基于PLC的采煤機運行監測系統研究

張 興

（晉能控股煤業集團塔山煤礦公司，山西 大同037003）

煤炭作為我國主要能源物資其安全生產至關重要，采煤機作為煤礦開采、運輸的重要組成部分，其安全穩定運行對生產活動的高效穩定開展具有重要意義。然而煤礦井下環境復雜，采煤機在運行過程中產生的震動和沖擊增大了系統安全穩定運行的風險，因此需要設計一套運行狀態監測系統，對系統運行電壓、電流、溫度、振動等關鍵參數進行測量，并實現節點狀態遠程顯示和預警功能，幫助維修人員進行故障快速定位和檢修。考慮到PLC（可編程邏輯控制器）具有運行穩定和抗干擾能力強等特點，因此選用PLC 作為系統控制核心。

1 采煤機系統運行原理

采煤機長期工作在煤礦井下封閉環境的綜采工作面當中，主要由液壓部分、截割部分、牽引部分和其他部分組成。其中液壓部分主要完成采集過程中搖擺臂的控制等；截割部分主要完成較大煤塊的切割工作；牽引部分主要負責根據截割部分的運行狀態調節整體運行速度，當切割阻力較大時，降低運行速度，反之增加運行速度。上述各個部分相互協作完成煤礦的切割、采集和落煤的運輸工作。

2 監控系統整體設計

為實現用戶對煤礦井下采煤機運行狀態的監控，設計了監控系統，見圖1。全系統分為井下和地面兩部分，主控裝置為型號S7-200 的PLC。

圖1 采煤機監控系統整體設計

各個傳感模塊在采煤機重要部位安裝完畢后，可以在其采集終端CPU 的控制下實現對采煤機被監測部位溫度及加速度的測量，并經IIC 總線傳輸至CPU，經處理后由無線傳輸模塊通過專用ZigBee 網絡傳遞給網絡協調器，并經協調器由RS232 標準信號傳遞給PLC。PLC 將各個傳感模塊的監測數據、RS485 數據總線的電流電壓傳感模塊數據等進行匯總分析后，實現異常狀態信號輸出，并將信息經過RS485 總線傳遞給地面系統，由地面上位機和分析軟件實現對井下監測數據的顯示和分析。

3 系統硬件電路設計

3.1 CPU選擇及溫度傳感電路設計

為適應煤礦井下安全生產，降低系統運行電流提高反應能力，在采煤機監測終端采用MSP 430F149 單片機作為其主控CPU，其精簡指令集能夠提高運行速度，低功耗模式可以有效提高系統在煤礦特殊環境下的使用的安全性。為實現采煤機關鍵部位的溫度測量，選擇寬范圍高精度溫度傳感器LM75A 并設計其外圍電路見圖2，該傳感器地址信息設置為0。LM75A 可以實現-55℃～+125℃范圍內的溫度測量，測量精度為0.125℃；利用IIC 總線可以實現對該芯片的寄存器控制從而完成測量模式轉換，也可以實現溫度數字信號傳輸。

IIC 總線作為一種雙向串行數據總線，其網絡結構見圖2，主機通過地址信號區分從機。通過對SDA、SCL 兩條總線的電平的控制，可以實現地址識別和信息傳遞，空閑時兩總線為高電平。同時為實現振動及加速度信息測量，使用ADXL345 傳感器實現信號采集傳輸，并加入IIC 總線網絡。

圖2 LM75A 溫度傳感電路與IIC 網絡結構

3.2 ZigBee通信網架設計

由于煤礦井下采煤機處于持續運行移位當中，傳統有線傳輸方式存在導線破損和數據衰減的風險，因此采用成本低廉、安全可靠、網絡靈活、傳輸距離較遠、功率損耗較小的ZigBee 無線傳輸方式成為最優選擇。ZigBee 網絡由眾多節點組成，見圖3。其網絡結構有樹形、星形等多種形狀。其中樹形網絡結構較為復雜、穩定性高但其成本較高；星形網絡雖然不穩定，但呈現出中心輻射特點，結構簡單、成本較低的特點。結合采煤機生產實際選擇星形連接方式作為本系統的結構，同時通過硬件裝置和軟件流程的方法，保證中心協調器的工作性能從而提高其穩定性。同時ZigBee 網絡主要由物理層、MAC 層、網絡層和應用層組成，各個節點和協調器均應符合有關層級功能的規定，確保數據穩定傳輸。

圖3 ZigBee 網絡結構及數據幀結構

4 軟件系統設計

4.1 傳感模塊工作流程

為實現對采煤機關鍵部位的溫度測量，設計了如圖4所示的傳感模塊工作流程，并對其采集終端CPU-低功耗單片機MSP430F149 進行編程。

圖4 傳感模塊工作流程

在完成設備初始化之后，系統控制ZigBee 收發模塊CC2530 搜尋目標網絡，當完成網絡尋找后，申請加入并進行網絡綁定。系統完成網絡綁定之后，開始進行LM74A 環境溫度測量和ADXL345加速度測量，并啟動定時裝置，完成目標數據幀的定期發送，在完成發送之后進行判斷，若網絡斷開則停止發送過程，流程結束。在采集終端完成溫度加速度信息采集后，由PLC 核心控制部分實現數據傳輸與輸出，從而實現井下和地面數據的實時更新，確保監測數據準確無誤。

4.2 監測系統顯示界面設計

為實現對采煤機運行狀態的持續監測和直觀顯示，并進行狀態預警等工作，利用上位機軟件，繪制實現的采煤機運行監測系統界面見圖5。全界面共分為功能菜單、數據曲線和節點狀態三大部分，其中功能菜單部分實現含有節點標志、時間等信息在內的數據保存功能、歷史數據查詢功能、采集周期及傳輸參數設置功能及后臺系統維護賬號登陸功能；除此之外還可以顯示當前時間和設置功能分區的開關狀態；數據曲線部分可以實現特定時間段、特定節點的溫度和加速度曲線，以便直觀觀察數據變化情況；節點狀態部分可以實現多個節點的當前狀態，全節點共分為初始狀態、正常狀態、告警狀態和報警狀態等4 個狀態。通過功能菜單的設置按鈕可以在一定范圍內對以上各個狀態的閾值和變動范圍進行設置，以適應不同節點參數的變化情況，從而更直觀地掌握采煤機各個關鍵部位的電壓、電流、加速度及溫度信息，做到全方位的監測。

圖5 系統顯示界面設計

5 結語

本文主要根據煤礦井下采煤機實際運行狀況設計了基于PLC 的運行監測系統。在MSP430 單片機的控制下各個采集終端完成溫度和振動信號的采集并通過ZigBee 無線局域網實現移動過程中的數據傳輸，解決了傳統有線傳輸方式帶來的問題；同時，控制核心PLC 將收集到的信息進行處理傳遞給上位機，實現節點數據顯示和預警功能，對提高采煤機系統安全穩定運行，增強故障查找和維修效率，確保煤礦安全高效生產具有重要意義。