礦井掘進機在線監測監控系統的設計與應用

郭鑫彤

(西山煤電股份有限公司 西銘礦，山西 太原 030052)

0 引言

掘進機是礦井巷道掘進的重要設備，目前，隨著煤礦生產規模的不斷擴大以及綜采面掘進速度的不斷加快，從而對掘進機的掘進效率和安全保障提出了更高的要求。煤礦井下生產環境復雜惡劣，作為核心的采掘設備，掘進機在采掘過程中會存在以下隱患：①采掘過程易受礦井環境干擾，加上掘進機運行時自身受強烈振動，極易損壞而造成事故；②目前，綜采面大部分仍然采用人工手動的控制方式控制掘進機推進，工作人員必須常駐現場，其生命安全遭受諸多因素的威脅，如粉塵濃度過高、工作面瓦斯泄漏或者掘進機自身原因等[1，2]。因此，對掘進機進行全方位在線監測監控非常有必要，不僅可以保障井下工作人員的生命安全，還將會提高礦井生產自動化水平和生產效率。

本文針對懸臂式掘進機設計了一套基于PLC和CAN總線通信的在線監測監控系統，通過地面監控平臺和井下上位機可對掘進機的工作過程進行全方位、全生命周期的動態監測監控，為工作人員掌握現場情況和實現遠程遙控提供了數據參考。

1 掘進機在線監測監控系統架構

圖1為礦井掘進機在線監測監控系統的整體架構。系統包括地面監控平臺、以太環網、視頻監控單元、傳感器監測單元、井下監控主機、聲光報警裝置、液晶顯示屏、微控制器和CAN總線通信模塊等。地面監控平臺由地面主機、地面監視器等組成，負責對井下上傳的數據進行遠程顯示、存儲、報表生成、打印等；視頻監控單元由隔爆攝像機、視頻光端機、隔爆監視器組成，隔爆攝像機需要安裝在掘進機不同部位，以視頻畫面的方式對掘進機及相關設備的運行狀態、周圍環境狀況進行監測，并通過視頻光端機顯示在隔爆監視器上供工作人員指揮調度；傳感器監測單元由多種類型的礦用傳感器組成，可以對掘進機的電機溫度及電流、綜采面瓦斯濃度、液壓系統油溫油壓及油位、機身姿態等信息進行在線監測，為工作人員的遠程控制提供信息參考；聲光報警裝置用于故障超限報警；液晶顯示屏用于顯示傳感器監測數據；微控制器與井下上位機之間通過CAN總線方式進行通信；隔爆監視器、井下監控主機與地面監控平臺之間通過工業以太網進行通信。

圖1 掘進機在線監測監控系統整體架構

2 硬件方案設計與選型

2.1 微控制器選型

根據系統所要實現的功能要求，在滿足監控功能的前提下，考慮擴展性、性價比，系統微控制器選用了SIEMENS公司的SI-PLUS S7-300系列PLC[3]。中央處理單元采用CPU312C，通信模塊采用CP340-RS485模塊。系統需要采集的模擬量信號皆來自于傳感器，包括溫度、壓力、位移、傾角、振動等信號，系統采用模擬量輸入模塊SM331作為傳感器與PLC對接的橋梁，其作用是將傳感器模擬信號轉換為PLC內部能處理的電平信號。

2.2 CAN總線通信電路設計

系統中PLC微控制器與井下監控主機之間通過CAN總線方式進行數據雙向傳輸。由于PLC沒有直接的CAN總線接口，故需要設計RS485轉CAN總線電路[4]。圖2為CAN總線通信電路構成示意圖。井下上位機與CAN總線通信需要一個USB-CAN接口卡，系統選型為CANalyst-Ⅱ；同時PLC上需要接一個RS485通信用特殊用適配器，作為RS485通信通道，具體型號為FX3U-485ADP-MB，該適配器與FX系列PLC配套。最后，兩者之間外接一個CAN-RS485轉換器，即可實現PLC與井下上位機的CAN總線通信，CAN-RS485轉換器具體型號為CANCOM-100IE。

圖2 PLC與上位機之間CAN總線通信電路構成示意圖

2.3 傳感器監測單元設計與選型

掘進機上的傳感器監測單元包括溫度傳感器、油壓傳感器、電流互感器、傾角傳感器和位移傳感器等。

(1) 傾角傳感器：采用LE-60型傾角傳感器對掘進機機身姿態進行監控，包括水平偏角、橫滾角和俯仰角等。

(2) 位移傳感器：采用WY-DC-800L型位移傳感器，3只安裝于截割臂伸縮油缸、截割臂升降油缸、水平回轉油缸處，用于檢測掘進頭部的空間位置信息；2只安裝于鏟板油缸與后支撐油缸內，用于測量前鏟板與后支撐的具體伸縮狀況。

(3) 溫度傳感器：采用JCJ100TLB型溫度傳感器，3只安裝于升降、水平回轉、鏟板處的油缸，對其溫度狀態信息進行檢測，用于故障的分析與診斷；采用鉑電阻PT100溫度傳感器安裝于電機繞組的三個相位和軸承支座中，對電機溫度進行測量。

(4) 電流傳感器：采用GAV-200/1140型礦用隔爆型電流傳感器，將其安裝于掘進機的各類電機上，用來檢測電機的電流狀態。

(5) 油壓傳感器：采用KYB1018薄膜型壓力傳感器，用來進行油缸壓力的檢測。

(6) 振動傳感器：采用KGS18型振動加速度傳感器，將其安裝于掘進機機身上，用來檢測掘進機的振動頻率。

2.4 視頻監控系統設計與選型

視頻監控單元由隔爆攝像機、視頻光端機和隔爆監視器組成。其中，采用6臺隔爆攝像機對掘進機進行全方位的視頻監測。將4臺攝像機安裝于掘進機前方，負責對鏟板和掘進頭部的具體運行狀態進行監控；將另外2臺攝像機安裝于機身上方和后下方，負責對掘進機整體和第一運輸機的運行狀態進行監控。6臺攝像機均采用有線傳輸的方式，通過視頻光端機將模擬視頻信號轉換為光信號，利用光纖將視頻畫面最終顯示在隔爆監視器上[5]。

3 井下上位機監控軟件方案設計

井下上位機組態軟件是工作人員與PLC微控制器進行雙向交互的媒介。本系統采用KingView 6.5組態軟件對掘進機遠程監控軟件進行了全面開發。通過曲線控件可以對傳感器數據進行曲線顯示，通過“圖庫精靈”可快速搭建各個界面的組成內容[6]。圖3為礦井掘進機在線監測監控系統監控平臺架構圖。整個監控平臺由權限登錄界面、監控主界面、參數設置界面、實時報警界面、歷史報警界面、位姿糾正界面、查詢設備故障界面、報表生成打印界面、歷史曲線顯示界面和實時曲線顯示界面等組成。

圖3 礦井掘進機在線監測監控系統監控平臺架構

4 結論

對掘進機實現全面監控是保障工作人員和掘進機安全生產、實現掘進自動化、提高采掘效率的重要一步。本文設計的基于PLC和CAN總線通信的礦井掘進機在線監測監控系統通過傳感器監測單元可對掘進機不同部位的運轉參數實現監測，并以參數為基礎進行實時故障診斷；通過視頻監控系統可對掘進機整體、一運情況及機體周圍的環境狀況進行視頻監控。系統監控信息以曲線、視頻畫面的形式呈現給工作人員，為實現掘進機的遠程遙控奠定了基礎。該系統不僅提高了掘進機的工作效率和安全系數，同時也是實現自動化掘進的前提條件。