基于PLC 的綜采設備狀態監測系統設計研究

郭甘霖

（西山煤電集團設備租賃分公司， 山西 太原 030053）

引言

目前，隨著我國能源產業結構的調整，煤炭產業結構也在不斷地發生著變化。煤炭開采的方式主要是以井下開采為主，其中綜采設備的應用也發生了重大的變化。近幾年出現了大型、智能化的設備外[1-2]，也研制出了不少關于提升煤礦井下安全性能的硬件和軟件設備[3]。

由于隨著開采深度的不斷加深，煤礦井下開采的溫度、濕度和環境都不斷地發生著變化，設備長期處于潮濕、高溫的環境中，在開采過程中經常會出現故障停機的現象，為了及時發現設備故障停機位置和故障原因，需要對綜采設備加設信號檢測和狀態的顯示等裝置，保證煤礦井下設備開采的效率的提升[4]。

1 綜采設備的組成

根據目前煤礦企業的發展情況，我國大部分煤礦都實現了機械化采煤，綜采設備成為了每座煤礦的基本配置。并且根據每座煤礦的煤層厚度、人員數量以及安全生產的要求都會選用相匹配的綜采設備。綜采設備一般都是由采煤機。刮板輸送機、轉載機、破碎機以及帶式輸送機和液壓支架共同組成整個煤礦井下開采的整個系統。根據不同的開采方式一般采用的開采方法也不同，但是各設備的主要作用是相同的。采煤機主要負責對煤壁煤炭的截割，利用其截割部將煤炭從煤壁上破碎成小塊，并且能夠實現左右移動來調整對整個煤壁的截割。刮板輸送機主要是將采煤機從煤壁上截割下來的煤進行收集，利用刮板鏈將煤塊輸送至后端的破碎機。破碎機將煤塊進一步進行破碎，破碎成體積更小的狀態，經過轉載機來實現煤塊從刮板輸送及和帶式輸送機上的轉載。帶式輸送機是煤礦中的主要運輸工具，將煤炭從井下直接運輸到井上的原煤倉中。煤礦井下綜采工作面的布置圖如圖1所示。

圖1 綜采工作面的設備布置圖

2 綜采設備狀態監測系統

2.1 監測對象及參數的選擇

通過對煤礦井下綜采設備的布置情況和使用的作用，能夠得出綜采設備在實際使用過程中主要都是電牽引設備，電力設備的狀態監測主要是通過對其電壓和電流進行監測就能夠實現對整機的狀態進行監測。據此可以確定綜采設備的狀態監測主要是采煤機、刮板輸送機、破碎機、轉載機、帶式輸送機和液壓支架主要的綜采設備進行狀態的監測。根據對綜采設備的日常使用過程中出現的故障的情況進行分析能夠發現故障的類型主要是可以分為兩種，一種是機械本身出現的故障，機械本身結構出現故障大多是由于零件在長時間的惡劣環境或者是由于設備長期使用的磨損產生機械失效，導致機械結構的失效，從而引起故障，此類故障在實際操作過程中相對比較容易發現，也比較容易迅速更換。另一種是電子電路的故障，電子電路的故障大多是由于電流電壓不穩定造成電氣設備故障，其主要表現為過壓、欠壓或者是短路等故障，這類型的故障往往是導致設備長時間停機的主要原因，針對此類故障進行預先的監測和防范是保證綜采設備高效運行的基礎。基于此在對綜采設備狀態檢測系統的參數進行選擇是主要是針對綜采設備的電壓和電流進行監測，同時為了保證更加準確和穩定，還需要對變頻器的參數進行監測，實現綜采設備啟停狀態、頻率以及故障狀態和原因的準確及時監測。

2.2 綜采設備狀態監測架構

為了保證綜采設備的高效穩定運行，就需要對綜采設備進行全方位的狀態監測。綜采設備狀態監測系統主要是通過數據采集、數據傳輸、客戶應用以及網絡應用四層共同組成的，以達到實現整個系統對綜采設備的狀態的整體監測。首先是先通過對各個設備的電流、電壓、啟停狀態和故障狀態進行現場信號的采集。數據的傳輸層主要是指兩層的數據傳送，一層是現場信號傳遞給西門子S7-1214C 型的PLC 的集中控制箱內，另一層是西門子S7-1214C 型的PLC 的集中控制箱將信號傳遞到井下的環網，并通過交換機等將信息輸送至地面的過程。客戶應用層是指用戶能夠在上位機的畫面上進行設備的狀態顯示和相關信息的存儲，客戶能夠利用這些信息進行判斷設備的實時狀態。并且操作人員能夠根據不同的狀態對井下的設備進行遠程調控，保證綜采設備處于正常穩定的狀態。網絡應用層主要是利用WINCC 軟件的網絡發布作用，將數據發布至服務器，從而實現局域網內對設備的監測。

2.3 綜采設備狀態監測系統的上位機設計

利用WINCC 軟件對上位機組態畫面進行設計其主要的功能為顯示畫面、存取數據、顯示狀態參數、分析數據以及基礎權限等的管理功能。畫面顯示主要是對各設備的布置情況進行模擬，然后在模擬的畫面上對數據的采集進行畫面的顯示，這樣狀態就能夠直觀地顯示出各大綜采設備的運行狀態。存取數據是為了將井下綜采設備采集到的數據進行歷史數據的存儲和記錄，方便以后工作人員的對設備歷史狀態和目前工作狀態的結合判斷。數據分析功能是為了將方便操作人員對設備狀態分析有著更好的數據支持，數據分析主要是為了實現將采集到的時刻參數自動繪制成曲線圖，方便操作人員觀察和分析。基礎權限主要是指管理系統內部的用戶的使用和系統模塊參數的設備等輔助功能的實現。上位機的功能圖如圖2 所示。

圖2 上位機的功能組成圖

3 結語

為了使煤炭的開采更加高效、安全，對煤礦井下的綜采設備進行自動化和智能化改造。根據對煤礦井下綜采設備的布置和各設備的主要作用的深入認識，進而提出了綜采設備狀態監測系統，綜采設備監測系統主要是由數據采集、數據傳輸、客戶應用以及網絡應用四層架構組成，實現了以西門子S7-1214C 型的PLC 為核心的狀態監測系統。通過利用WINCC 軟件對上位機組態畫面進行設計，實現了人機交互的功能設計。基于綜采設備的狀態監測系統能夠有效地提升設備的運行效率，降低設備故障率，提高煤炭的開采效率，增加煤礦的經濟效益。