彭鳴

（上海筑東機電工程技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 201206）

綜采設(shè)備主要包括采煤機、破碎機、刮板運輸機、帶式傳送機等，保證綜采設(shè)備始終處于良好工況、維持穩(wěn)定運行，是確保礦井作業(yè)安全、提升企業(yè)經(jīng)濟效益的關(guān)鍵。由于礦井作業(yè)環(huán)境惡劣，加上很多綜采設(shè)備長時間高負荷運行，很容易出現(xiàn)故障。因此，必須要利用自動化和信息技術(shù)實現(xiàn)對綜采設(shè)備狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測。設(shè)計一款基于PLC 的機電綜采設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，利用傳感器獲取其運行工況、狀態(tài)參數(shù)后，經(jīng)通訊裝置反饋至PLC 集中控制箱，再傳送至地面工作站，讓管理人員可以隨時掌握各臺綜采設(shè)備的狀態(tài)，為優(yōu)化設(shè)備管理和減少設(shè)備故障提供了必要支持。

1 基于PLC 的機電綜采設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 綜采設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)以PLC 作為數(shù)據(jù)采集核心，利用通信模塊、傳感器實現(xiàn)對綜采面各設(shè)備運行參數(shù)的實時采集、在線監(jiān)測。整個系統(tǒng)共包含綜采設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置和綜采設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸通道兩大部分。其中，狀態(tài)監(jiān)測裝置又分為4 層，分別是用于破碎機、刮板運輸機、帶式輸送機等設(shè)備參數(shù)采集的現(xiàn)場采集層，將前端數(shù)據(jù)反饋給PLC 數(shù)據(jù)采集箱的數(shù)據(jù)傳輸層，用于顯示設(shè)備狀態(tài)和執(zhí)行指令操作的客戶應(yīng)用層，以及用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層。監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸通道的網(wǎng)絡(luò)布置采用混合模式，主干網(wǎng)絡(luò)選擇環(huán)型布置，各采區(qū)的支線網(wǎng)絡(luò)選擇星型布置。數(shù)據(jù)傳輸流程為：從PLC 控制箱上傳至工作面交換機，用單模光纖將數(shù)據(jù)從工作面交換機傳輸?shù)街醒氡梅拷粨Q機，再沿著井筒傳輸至地面交換機，最后經(jīng)地面網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機。

1.2 綜采設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測PLC 控制箱設(shè)計

集中控制箱的主要功能是將前端采集、反饋的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析，并且將數(shù)據(jù)處理結(jié)果上傳給主機，以便于主機自動生成調(diào)控指令，或管理人員手動編輯控制指令，實現(xiàn)了機電綜采設(shè)備的閉環(huán)管理。在集中控制箱設(shè)計中，PLC 的選型尤其重要。本系統(tǒng)中選擇西門子S7-1214C 型PLC，具有8 個信號模塊、3 個通訊模塊，自帶16 路輸入、12 路輸出，以及2個數(shù)字量擴展模塊，完全能夠滿足礦井綜采工作面各類設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測需要。在PLC 控制箱的通訊模塊，選用了2個RS485 模塊，一主一備，確?，F(xiàn)場通訊穩(wěn)定。考慮到綜采設(shè)備和傳感器的種類多樣，因此在PLC 的I/O 口分配上應(yīng)當(dāng)支持自定義分配。例如將I0.1 設(shè)定為煙霧傳感器、IO.2 設(shè)定為堆煤傳感器、IO.3 設(shè)定為溫度傳感器等。

1.3 傳感器的選擇

綜采設(shè)備中應(yīng)用到的傳感器類型十分多樣，常用的有采煤機傳感器、帶式輸送機傳感器、刮板機傳感器等。以帶式輸送機為例，根據(jù)監(jiān)測對象的不同，具體又包括跑偏傳感器、堆煤傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等若干類型。其中，堆煤傳感器的核心單元是施密特觸發(fā)器，其結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 堆煤傳感器接線圖

在圖1 中，1 號線為接地極，2 號線為電極，4、5 號線為輸出線，兩者之間的電阻動態(tài)變化。當(dāng)1、2 號線的電阻值＞臨界值，則4、5 號的電阻值達到最大，約為60KΩ；反之，當(dāng)1、2 號線的電阻值＜臨界值，則4、5 號的電阻值達到最小，約為5KΩ?？刂葡到y(tǒng)會根據(jù)輸出電阻的變化，判斷是否需要堆煤。

1.4 數(shù)據(jù)采集PLC 程序設(shè)計

本系統(tǒng)中使用TIA 博途軟件編寫PLC 程序，其程序框架如圖2 所示。

圖2 PLC 程序設(shè)計框架

在通訊程序設(shè)計中，執(zhí)行Modbus 通信協(xié)議，可用于連接不同類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并且保證設(shè)備之間數(shù)據(jù)信號的兼容性。在完成串口初始化后，首先進行通訊程序的運行自檢，判斷通訊是否正常。如果存在異常，則反饋初始化程序；反之則進入下一步驟。從機處于待機狀態(tài)，等到主機發(fā)送指令后，從機將接收到的指令做CRC 校驗。若校驗不正確，則生成一個故障碼，主機重新發(fā)送一次指令。校驗正確后，從機正常執(zhí)行該指令，將主程序的控制指令分發(fā)到各個監(jiān)測模塊，完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計、狀態(tài)監(jiān)測、故障識別。

1.5 上位機設(shè)計

上位機功能主要包括電流電壓顯示功能、畫面展示功能、數(shù)據(jù)存儲功能、故障記錄功能等。本文基于WINCC 軟件進行上位機設(shè)計，采用C/S 架構(gòu)，可同時支持客戶端訪問和瀏覽器訪問，以適應(yīng)不同環(huán)境下的綜采設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測需求。上位機的軟件架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 上位機軟件架構(gòu)

利用客戶端上的人機界面，一方面能夠?qū)崟r展示前端采集到的狀態(tài)信息（如電流曲線），方便管理人員隨時了解綜采設(shè)備的運行狀態(tài)；另一方面還能在人機界面上編輯并發(fā)送調(diào)控指令。瀏覽器端基于Visual Studio 2018 平臺使用C++開發(fā)，在保證網(wǎng)絡(luò)連接暢通的情況下可動態(tài)監(jiān)測綜采設(shè)備。數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2019 數(shù)據(jù)庫，支持“數(shù)據(jù)庫- 客戶端”和“數(shù)據(jù)庫- 瀏覽器端”的雙向數(shù)據(jù)交換，可用于存儲綜采設(shè)備運行時的電流、電壓、故障等數(shù)據(jù)。

1.6 Web 瀏覽器設(shè)計

考慮到礦井環(huán)境復(fù)雜，加上綜采設(shè)備的分布比較零散，必須要通過聯(lián)網(wǎng)方式實現(xiàn)對綜采設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、直觀顯示，以便于發(fā)生故障后能夠第一時間處理。為滿足上述要求，在系統(tǒng)設(shè)計中增加了Web 瀏覽器功能，具體內(nèi)容如下：（1）登錄界面。展示系統(tǒng)名稱，提供用戶登錄選項，包括用戶名、密碼。登錄成功后，進入到Web 瀏覽器的主頁面，有設(shè)備運行監(jiān)控、采集系統(tǒng)管理、基礎(chǔ)系統(tǒng)管理等。（2）設(shè)備運行監(jiān)控。該模塊主要展示綜采設(shè)備的空間配置和實時運行電流。將鼠標(biāo)放到某個設(shè)備上，即可顯示對應(yīng)的電流、頻率等參數(shù)。（3）采集系統(tǒng)管理。可以對采集到的數(shù)據(jù)按照采集時間、數(shù)據(jù)來源等進行自動分類。包括礦井名稱、工作面名稱、設(shè)備名稱、采集日期等，如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集記錄選擇界面

2 綜采設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的安裝與調(diào)試

2.1 系統(tǒng)安裝

在系統(tǒng)安裝前要檢查數(shù)據(jù)采集箱的防爆性能是否良好，傳感器是否滿足礦區(qū)使用要求。另外準備安裝系統(tǒng)所需的材料，如總長度為120m 的1.5mm2雙絞屏蔽線，以及總長度為50m 的工業(yè)用網(wǎng)線。另外還有筆記本電腦、萬用表等工具，并且電腦中安裝通訊測試軟件Modscan。完成上述準備工作后安裝綜采設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2 現(xiàn)場通訊測試

考慮到礦區(qū)環(huán)境比較復(fù)雜，為保證綜采設(shè)備與數(shù)據(jù)采集箱之間能夠?qū)崿F(xiàn)可靠、連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸，還需要進行現(xiàn)場通訊測試。測試內(nèi)容主要包括三方面，即智能開關(guān)通訊測試、高壓變頻器通訊測試和皮帶變頻器測試。以智能組合開關(guān)通訊測試為例，具體操作方法為：按照綜采設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要求，由內(nèi)置PLC 對智能組合開關(guān)的啟停狀態(tài)，以及溫度、電壓等基本參數(shù)進行調(diào)控。測試時首先設(shè)定通訊參數(shù)，例如將串行數(shù)據(jù)格式設(shè)定為“8,E,1”,即8 位數(shù)據(jù)位，偶校驗?zāi)Ｊ剑? 位停止位；波特率自定義為9600B，從機地址選擇為1。智能組合開關(guān)的通訊參數(shù)設(shè)定完成，將該開關(guān)對應(yīng)的上一級移動變電站停電，然后拆開組合開關(guān)，在兩個通訊串口上分別接入COMB 和COMA 雙絞線。檢查線纜連接牢固后，將線纜的另一端接入轉(zhuǎn)換器，再將轉(zhuǎn)換器的輸出端接入電腦。利用電腦上安裝的Modscan 軟件啟動測試程序，進行組合開關(guān)的通訊測試。

2.3 現(xiàn)場程序調(diào)試及運行結(jié)果

使用Modsacn 調(diào)試軟件依次對設(shè)備完成通訊測試并且測試結(jié)果顯示通訊正常后，進行現(xiàn)場程序調(diào)試。調(diào)試流程如下：

2.3.1 參考礦區(qū)井下用電標(biāo)準，選擇127V 電源接入數(shù)據(jù)采集箱，同時將各傳感器也接入到控制箱的對應(yīng)端口上。在電腦上完成PLC 控制程序的編寫，查看PLC 的IP 地址，然后從電腦的“控制面板”中查詢IP 地址，檢查電腦與PLC 的IP 地址是否在同一段內(nèi)，如果不在則更改電腦IP 地址，完成連接后將程序下發(fā)至前端設(shè)備。

2.3.2 完成硬件組態(tài)、參數(shù)的設(shè)定，以及添加變量模塊等操作后，利用下載的PLC 控制程序?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的檢測。利用電腦上的博途在線監(jiān)測軟件，可以直觀地了解被監(jiān)測設(shè)備的參數(shù)變化。

2.3.3 將采集到的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場設(shè)備的實際數(shù)據(jù)進行對比，觀察兩組數(shù)據(jù)是否匹配。如果數(shù)據(jù)一致，說明該監(jiān)測系統(tǒng)功能良好。完成程序調(diào)試后，把PLC 接入井下交換機，將監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)環(huán)網(wǎng)反饋給地面接收站。

2.3.4 位于地面接收站的上位機在接收井下PLC 反饋的數(shù)據(jù)后，根據(jù)礦井環(huán)網(wǎng)建設(shè)情況，對井下數(shù)據(jù)采集箱分配地址。在本系統(tǒng)中，上位機地址為192.168.0.115，數(shù)據(jù)采集箱的地址為192.168.0.113。調(diào)試結(jié)果表明，井下數(shù)據(jù)可以進環(huán)網(wǎng)順利傳輸至地面，系統(tǒng)通訊正常，綜采設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測功能正常。

結(jié)束語

近年來礦井綜采設(shè)備因為故障頻發(fā)給企業(yè)打來了嚴重經(jīng)濟損失，加強綜采設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)故障的及時處理，對保障礦區(qū)作業(yè)的正常進行，以及延長綜采設(shè)備使用壽命有積極幫助。通過設(shè)計和應(yīng)用基于PLC 的綜采設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，代替人工實現(xiàn)了對各類綜采設(shè)備的實時監(jiān)測，并且將監(jiān)測信息同步傳輸給地面上位機，方便管理人員直觀了解各臺設(shè)備的運行狀態(tài)，對制定機電設(shè)備的維修計劃、開展機電設(shè)備的故障排查，以及確保井下采礦作業(yè)的順利進行提供了技術(shù)支持，具有較強的推廣應(yīng)用價值。