采煤工作面裝備智能化控制系統(tǒng)的設(shè)計及其實踐應(yīng)用 *

張二平

(霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司 方山店坪煤礦，山西 呂梁 033102)

0 引 言

煤炭資源是我國整個能源結(jié)構(gòu)體系中的重要構(gòu)成部分，我國是名副其實的煤礦大國，每年都要開采大量的煤炭資源，以順應(yīng)人們生產(chǎn)生活的基本需要[1]。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，煤炭領(lǐng)域的科技水平也有了顯著提升，當前階段煤礦綜采工作面中的裝備基本實現(xiàn)了機械化和自動化[2-3]，但距離裝備的智能化控制仍有很大的差距。當前階段，礦井中每個采煤裝備相當于一個信息孤島，裝備之間并沒有建立聯(lián)系，幾乎沒有數(shù)據(jù)信息的交互，裝備之間工作狀態(tài)的協(xié)調(diào)性較差，這在一定程度上制約了采煤效率的進一步提升[4-5]。因此，采取措施建立采煤工作面裝備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)工作面裝備的聯(lián)動控制是采煤行業(yè)面臨的重大問題[6]。筆者結(jié)合煤礦工作面裝備的實際情況，設(shè)計研究了工作面裝備智能化控制系統(tǒng)，并分析了系統(tǒng)的實踐應(yīng)用效果。

1 裝備智能化控制系統(tǒng)整體方案

如圖1所示為采煤工作面裝備智能化控制系統(tǒng)整體框圖。由圖可知，整個智能化控制系統(tǒng)涉及到多方面的內(nèi)容，但最為重要的部分是PLC智能控制柜、各類傳感器、變頻器及采煤裝備控制箱或控制器等，此外還包括移動終端、PC客戶端和服務(wù)器等。各個硬件設(shè)施與PLC控制柜之間通過RS485通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互，而PLC控制柜與數(shù)據(jù)服務(wù)器、各個終端之間則通過煤礦環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交換。為適應(yīng)不同的工作場景，控制系統(tǒng)共有三種控制模式，分別為遠程控制、就地控制和檢修控制，正常工作時主要使用遠程控制。

圖1 采煤工作面裝備智能化控制系統(tǒng)整體框圖

利用智能化控制系統(tǒng)對采煤裝備進行控制時，需要實現(xiàn)與各裝備之間的數(shù)據(jù)通訊。在建立通訊連接時有兩種方式可供選擇：其一，通過搭接數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；其二，通過通訊協(xié)議，直接基于設(shè)備的通訊地址來讀取相關(guān)數(shù)據(jù)信息。具體選擇何種通訊方式需要充分結(jié)合實際情況來確定。通過建立與各裝備的通訊，可以對裝備運行狀態(tài)參數(shù)進行實時監(jiān)測，并控制裝備的啟動與停止操作。對于部分重要的裝備，比如采煤機、刮板輸送機、皮帶機等目前都實現(xiàn)了變頻調(diào)速控制，因此還需要對其運行過程中的電流和電壓值進行監(jiān)測，具體操作時只需要對變頻器、組合開關(guān)柜等元器件的電力參數(shù)進行監(jiān)測即可。所有傳感器檢測得到的數(shù)據(jù)信息，全部傳輸?shù)絇LC智能控制柜中進行分析與處理，是實現(xiàn)工作面裝備智能化控制的基礎(chǔ)。

2 PLC智能控制柜的設(shè)計研究

對于智能化控制系統(tǒng)而言，PLC智能控制柜是最為關(guān)鍵的部分，其運行過程的質(zhì)量和效率對整個智能化控制系統(tǒng)有決定性的影響，因此以下針對該部分內(nèi)容，從硬件和軟件兩個層面進行詳細介紹。

2.1 PLC智能控制柜硬件設(shè)計

圖2所示為PLC智能控制柜的現(xiàn)場圖。從圖中可以看出，智能控制柜內(nèi)部包含有多個部分的內(nèi)容。CPU是PLC智能控制柜的“大腦”，選用的是西門子公司生產(chǎn)研制的S7-1200型，該型號控制器具有體積小、組合方便、操作簡單等綜合優(yōu)勢，且性能優(yōu)越，完全能夠滿足智能化控制系統(tǒng)的實際使用需要；I/O模塊的作用是實現(xiàn)控制柜數(shù)據(jù)的輸入和輸出，結(jié)合實際需要，智能控制柜中選用的I/O模塊主要包括AI 8×13BIT和AI 8×RTD，數(shù)量分別為2個，后期也根據(jù)需要再添加；井下可以提供的電源為AC 127V，但PLC智能控制柜中主要元器件的供電電壓絕大部分為DC 24V及以下。選用西門子公司生產(chǎn)的PS307-5A電源模塊對電壓進行轉(zhuǎn)換，利用該模塊可以將AC 127V的電壓轉(zhuǎn)換成為DC 24V、DC 12V和DC 3.3V的電壓以供各元器件使用。此外，該電源模塊還有斷路、短路保護以及防爆功能。

圖2 PLC智能控制柜現(xiàn)場圖片

2.2 PLC智能控制柜軟件設(shè)計

對于PLC智能控制柜而言，硬件是實現(xiàn)各種功能的基礎(chǔ)，而軟件則是實現(xiàn)這些功能的靈魂。由于系統(tǒng)中選用的是西門子公司的S7-1200型控制器，所以在編寫軟件程序時，同樣需要使用西門子公司旗下的STEP7平臺。在該平臺上可以編寫實現(xiàn)智能控制柜各項功能的程序，在該平臺上還可以對程序進行調(diào)試，以便發(fā)現(xiàn)程序中存在的問題并及時進行改正。如圖3所示為軟件程序中對數(shù)據(jù)處理的大致流程圖。PLC控制器對各類傳感器傳入的數(shù)據(jù)信息進行分析后，可以判斷工作面裝備的運行狀態(tài)，比如可以知道裝備是否空載、帶載、過載、故障等。軟件程序還可以根據(jù)實時監(jiān)測結(jié)果，繪制各個裝備關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的變化過程，并將其傳入數(shù)據(jù)服務(wù)器中，PC終端和移動終端可以實時查看。

3 本安型就地操作箱的選型與設(shè)計

采煤工作面裝備智能化控制系統(tǒng)除了能夠進行遠程控制外，還可以進行就地控制、檢修控制。因此系統(tǒng)中還設(shè)置了就地操作箱，由于操作箱是在礦井內(nèi)部使用，因此相關(guān)的元器件都必須是本質(zhì)安全型。操作箱中設(shè)置有1個控制模式轉(zhuǎn)換開關(guān)，可以在遠程控制、就地控制、檢修控制三種模式之間進行切換。還設(shè)置有多個控制按鈕，主要是對工作面采煤裝備的運行情況進行手動操作控制。另外，還配備有1個7寸的觸摸顯示屏，作用是對各個裝備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息等進行顯示，還可以指示通訊狀態(tài)、電源狀態(tài)等。觸摸顯示屏的具體型號為KC01-70T，該型號觸摸屏在煤礦中有很多應(yīng)用，具有很好的防爆性能，需要通過DC 12V的電源對其進行供電。

4 智能化控制系統(tǒng)的實踐應(yīng)用效果分析

將設(shè)計的采煤工作面裝備智能化控制系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦工程實踐中，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用效果顯著。主要從兩個方面對其實踐應(yīng)用效果進行中重點闡述：

(1) 提升了采煤工作面的智能化水平。建立了基于采煤工作面主要裝備的信息化平臺，平臺可以對采煤裝備的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進行收集、存儲，進而實現(xiàn)采煤裝備的智能化控制。裝備智能化控制系統(tǒng)的實踐應(yīng)用顯著提升了工作面的智能化水平，提升了礦井的市場競爭力。

(2) 促進了采煤效率的提升。智能化控制系統(tǒng)建立了工作面主要裝備之間的良性聯(lián)系，裝備之間的數(shù)字信息可以實現(xiàn)共享，突破了以往的裝備數(shù)據(jù)孤島問題。在智能化控制系統(tǒng)的作用下，各裝備之間能夠更加協(xié)調(diào)的工作，從而促進工作面采煤效率的提升。另外，系統(tǒng)還可以對裝備的過載問題進行實時檢測，顯著降低了裝備的故障率，為煤礦企業(yè)節(jié)省大量的維護保養(yǎng)成本。同時也提升了采煤工作面的安全水平。

總而言之，工作面采煤裝備智能化控制系統(tǒng)的實踐應(yīng)用，為礦井創(chuàng)造了良好的社會效益和經(jīng)濟效益，可以為其他煤礦企業(yè)提供很好的借鑒。

5 結(jié) 語

隨著采煤技術(shù)的不斷發(fā)展，采煤工作面裝備的智能化控制是未來發(fā)展的必然趨勢。在充分結(jié)合煤礦實際情況的基礎(chǔ)上，對工作面裝備的智能化控系統(tǒng)進行設(shè)計研究。該系統(tǒng)可以通過各類傳感器對工作面中的主要裝備，比如采煤機、刮板輸送機、帶式輸送機、轉(zhuǎn)載機等的運行狀態(tài)信息進行實時采集，并利用PLC智能控制柜進行綜合分析。打破了傳統(tǒng)的裝備之間的數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)了裝備數(shù)據(jù)的共享與互聯(lián)互通。基于智能化控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)裝備工作狀態(tài)的協(xié)調(diào)控制。系統(tǒng)的實踐應(yīng)用不僅提升了工作面的智能化水平，還為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。