采煤機(jī)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王振宇

（大同煤礦集團(tuán)有限公司煤峪口礦測(cè)量科，山西 大同 037001）

引言

采煤機(jī)為綜采工作面關(guān)鍵綜采設(shè)備，其從結(jié)構(gòu)、牽引系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)等方面得到了飛速的發(fā)展和進(jìn)步。如今，在大力倡導(dǎo)提高煤炭資源開(kāi)采率和資源利用率的背景下，對(duì)采煤技術(shù)和采煤機(jī)的性能提出了更高的要求和挑戰(zhàn)[1]。隨著網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，采煤機(jī)將逐漸朝著可視化的方向發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在綜采工作面的少人或者無(wú)人值守的工作目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)的目的。本文將著重研究采煤機(jī)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其功能的實(shí)現(xiàn)。

1 采煤機(jī)信息系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

采煤機(jī)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在綜采工作面的在線監(jiān)測(cè)功能。結(jié)合當(dāng)前工業(yè)在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，擬定采煤機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

如圖1 所示，針對(duì)采煤機(jī)在線監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)，本方案采用分布式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，其功能實(shí)現(xiàn)的核心控制器為PLC 控制器和Wincc 組態(tài)控制軟件，上位機(jī)與下位機(jī)的通信通過(guò)Intenet 實(shí)現(xiàn)。采煤機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、控制層、本地控制管理層和遠(yuǎn)程診斷管理層。

其中：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要包括對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的各種傳感器和檢測(cè)設(shè)備等；控制層為采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)控制的核心設(shè)備，包括PLC 控制器和變頻器等，主要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；本地控制管理層是基于通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)所實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)控制過(guò)程的集中管理系統(tǒng)，其可對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)并對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制；遠(yuǎn)程診斷管理層主要基于IE瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的故障診斷，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)[2]。

2 采煤機(jī)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 采煤機(jī)現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

針對(duì)采煤機(jī)的工作特點(diǎn)，采煤機(jī)現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)包括有對(duì)采煤機(jī)各電機(jī)運(yùn)行溫度的檢測(cè)和保護(hù)、采煤機(jī)各電機(jī)電壓的檢測(cè)和控制、采煤機(jī)的漏電檢測(cè)和控制、采煤機(jī)液壓系統(tǒng)油壓的檢測(cè)和控制、采煤機(jī)機(jī)身位置的檢測(cè)和控制以及工作面瓦斯含量的檢測(cè)及保護(hù)等[3]。

本方案采用鉑電阻作為溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)電機(jī)溫度的檢測(cè)，其可檢測(cè)電機(jī)溫度的范圍為-70～630 ℃；針對(duì)采煤機(jī)的電壓檢測(cè)本方案為其設(shè)計(jì)專用的電壓檢測(cè)回路，如下頁(yè)圖2 所示。

采煤機(jī)漏電檢測(cè)只針對(duì)其電機(jī)控制變壓器和牽引變壓器二次漏電現(xiàn)象，其主要通過(guò)漏電檢測(cè)裝置產(chǎn)生的信號(hào)對(duì)主控器進(jìn)行控制，進(jìn)而發(fā)出報(bào)警；采煤機(jī)壓力檢測(cè)通過(guò)液壓回路中的安全閥所實(shí)現(xiàn)；采煤機(jī)機(jī)身位置的檢測(cè)通過(guò)在其行走機(jī)構(gòu)上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，通過(guò)檢測(cè)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)達(dá)到測(cè)量距離的目的；瓦斯含量的檢測(cè)通過(guò)在采煤機(jī)不同機(jī)身位置安裝瓦斯傳感器實(shí)現(xiàn)，并為采煤機(jī)的運(yùn)行設(shè)置瓦斯報(bào)警保護(hù)電路，即當(dāng)工作面瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)采煤機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。

圖2 采煤機(jī)電機(jī)電壓檢測(cè)回路

2.2 采煤機(jī)本地控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采煤機(jī)本地控制系統(tǒng)的主要功能為對(duì)采煤機(jī)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的集中監(jiān)測(cè)和控制。鑒于當(dāng)前采煤機(jī)的電氣控制核心為PLC 控制器與變頻調(diào)速控制的結(jié)合[4]。因此，采煤機(jī)本地控制系統(tǒng)主要包括PLC 控制器、變頻器、上位機(jī)以及各類檢測(cè)電路等，其對(duì)應(yīng)的控制原理圖如圖3 所示。

圖3 采煤機(jī)本地控制系統(tǒng)原理框圖

采煤機(jī)本地控制系統(tǒng)的核心為變頻器和PLC控制器。其中，針對(duì)采煤機(jī)牽引部及滾筒調(diào)高部電機(jī)的控制，本方案采用ACS800-175 變頻器，該變頻器的容量為175 kV，額定輸出功率為135 kW。根據(jù)控制需求，為采煤機(jī)牽引部配置兩套變頻器，并采用一拖一的工作方式，其中主變頻器受PLC 控制器的控制；對(duì)應(yīng)PLC 控制器選用可靠性更高的S7-300 系列，并基于Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)變頻器與PLC 控制器之間的通信功能。針對(duì)PLC 控制器為其配置其他功能的模塊如表1 所示。

本地控制系統(tǒng)的控制流程為PLC 通過(guò)對(duì)采煤機(jī)截割、牽引部以及泵電機(jī)電流值、油箱液位、潤(rùn)滑泵壓力、實(shí)際牽引速度、工作面瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)進(jìn)行處理后得出相應(yīng)的控制指令，通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)牽引部液壓閥及截割部左右搖臂的升降控制。

2.3 采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本方案基于Wincc 組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)采煤機(jī)信息系統(tǒng)的要求，采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)需對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示、各種故障的實(shí)時(shí)報(bào)警以及運(yùn)行參數(shù)的存儲(chǔ)并以趨勢(shì)圖的形式呈現(xiàn)于用戶。

表1 PLC 控制器功能模塊統(tǒng)計(jì)

其中，采煤機(jī)信息系統(tǒng)的主界面可對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行動(dòng)畫(huà)、電機(jī)運(yùn)行參數(shù)及左右搖臂等運(yùn)行參數(shù)的顯示；采煤機(jī)信息系統(tǒng)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、處理及歸檔的基礎(chǔ)上將重要參數(shù)的變化趨勢(shì)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)于用戶界面，并且用戶可對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行打?。徊擅簷C(jī)報(bào)警與故障顯示畫(huà)面可實(shí)時(shí)顯示設(shè)備出現(xiàn)故障的日期、時(shí)間以及具體位置、故障類型等[5]。

為實(shí)時(shí)呈現(xiàn)采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，需實(shí)現(xiàn)PLC 控制器與Wincc 組態(tài)軟件的通信，由PLC 控制器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳遞至Wincc組態(tài)軟件并將數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)呈現(xiàn)于用戶界面。

3 結(jié)論

采煤機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，為提高工作面的采煤效率和開(kāi)采率需實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的在線監(jiān)測(cè)控制，為此本文基于PLC 控制器和Wincc 組態(tài)軟件完成對(duì)采煤機(jī)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其具體功能如下：

1）基于采煤機(jī)信息系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)/手動(dòng)控制的選擇，并實(shí)時(shí)顯示采煤機(jī)截割電機(jī)、機(jī)身位置、搖臂以及滾筒截割速度等運(yùn)行參數(shù)；

2）采煤機(jī)信息系統(tǒng)可對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)打印，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)以趨勢(shì)圖的形式呈現(xiàn)于用戶；

3）基于采煤機(jī)信息系統(tǒng)，用戶可獲取采煤機(jī)的故障信息包括故障類型、故障發(fā)生位置以及故障發(fā)生時(shí)間等。