煤礦綜采工作面智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

劉章敏

（山西煤炭運銷集團陽城四侯煤業(yè)有限公司，山西晉城 048000）

0 引言

在煤炭生產(chǎn)的過程中，綜采工作面屬于第一現(xiàn)場，由于采煤現(xiàn)場存在較高的溫度、較多的設(shè)備、較大的粉塵，且空間極為擁擠，因此極易產(chǎn)生安全事故，對煤炭的安全生產(chǎn)造成了嚴重的影響。為了有效地避免安全事故的發(fā)生，煤礦企業(yè)應(yīng)當(dāng)提升煤炭生產(chǎn)的智能化水平，減少綜采作業(yè)面的人員數(shù)量。目前，我國綜采作業(yè)面的各個設(shè)備均通過了數(shù)字化、自動化改良，已經(jīng)進入到了智能化時代，一些企業(yè)的智能化無人技術(shù)開始應(yīng)用，只需要一臺監(jiān)控設(shè)備就可以實現(xiàn)所有設(shè)備的控制工作，從而對煤炭進行有效地開采。

綜采工作面所開展的作業(yè)若要具備智能化，就必須與環(huán)境、設(shè)備等相關(guān)參數(shù)相結(jié)合，因開采作業(yè)不具備較好的環(huán)境，因此其控制系統(tǒng)必須具備高效、安全的特點，通過實施有效的冗余控制，控制系統(tǒng)的高效性將會得到極大提升。本文以冗余控制技術(shù)為基礎(chǔ)，對綜采作業(yè)面的智能化監(jiān)控體系進行研究。在設(shè)計的過程中，必須對現(xiàn)場所使用的設(shè)備狀況、作業(yè)環(huán)境等產(chǎn)生的影響進行充分的考慮，通過運用軟冗余的方法來加強各個設(shè)備之間的通訊。

圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)組成

1 監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

該智能化監(jiān)控體系的構(gòu)成主要分為3部分，分別為現(xiàn)場控制層、應(yīng)用設(shè)備層和企業(yè)管理層，如圖1所示，作為煤礦智能化監(jiān)控體系，綜采工作面智能化監(jiān)控體系已使用虛線標出。在該系統(tǒng)中，企業(yè)管理層與現(xiàn)場控制層的連接是利用工業(yè)以太網(wǎng)所實現(xiàn)的，不僅要具備較快的傳輸速度，而且要具備較長的傳輸距離，必須與煤礦企業(yè)的生產(chǎn)需求相適應(yīng)。現(xiàn)場控制層對各個PLC主站的監(jiān)控是利用工業(yè)以太網(wǎng)所實現(xiàn)的，各個PLC主站運用PROFIBUS-DP來實現(xiàn)各個從站設(shè)備的控制，該工作面不具備較好的環(huán)境，且對通信要求較高，因此必須采用冗余控制的方法來配置主、備雙PLC控制體系[1]。一般情況下，若冗余網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造有著較頻繁的使用率，其所具有的總線型就較為可靠，因此該作業(yè)面可以運用總線型來設(shè)置冗余系統(tǒng)的構(gòu)造。作為DP主站，主PLC中對綜采工作面進行監(jiān)控的各個設(shè)備，如破碎機、采煤機、液壓支架等，三機語言通信體系、視頻監(jiān)控體系等與現(xiàn)場控制層的通信都是利用工業(yè)以太網(wǎng)所實現(xiàn)的。主PLC控制體系所發(fā)揮的主要功能是對傳感器的各種數(shù)據(jù)信息進行收集，對各個設(shè)備，加以控制，使其順利完成煤炭開采及運輸?shù)墓ぷ鳎⒗霉I(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳遞到現(xiàn)場控制層，綜采工作面的三機語言通信體系和視頻監(jiān)控體系也是利用工業(yè)以太網(wǎng)來將信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場控制層的，促使視頻、語音和數(shù)據(jù)實現(xiàn)了完美的融合。應(yīng)用設(shè)備層與上級監(jiān)控主站間的信息連接是利用工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)的，可以極大規(guī)避信息孤島的產(chǎn)生。

企業(yè)管理層位于地面之上，通過使用地面上面的主機來嚴格監(jiān)控開采作業(yè)的進度，同時配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫來進行儲存和記錄。對于作業(yè)的進度狀況，服務(wù)器可以將其及時傳輸?shù)郊瘓F內(nèi)部，就算集團與開采現(xiàn)場之間存在著較遠的距離，也可以確保總部及時充分地掌握工作面的開采狀況。

現(xiàn)場控制層處于礦井下巷道之內(nèi)，其與企業(yè)管理層所進行的通信主要依靠工業(yè)以太網(wǎng)所實現(xiàn)。現(xiàn)場控制層與綜采工作面相隔離，作業(yè)人員對礦井開采狀況的監(jiān)控可以通過控制層的工作人員來實現(xiàn)，利用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來改善主站PLC的程序。利用以太網(wǎng)來完成主站及備站的PLC之間的通訊工作。

應(yīng)用設(shè)備層所發(fā)揮的功能主要是對該工作面的各個數(shù)據(jù)信息進行收集及認真落實各個決策信息。其中所需要采集的數(shù)據(jù)主要有作業(yè)面環(huán)境的監(jiān)測、作業(yè)安全性的監(jiān)測等等；決策信息的實施需要對開采、運輸、掘進及探測等設(shè)備進行控制。

2 冗余系統(tǒng)的硬件設(shè)計

綜采工作面所構(gòu)建的冗余控制體系的框架如圖2所示。在DPZ主站所建立的冗余系統(tǒng)中，主要采用57-300型PLC作為主PLC，同時加設(shè)相關(guān)型號的以太網(wǎng)通信板塊，利用該板塊來完成其與上位機的連接[2]。DP主站中PLC所發(fā)揮的作用是接收各個從站向其傳輸?shù)膫鞲衅餍畔ⅲ⒆龀鲇行У臎Q策，之后再將與決策相關(guān)的信息傳遞至各個DP從站中，以嚴格控制現(xiàn)場的開采設(shè)備；同時將煤炭開采狀況傳輸?shù)缴霞壷髡局校绗F(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控信息、傳感器的信息等等，并對其進行有效地監(jiān)控與記錄。DP從站主要存在兩種形式，分別為非智能和智能，智能從站的作用是對作業(yè)進行有效控制；非智能從站所發(fā)揮的功能是向主站傳遞各個信息數(shù)據(jù)，同時依據(jù)主站內(nèi)部的決策信息來實施傳輸。非智能從站對信息加以控制的方式為分布式I/O輸入及輸出；智能從站可以基于主站的相關(guān)參數(shù)利用變頻器來對電機所具有的功率和速度進行調(diào)整。各個從站的構(gòu)成板塊主要有1個電源板塊、2個IM153-2接口板塊及許多I/O板塊。在實際生產(chǎn)及冗余控制系統(tǒng)正常運作的過程中，備PLC將會對主PLC的運行狀態(tài)加以實時監(jiān)測，當(dāng)主PLC及其從站板塊產(chǎn)生故障的時候，備PLC將會取代主PLC來繼續(xù)運行[3]。

在冗余系統(tǒng)中，各個從站所進行的組態(tài)工作主要是依靠自身控制及檢測的對象來完成，針對生產(chǎn)中所運用的核心設(shè)備，該監(jiān)控系統(tǒng)中所安裝的從站主要包括以下幾種。

（1）液壓支架控制從站，該從站所發(fā)揮的作用主要是對電液進行有效控制，對其所處姿態(tài)進行有效調(diào)整，同時開展精確檢測。

（2）災(zāi)害檢測預(yù)警從站，該從站的功能是對液壓支架及護幫板所具有的壓力進行監(jiān)測，對其中存在的一些災(zāi)害問題進行及時預(yù)警。

（3）采煤機從站，主要是對采煤機的一些基本性操作進行有效的控制，如啟動、運行等，同時也可以對采煤機的傾斜角度、滾筒的高度進行有效地監(jiān)測[4]，完成采煤機的數(shù)字及記憶截割。

（4）刮板輸送機從站，在該從站中設(shè)置有EM277通訊擴展單元，將變頻器作為總線的智能從站，對破碎機、轉(zhuǎn)載機等設(shè)備的轉(zhuǎn)速及功率進行調(diào)節(jié)。

（5）綜合供液系統(tǒng)從站，該從站可以對泵站進行智能及變頻控制，同時對其運轉(zhuǎn)的實際狀況進行檢測。

（6）在開采工作的實際進展中，安全檢測從站中工作面極易發(fā)生危險事故，例如瓦斯的爆炸、煤炭的自燃等，應(yīng)當(dāng)與礦井下實際生產(chǎn)條件相結(jié)合，配置多個非智能化從站來檢測開采作業(yè)所處的環(huán)境，必要之時需要配備相應(yīng)的防火裝置。

圖2 冗余系統(tǒng)組成

圖3 冗余系統(tǒng)運行過程

3 冗余系統(tǒng)的軟件設(shè)計

（1）軟冗余系統(tǒng)的工作過程

軟冗余系統(tǒng)的構(gòu)成主要分為兩類，分別為主、備PLC系統(tǒng)。在工作的過程中，CPU、通信總線與電源三者彼此獨立，互不干涉。當(dāng)主、備PLC同時運作的過程中，這個程序?qū)⑼瑫r具備冗余和非冗余兩種程序，當(dāng)運行至冗余程序的時候，此時僅僅有主PLC會運行該程序，而備PLC則直接越過該程序，同時將主PLC中形成的各個數(shù)據(jù)進行接收[5]。圖3所示為主、備PLC系統(tǒng)中的實際運行過程。當(dāng)主PLC系統(tǒng)中的某個部件出現(xiàn)故障，控制工作將會自行轉(zhuǎn)換到備PLC系統(tǒng)中，并對監(jiān)測狀況加以備份，此時，備PLC將會升級為主PLC。這種轉(zhuǎn)換主要包含了3個部件，分別為通信總線、電源及CPU。除了系統(tǒng)對主、備PLC進行錯誤轉(zhuǎn)換之外，工作人員可以利用設(shè)置控制字的形式來人為切換主、備PLC系統(tǒng)，有利于冗余系統(tǒng)實施硬件檢修與調(diào)節(jié)[6]。

（2）軟冗余系統(tǒng)的程序設(shè)計

在對其程序進行設(shè)計的過程中應(yīng)當(dāng)對冗余和非冗余兩種程序進行充分了解。通常來講，冗余程序和非冗余程序就是生產(chǎn)現(xiàn)場所采取的持續(xù)性和非持續(xù)性的工藝控制[7]。在實際開采的過程中，該工作面需要使用較多的生產(chǎn)設(shè)備，且各個設(shè)備之間存在較多的交叉作業(yè)，因此，其必須采用合理的操作順序、具備較高的精確性和較快的響應(yīng)速度。在實際開采的過程中，冗余程序可以選用“三機”的控制次序，非冗余程序可以采用安全防護、供液體系控制等。一般情況下，可以將非冗余程序和冗余程序分別編入到OB1和OB35之中[8]。由于在執(zhí)行冗余程序的過程中，應(yīng)當(dāng)對現(xiàn)階段所采用的PLC進行精確判斷，明確其是否為主PLC，因此OB35可被分為4個部分：

CALL FB 101,DBS//啟動系統(tǒng)的冗余數(shù)據(jù)同步功能。

DB WORD N0:=DB1

CALL POSITION:=TRUE

RETURN VAL:=MW6

EXT TNFO:=MWR

CALL FB 101，DBS//啟動系統(tǒng)的冗余數(shù)據(jù)同步功能U DBS.DBX 9.1//得到并分析狀態(tài)字，若當(dāng)前為備PLC.則跳過冗余程序SPB M001

{Redundant program//冗余程序段，包含應(yīng)用程序以及通信程序}

CALL FB 101,DBS//停ih：系統(tǒng)的冗余數(shù)據(jù)同步功能。

DB WORD N0:=DB1

CALL POSITION:=FALSE

RETURN VAL:=MW10

EXT INFO:=MW12

CALL FB 101,DBS//啟動系統(tǒng)的冗余數(shù)據(jù)同步功能。

DB WORD N0:-DB1

CALL POSITION:-TRUE

RETURN VALMW6

EXT TNFO:-MWR

CALL FB 101，DBS//啟動系統(tǒng)的冗余數(shù)據(jù)同步功能U DBS.DBX 9.1//得到并分析狀態(tài)字，若當(dāng)前為備PLC.則跳過冗余程序SPB M001

{Redundant program//冗余程序段，包含應(yīng)用程序以及通信程序}

CALL FB 101,DBS//停ih：系統(tǒng)的冗余數(shù)據(jù)同步功能。

最后，分別在主、備PLC系統(tǒng)中下載硬件組態(tài)的結(jié)果及控制程序，以實現(xiàn)綜采作業(yè)面的冗余控制系統(tǒng)設(shè)計。

4 結(jié)束語

本文在綜采作業(yè)面的智能監(jiān)控體系中納入西門子S7-300系列的PLC軟冗余技術(shù)，該系統(tǒng)的構(gòu)成主要有主、備PLC兩套控制系統(tǒng)，一套是主PLC，其所發(fā)揮的作用是對分布式I/O、智能從站加以控制；一套是備PLC，當(dāng)主PLC產(chǎn)生問題的時候，備PLC將升級為主PLC，并取得控制權(quán)，以持續(xù)開展監(jiān)控工作。由于總線型冗余系統(tǒng)具備較強的可靠性，因此極大提升了智能監(jiān)控系統(tǒng)的有效性及穩(wěn)定性。