劉艷芳 譚 超

(中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

0 引言

采煤機(jī)是綜采機(jī)電裝備的關(guān)鍵設(shè)備之一，其運(yùn)行的可靠性直接影響整個(gè)煤礦的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。為了提高采煤機(jī)運(yùn)行的可靠性，不但需要不斷改進(jìn)采煤機(jī)本身的制造水平，還需要對采煤機(jī)的工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[1]。即根據(jù)采煤機(jī)運(yùn)行情況，對采煤機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度，使其處于最佳工作狀態(tài)，從而大大提高采煤機(jī)工作的可靠性。

目前，國內(nèi)采煤機(jī)主要采用本地控制方式，采煤機(jī)通過駕駛員跟機(jī)操作或使用遙控器來控制采煤機(jī)的運(yùn)行。采用本地控制方式在順槽和地面均無法實(shí)時(shí)獲取采煤機(jī)的工作狀態(tài)，更無法遠(yuǎn)程控制采煤機(jī)的運(yùn)行[2－3]。

為了使遠(yuǎn)程操作人員能夠在順槽中對采煤機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，需要研發(fā)采煤機(jī)順槽控制系統(tǒng)。本文在研究本安型無線交換機(jī)和采煤機(jī)機(jī)載控制器的基礎(chǔ)上，根據(jù)采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計(jì)了采煤機(jī)順槽控制系統(tǒng)，具體研究了順槽控制系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)及其網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)工況參數(shù)和控制指令的遠(yuǎn)程傳輸。

1 順槽控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

目前，國內(nèi)大型礦井的井下通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)延伸至順槽。由于在順槽中，無論是與工作面還是地面的電話通信都十分方便，這有利于了解工作面采煤機(jī)的工況。因此，在順槽放置的順槽控制系統(tǒng)可以作為連接綜采面與地面的中心樞紐，處理、存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)來自地面和工作面的數(shù)據(jù)。

順槽控制系統(tǒng)設(shè)定在順槽操作室內(nèi)，它由PLC控制器、三維虛擬現(xiàn)實(shí)(3D virtual reality，3DVR)數(shù)字化平臺(tái)、人機(jī)交互平臺(tái)(human machine interface，HMI)、控制面板和數(shù)字視頻服務(wù)器集成。在采煤機(jī)工作過程中，順槽控制系統(tǒng)需要完成的工作和需要提供的功能如下。

①采用無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與有線工業(yè)以太網(wǎng)和機(jī)載控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，為地面WinCC遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)、3DVR數(shù)字化平臺(tái)等提供數(shù)據(jù)交互接口[4]。

②具有對采煤機(jī)工況實(shí)時(shí)監(jiān)測和報(bào)警的功能。

③采用3DVR數(shù)字化平臺(tái)，真實(shí)再現(xiàn)采煤機(jī)的工作過程。

④具有遠(yuǎn)程過程控制功能。

2 順槽控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)上述順槽控制系統(tǒng)的功能，將順槽控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為變壓器腔、接線腔、畫面顯示腔和控制面板四部分。其中，畫面顯示腔包括3DVR界面和HMI界面兩部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 順槽控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the crossheading control system

變壓器腔內(nèi)置變壓器，用于將外界輸入的660 V高壓轉(zhuǎn)化成PLC、工控機(jī)等設(shè)備所需要的低壓。接線腔是為了滿足防爆的要求，順槽控制系統(tǒng)內(nèi)部和外部的連接需要經(jīng)過過線柱。畫面顯示腔的3DVR界面虛擬顯示了采煤機(jī)的工作動(dòng)作，并將滾筒高度、行走速度、電機(jī)電流、變頻器電流、電機(jī)溫度等運(yùn)行數(shù)據(jù)以數(shù)字的形式加以顯示，并及時(shí)對異常數(shù)據(jù)發(fā)出警報(bào);HMI界面包括正常運(yùn)行畫面、變頻器參數(shù)畫面、故障報(bào)警畫面等?？刂泼姘宓墓δ苁强刂撇擅簷C(jī)的啟動(dòng)、停止、左牽、右牽、左升、右降等動(dòng)作。

數(shù)字視頻服務(wù)器通過過線柱與順槽控制系統(tǒng)的交換機(jī)連接，用來監(jiān)視綜采面的工況。

在順槽控制系統(tǒng)內(nèi)部，設(shè)置有光電轉(zhuǎn)換模塊、Simatic S7-300 PLC、工控機(jī)等工作設(shè)備。順槽控制系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 順槽控制系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)Fig.2 Logical structure of the crossheading control system

3 順槽控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

順槽控制系統(tǒng)作為地面調(diào)度中心和采煤機(jī)控制中心的紐帶，接入井下光纖環(huán)網(wǎng)，與地面監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信;同時(shí)通過無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與機(jī)載控制器進(jìn)行通信。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)采用本安型無線交換機(jī)發(fā)送和接收信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的交換機(jī)可以與附近幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的交換機(jī)同時(shí)通信，形成了網(wǎng)狀的通信鏈路。為了保證通信的可靠性，相鄰三個(gè)無線交換機(jī)之間可以相互通信，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)的交換機(jī)既可以與相鄰節(jié)點(diǎn)的交換機(jī)進(jìn)行通信，同時(shí)也可以跳過相鄰節(jié)點(diǎn)與下一節(jié)點(diǎn)的交換機(jī)進(jìn)行通信。這樣，即使個(gè)別交換機(jī)出現(xiàn)故障，仍可以保證整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)正常通信，從而實(shí)現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)的冗余性，提高無線網(wǎng)絡(luò)的可靠性[5]。

順槽控制系統(tǒng)通信圖如圖3所示。順槽控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及機(jī)載控制器之間的通信采用S7通信協(xié)議。另外，順槽控制系統(tǒng)內(nèi)部的PLC 300和采煤機(jī)控制中心的機(jī)載PLC 300、WinCC通過網(wǎng)絡(luò)組態(tài)進(jìn)行通信，而順槽控制系統(tǒng)中的3DVR數(shù)字化平臺(tái)則需要采用OPC通信協(xié)議訪問順槽控制系統(tǒng)PLC的數(shù)據(jù)[6－7]。

圖3 順槽控制系統(tǒng)通信圖Fig.3 Communication of the crossheading control system

3.1 S7 通信協(xié)議

S7通信主要用于S7-400/400、S7-400/300 PLC之間的通信，是S7系列PLC基于MPI、Profibus和工業(yè)以太網(wǎng)的一種優(yōu)化的通信協(xié)議[8]。

系統(tǒng)采用S7通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)了順槽控制系統(tǒng)和機(jī)載控制器之間的數(shù)據(jù)交換，并對通信的DB塊進(jìn)行了定義，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)塊定義Fig.4 Definition of the data block of data exchange

圖4中，DB100主要存儲(chǔ)控制命令，包括采煤機(jī)的啟動(dòng)、停止、左牽引、右牽引以及搖臂的升降等;DB101主要存儲(chǔ)采煤機(jī)左右變頻器的工作狀態(tài)，包括變頻器的溫度、電源電壓、轉(zhuǎn)矩等;DB115主要存儲(chǔ)故障報(bào)警數(shù)據(jù)，包括過載電流、超限溫度、超標(biāo)瓦斯?jié)舛鹊?DB200主要存儲(chǔ)采煤機(jī)工況數(shù)據(jù)，包括采煤機(jī)的位置、搖臂角度、機(jī)身俯仰角等。另外，系統(tǒng)通過監(jiān)控化參數(shù)平臺(tái)，實(shí)時(shí)顯示采煤機(jī)的姿態(tài)。

3.2 OPC 通信協(xié)議

OPC通信協(xié)議是解決應(yīng)用程序和設(shè)備間通信的理想手段。在實(shí)際應(yīng)用的控制系統(tǒng)中，它可作為監(jiān)控PC與下位設(shè)備之間的信息傳輸通道，使得現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)的連接更為簡單、方便和靈活[9]。

將OPC技術(shù)引入到采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，解決了現(xiàn)有采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)底層硬件設(shè)備通信接口不一致的問題，實(shí)現(xiàn)了C#開發(fā)的3DVR數(shù)字化平臺(tái)與S7-300 PLC的數(shù)據(jù)交互，避免了驅(qū)動(dòng)程序的重復(fù)開發(fā)[10－11]。

4 結(jié)束語

針對順槽控制系統(tǒng)的功能需求，研究和設(shè)計(jì)了順槽控制系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)工況參數(shù)和控制指令的遠(yuǎn)程傳輸;采用S7通信協(xié)議、OPC通信、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，滿足通信的實(shí)時(shí)性和可靠性要求。采煤機(jī)順槽控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作人員對采煤機(jī)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控;同時(shí)，通過對采煤機(jī)工況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，真實(shí)再現(xiàn)采煤機(jī)的工作狀態(tài)，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

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