基于PLC 控制的采煤機運行狀態監控系統應用研究

薛佳皓

（晉能控股煤業集團草垛溝煤業有限公司， 山西 大同 037102）

引言

采煤機是綜采工作面的關鍵設備，采煤機的工作可靠性直接影響到礦井的經濟效益和安全生產，對采煤機進行遠程監控是實現綜采工作面自動化的必要條件。在采煤機實際作業過程中，作業環境存在通風效果較差、粉塵集中、散熱性能較差等問題，致使設備出現了作業溫度較高、作業功率超限運轉、電機燒壞、滾筒磨損嚴重等問題，若無法采用更加有效的技術對采煤機運行故障進行排除，將嚴重影響著采煤機的作業效率[1]。

結合采煤機當前通信原理，設計一套更加智能化的監控系統十分必要。為此，在充分利用工業控制技術基礎上，通過對采煤機結構進行分析，開展了基于PLC 控制技術的采煤機監控系統研究和關鍵模塊設計，通過對遠程監控系統的應用測試，驗證了此系統的準確性及可靠性，在采煤機中具有重要的應用價值。

1 采煤機結構組成分析

目前，煤礦中應用較多的雙滾筒式采煤機，可根據煤層的高度和厚度進行不同姿態的調整。采煤機結構主要由牽引部、截割部、滾筒、動力電機、電氣控制系統等部分組成。牽引電機通過主動鏈輪將動力傳輸至減速箱中，并將動力傳輸至滾筒中，以此驅動滾筒對煤層進行開采[2]。其中，滾筒是整個采煤機中的關鍵部件，包括了截齒、螺旋葉及端盤等零件，在使用過程中經常會出現截齒斷裂問題。同時，滾筒及截齒在運行過程中也會因散熱效果較差、作業環境通風效果較差、供水冷卻系統較弱等問題導致局部溫度增加，粉塵的聚集也對采煤機設備的正常運行造成了重要影響。因此，為保證采煤機正常的開采作業，需要在采煤機中增加一套監控系統，以實現對設備運行狀態的實時監控。

2 采煤機監控系統設計

結合采煤機的作業需求，開展了針對采煤機作業狀態的監控系統設計研究。所設計的系統包括現場設備層、控制層、本地控制管理層、遠程診斷管理層。其中，現場設備層主要包括底層的瓦斯傳感器、粉塵傳感器、電流互感器、溫度傳感器等，主要實現對采煤機運行狀態及工控環境的數據采集[3]。本地控制管理層的上機位采用了研華工控機，并與西門子的PLC 及WinCC 組態軟件監控平臺進行通信連接，利用遠程訪問組件對采煤機作業狀態及下機位狀態進行遠程控制，有效防止事故的發生，利用內部的存儲模塊，實現對數據的整理歸檔及報表生成[4]。遠程診斷管理層則主要通過IE 瀏覽器和監控平臺來實現對采煤機運行狀態的監控，當采煤機作業溫度、電機等出現異?，F象時，可通過監控平臺上的顯示圖標進行故障類型顯示及故障報警，人員可根據此報警信息故障排除。另外，利用監控系統可對采煤機運行狀態的大量數據進行數據歸檔，并對數據進行分析，形成柱狀圖，以便后期對設備運行狀態進行綜合分析。整體監控系統具有更全面的監控功能，系統穩定性大大提升，設備的故障率也有效降低。采煤機作業狀態監控系統的總體框架圖如圖1 所示。

圖1 采煤機作業狀態監控系統的總體框架圖

3 監控系統關鍵分系統設計

3.1 PLC 控制模塊設計

由于需對采煤機作業狀態進行實時檢測，控制程序及邏輯相對復雜，故采用了PLC 控制器對整個系統進行控制。所選用的PLC 為西門子的S3-700 型，主要設計在直接控制層，可實現對采煤機動作控制、運行數據檢測、邏輯計算等，并實時接收上機位傳輸的控制命令，利用通信線傳輸至工控機中[5]。PLC 控制程序采用STEP7 進行梯形圖程序編寫，輸入模塊采用AI8×12bit 模塊，配備了10 個溫度輸入信號，經AI 模塊采集后存入至IW368 映像的存儲器中。在此控制程序中設計了OB1 主控程序、OB37 循環中斷、OB100 暖啟動等組成，通過各模塊的信號轉化及匹配，最終傳入至DB1/DBD0 的數據模塊中，整個PLC控制程序的流程圖如圖2 所示。

圖2 整個PLC 控制程序的流程圖

3.2 PLC 與變頻器通信設計

為保證整個監控系統的穩定性，采用了ABB-ACS800 系列的變頻器， 網絡則基于Profibus-DP 網絡，最終與西門子的PLC 進行通信設計。其中，Profibus-DP 網絡協議可滿足分布式I/O 控制單元，利用高速數據傳輸方式進行設計[6]。同時，變頻器設計了主變頻器和從變頻器，配備了一臺工控機，在網絡上設計了一個主站和若干個從站，主站利用站發點根據站號進行信號傳輸，通信傳輸速率最大可達12 Mbit/s，Profibus-DP 網絡協議可將信號傳至PLC 控制器中的CPU、AI、AO 等接口中，實現傳動單元發出啟動、停止、運行等相應控制命令。另外，利用傳輸線理論原理，配備了一個終端電阻來實現對信號中發射波的吸收，有效增強信號強度。PLC 與變頻器的網絡配置圖如圖3 所示。

圖3 PLC 與變頻器的網絡配置圖

3.3 溫度檢測及保護模塊設計

為進一步實現對采煤機作業溫度的實時檢測，在此監控系統中設計了溫度檢測及保護模塊。此模塊主要利用鉑電阻的高電阻率、高穩定靈敏性等特點對采煤機電機溫度進行檢測，通過鉑電阻形成一個溫度傳感器，可實現對采煤機-70～600 ℃范圍的檢測。所設計的模塊電路采用了5 V 直流供電，利用LM324 差分放大器進行電源電壓調節。WR2 為120 Ω 的滑動變阻器，可實現對電橋電壓的平衡調節。此溫度檢測及保護模塊的電路原理圖如圖4 所示。

圖4 溫度檢測及保護模塊電路圖

4 系統應用測試

結合所設計的新型采煤機運行狀態監控系統，將其集成在現有采煤機中進行了實際應用測試，測試周期將近3 個月。在測試過程中，整個監控系統運行正常，監控界面更加清晰，監控數據更加準確，能通過界面中的數據分析、圖形顯示等不同形式對采煤機作業狀態進行顯示，人員可更強清晰、直觀地對設備進行觀察分析。同時，前端的各類傳感器采集精度更高，能對采煤機作業溫度、滾筒切割高度、環境瓦斯濃度及氧氣濃度等參數進行實時監測，通過監控界面顯示。當設備出現故障問題時，能通過監控界面對故障類型及故障發生位置進行實時顯示，人員可根據此顯示內容快速進行故障排除。據現場對此監控系統進行評估，該監控系統應用后，能使采煤機設備的故障率降低60%以上，設備的維修及作業人員勞動強度大大降低，人員數量減少，提高了采煤機的作業效率，整個運行情況達到了預期效果。

5 結語

采煤機作為影響煤礦開采效率的重要設備，保證其作業效率及較低的故障率對提高企業的經濟效益具有重要作用。為此，在分析采煤機結構組成基礎上，開展了基于PLC 控制器的采煤機監控系統總體設計及關鍵分系統的研究，通過將該系統進行實際應用測試，得出：該系統運行良好，監控精度更高，采集功能更加全面，能通過顯示界面更加直觀、智能化地對采煤機運行狀態進行參數檢測及故障診斷，大大降低了采煤機的故障發生率，減輕了人員的勞動強度，這對提高采煤機的作業效率及智能化程度具有重要意義，應用價值較大。