基于模塊化總線技術(shù)的采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

中煤科工集團沈陽研究院有限公司 劉雅君

采煤機作為煤礦機械化綜采的主要設(shè)備，采用模塊化總線技術(shù)對其進行自動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式布置的方式，整體結(jié)構(gòu)分為四層，依據(jù)采煤機的工作狀態(tài)進行本地控制及遠程控制系統(tǒng)的設(shè)計，對其通訊方式進行了描述。采用自動監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對采煤機的遠程監(jiān)控及控制，對于提高采煤機的生產(chǎn)效率具有重要的作用，并可提高煤礦的開采效率。

隨著煤礦開采技術(shù)的不斷發(fā)展，機械化綜采成為我國煤礦開采的主要方式，極大地提高了煤礦的開采效率，對于實現(xiàn)煤礦的自動化開采具有重要的意義。在煤礦機械化綜采的過程中，采煤機是進行采煤作業(yè)的主要設(shè)備，滾筒式采煤機可依據(jù)煤層賦存條件的不同進行結(jié)構(gòu)的調(diào)整，實現(xiàn)針對性的開采作業(yè)[1]。在采煤機的截割采煤過程中，對采煤機進行運行狀態(tài)監(jiān)控是實現(xiàn)自動無人化開采的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的采煤機監(jiān)控系統(tǒng)采用自帶的顯示器進行運行狀態(tài)參數(shù)的顯示，需要人工進行觀察數(shù)據(jù)及處理，無法進行自動化及無人化的控制，對采煤機的自動化生產(chǎn)造成了嚴重的限制[2]。針對這一問題，采用模塊化總線的方式，采用上下位機協(xié)同作業(yè)的形式對采煤機進行自動化的監(jiān)控，對采煤機的狀態(tài)參數(shù)進行實時顯示并可進行自動化控制，提高煤礦開采的自動化及無人化水平[3]。

1 采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計

煤礦的機械化綜采中采煤機主要進行煤層的截割作業(yè)，依據(jù)煤層賦存條件的不同可對采煤機的滾筒直徑及安裝高度進行調(diào)整，實現(xiàn)高效的煤層截割。由于井下作業(yè)環(huán)境較復(fù)雜，且工作面含有大量的粉塵等，采煤機帶有供水系統(tǒng)進行降溫及噴水作業(yè)，且采用調(diào)整油缸的形式進行作業(yè)角度的調(diào)整，實現(xiàn)在不同傾角工作面的作業(yè)[4,5]。

采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)通過傳感器進行外部環(huán)境的探測，將采集到的數(shù)據(jù)上傳到PLC 中進行數(shù)據(jù)的匯總及處理，并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機中進行數(shù)據(jù)的分析，依據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)進行控制指令的下發(fā)，實現(xiàn)對采煤機的自動化控制[6]。采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)采用分布式的結(jié)構(gòu)，PLC 采用西門子S7-1200 系列產(chǎn)品，具有較高的穩(wěn)定性及較快的運行速度，可較快的執(zhí)行上位機的指令，能夠適應(yīng)井下復(fù)雜的工作環(huán)境[7]。上位機采用研華工控機，通過WinCC 模塊化總線技術(shù)實現(xiàn)與PLC 的通訊連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳及指令的下發(fā)，并通過組態(tài)設(shè)置實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程訪問及控制，實現(xiàn)采煤機的遠程無人化控制[8]。

圖1 采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the coal mining machine automatic monitoring system

采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)可以分為四層，首先在最底層的是現(xiàn)場設(shè)備層，即現(xiàn)場被控制的執(zhí)行設(shè)備，采煤機各位置的電機及各類采集數(shù)據(jù)的傳感器等[9]。第二層為控制層，即PLC 控制器及變頻器等自動化控制設(shè)備，控制層將采集的數(shù)據(jù)進行匯總處理，依據(jù)設(shè)定的程序進行采煤機的自動控制，或依據(jù)上位機指令進行控制[10]。第三層為控制管理層，即對下位機控制的集中管理層，對采煤機的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進行采集匯總，并歸檔整理形成報表，可控制采煤機的運行狀態(tài)。第四層為遠程診斷控制層，即通過網(wǎng)絡(luò)通信與上位機實現(xiàn)對采煤機的遠程控制及狀態(tài)訪問，并可依據(jù)相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)進行故障的診斷控制，實現(xiàn)采煤機的無人化自動控制[11]。

2 采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)本地控制設(shè)計

采煤機作為機械化綜采的主要設(shè)備，在井下長期惡劣的環(huán)境中工作，設(shè)備的檢修維護困難，對本地控制系統(tǒng)即現(xiàn)場設(shè)備層和控制層的性能及穩(wěn)定性具有較高的要求。在本地控制系統(tǒng)中，通過PLC 對變頻器進行控制，實現(xiàn)采煤機不同工況下的調(diào)速控制，從而保證在工作面上的穩(wěn)定運行，實現(xiàn)穩(wěn)定的截割采煤作業(yè)。自動監(jiān)控系統(tǒng)的本地控制主要由PLC、變頻器、本地工控機及采煤機電機、電磁閥及信號檢測系統(tǒng)組成，其控制原理如圖2 所示。

圖2 采煤機本地控制系統(tǒng)原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the principle of the local control system of the coal mining machine

信號檢測系統(tǒng)通過瓦斯、溫度傳感器等進行采煤機工作環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至PLC 中，PLC 對數(shù)據(jù)進行匯總處理，并依據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的程序進行采煤機的控制，對采煤機的牽引電機通過變頻器進行速度的調(diào)節(jié)，對采煤機截割電機及液壓泵電機通過電氣系統(tǒng)控制，同時對液壓系統(tǒng)的制動閥進行控制，實現(xiàn)采煤機的液壓制動及搖臂的升降控制。

對于雙向截割的采煤機，牽引電機采用主從控制方式，以左牽引變頻器為主，右牽引變頻器為從，主變頻器接收PLC 的控制。PLC 與變頻器之間的通訊如圖3 所示，采用Profibus-DP 總線的形式進行通訊，變頻器采用ABB ACS800 系列產(chǎn)品，以S7-1200PLC 為主站，與從站的主變頻器進行連接，主變頻器對從變頻器進行控制，滿足變頻調(diào)速的通訊控制。Profibus-DP 總線是工業(yè)上應(yīng)用廣泛的通信形式，可以滿足分布式的I/O 及控制單元間的高速通訊，一個主站可以向若干從站進行通訊。

圖3 PLC 與變頻器的通訊示意圖Fig.3 Schematic diagram of communication between PLC and inverter

ACS800 變頻器采用Profibus-DP 連接到Profibus總線網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)對牽引電機控制器進行控制指令的下發(fā)，可以發(fā)送相應(yīng)的速度及轉(zhuǎn)矩控制信號，并可從牽引電機控制器中讀取相應(yīng)的電機狀態(tài)參數(shù)信息進行數(shù)據(jù)的上傳，供PLC 進行數(shù)據(jù)的匯總處理。

3 采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)遠程控制系統(tǒng)的設(shè)計

對采煤機進行遠程控制即通過系統(tǒng)的控制管理層及遠程診斷控制層實現(xiàn)，控制管理層通過Wincc 與PLC 之間的通訊，進行采煤機狀態(tài)參數(shù)的顯示，并可對操作人員的指令進行下發(fā)。Wincc 組態(tài)軟件是基于Windows 的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺，對采煤機的自動化控制具有重要的作用。在Wincc 中可進行控制界面的開發(fā)，將PLC 傳輸至上位機的數(shù)據(jù)進行顯示，便于實時的觀察采煤機的運行狀態(tài)，保證運行的安全。

Wincc 與PLC 之間的通訊對監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有直接的影響，通訊過程如圖4 所示。Wincc 的數(shù)據(jù)管理器集成在內(nèi)部，通過通信驅(qū)動的形式進行數(shù)據(jù)的交換。Wincc 的通信驅(qū)動程序包含多個子條目，采用Profibus協(xié)議進行通訊，共有8 個通訊單元進行數(shù)據(jù)傳輸。通道單元構(gòu)成過程變量，通信處理器與Wincc 接口連接，將通訊驅(qū)動程序發(fā)送至PLC 中，PLC 進行應(yīng)答處理，將數(shù)據(jù)進行傳輸，實現(xiàn)對采煤機的遠程控制。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)遠程通訊連接示意圖Fig.4 Remote communication connection diagram of monitoring system

4 結(jié)語

采煤機是進行煤礦機械化綜采的重要設(shè)備，對采煤機井下的工作狀態(tài)進行監(jiān)控以及對實現(xiàn)采煤機的自動化和無人化控制具有重要的作用。采用模塊化總線的方式對采煤機的自動監(jiān)控系統(tǒng)進行整體設(shè)計，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)分為四層即現(xiàn)場設(shè)備層、控制層、控制管理層、遠程診斷控制層。依據(jù)采煤機的運行狀態(tài)對系統(tǒng)的本地控制及遠程控制進行了詳細設(shè)計，對系統(tǒng)中PLC 與變頻器及Wincc 之間的通訊連接進行了描述。通過采煤機監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)采煤機的遠程無人化控制，提高煤礦的自動化水平及開采效率。