斜角度。為采煤機在工作面三角區域實現自動化記憶截割提供可靠數據參考依據，從而使工作面智能化的開采程度得到了提升。圖2 即為自動化監控系統整體框架圖。

圖2 自動化監控系統整體框架圖

3 設計PLC 硬件的選型

3.1 PLC 選型

自動監控控制系統最重要的核心元件是PLC，PLC 的組成包括：輸入/輸出接口模塊、存儲器模塊、CPU 模塊和通信模塊。從PLC 的存儲容量和輸入/輸出點數等各方面因素考慮，改監控系統選用西門子公司的中大型s7-300PLC 所選用的CPU 型號為313c-2ptp。

3.2 通信模塊選型

為了使PLC 和上位機能夠實現通信連接，所以我們選用與之配套的通信摸塊CP341，該模塊的特點是實現點對點通信，通信模塊的硬件配置為一個串口通信端口，即RS-458，改通信口最遠能夠實現1 300 m 的通信，主要支持的軟件協議有data Highway RTU 和MODBUS RTU。CP341 可以實現上位機與PLC 之間的數據交換以及遠方操作和控制。S7-300PLC 的組網是通過PROFIBUS-DP 與通信模塊和上位機實行的，通信網絡是PLC 控制系統內最重要的部分，在實際使用時，控制系統發生的故障中，一般都是通訊網絡發生的故障，為了減少通信網絡的故障率使井下監控系統更加穩定，所以在PLC硬件在選擇時我們通常會選擇抗干擾能力強、電氣兼容性好、接口簡單的硬件，所以選擇西門子公司的產品。

4 監控系統的軟件的設計

設計采煤機的自動監測控制系統的工作流程，圖3 即為監控系統控制流程圖。

圖3 監控系統控制流程圖

模塊化編程思想主要應用在監控系統的軟件設計中，模塊化思想將監控系統劃分為人工的調節修正、數據信息的采集存儲、記憶截割自適應調整和故障報警的輸出。

采煤機進行記憶截割工作時，剛開始必須由人工操作對采煤機進行試教截割作業，在此過程中采煤機各組成部分的運動相關數據，會被監測控制系統進行采集并且監控系統會分析與處理這些數據。之后，會記錄與儲存人工操作截割作業的運動軌跡，在此過程中只要把記錄和存儲的數據傳到控制系統就能實現采煤機的自動記憶截割作業。與此同時，由于井下工作面環境變化等原因的影響，采煤機在記憶截割作業時還需要進行人工的修正和調節。采煤機故障報警系統的設計，使采煤機故障判別和處理效率得到了大大提高，采煤機在自動記憶截割作業過程中，采集來的信息會被監控系統存儲和分析，若有異常情況發生在采煤機正常運行狀況中時，監控系統會根據采集存儲的數據來自適應調節采煤機的運行狀況和姿態，當調整完成以后，系統將會檢查和對照采煤機每個部分工作運行時的數據，當各部分數據顯示正常后，系統會把原來截割作業的軌跡與調整后的作業軌跡的所有數據兩者相比較，如果有較小的誤差存在與兩者之間，那么控制系統會選擇修正之后的軌跡接著正常工作運行，如果數據偏差大或數據不正常時，采煤機的故障報警系統就會發出報警信息。這時候必須要人工復位正常后才能恢復正常工作運行。

5 應用效果

自動記憶截割控制系統應用在某一個智能化綜合采煤工作面，在這個智能化綜合采煤機正常工作時采煤機各部分運動數據如下頁表1 所示。

通過下頁表1 數據可知道，在采煤機在工作面正常進行記憶截割工作時，采煤機運行的各項數據信息都被監控系統實時采集，實現了采煤機在正常截割煤作業過程中所有機身數據的可視化，從而使采煤機自動記憶截煤操作的自動化水平提高，本控制系統所采集的所有數據都和采煤機正常工作時的數據相差不大，充分證明了本控制系統可以符合現場使用的要求。

表1 采煤機實際運行狀態下監控系統采集的機身數據表