基于PLC 的機電綜采設備狀態監測系統設計及安裝調試技術

彭鳴

（上海筑東機電工程技術服務有限公司，上海 201206）

綜采設備主要包括采煤機、破碎機、刮板運輸機、帶式傳送機等，保證綜采設備始終處于良好工況、維持穩定運行，是確保礦井作業安全、提升企業經濟效益的關鍵。由于礦井作業環境惡劣，加上很多綜采設備長時間高負荷運行，很容易出現故障。因此，必須要利用自動化和信息技術實現對綜采設備狀態的動態監測。設計一款基于PLC 的機電綜采設備狀態監測系統，利用傳感器獲取其運行工況、狀態參數后，經通訊裝置反饋至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備的狀態，為優化設備管理和減少設備故障提供了必要支持。

1 基于PLC 的機電綜采設備狀態監測系統設計

1.1 綜采設備狀態監測系統總體設計

該系統以PLC 作為數據采集核心，利用通信模塊、傳感器實現對綜采面各設備運行參數的實時采集、在線監測。整個系統共包含綜采設備狀態監測裝置和綜采設備狀態監測數據傳輸通道兩大部分。其中，狀態監測裝置又分為4 層，分別是用于破碎機、刮板運輸機、帶式輸送機等設備參數采集的現場采集層，將前端數據反饋給PLC 數據采集箱的數據傳輸層，用于顯示設備狀態和執行指令操作的客戶應用層，以及用于網絡數據發布的網絡應用層。監測數據傳輸通道的網絡布置采用混合模式，主干網絡選擇環型布置，各采區的支線網絡選擇星型布置。數據傳輸流程為：從PLC 控制箱上傳至工作面交換機，用單模光纖將數據從工作面交換機傳輸到中央泵房交換機，再沿著井筒傳輸至地面交換機，最后經地面網絡傳輸至上位機。

1.2 綜采設備狀態監測PLC 控制箱設計

集中控制箱的主要功能是將前端采集、反饋的數據進行統計、分析，并且將數據處理結果上傳給主機，以便于主機自動生成調控指令，或管理人員手動編輯控制指令，實現了機電綜采設備的閉環管理。在集中控制箱設計中，PLC 的選型尤其重要。本系統中選擇西門子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個數字量擴展模塊，完全能夠滿足礦井綜采工作面各類設備運行狀態的監測需要。在PLC 控制箱的通訊模塊，選用了2個RS485 模塊，一主一備，確保現場通訊穩定。考慮到綜采設備和傳感器的種類多樣，因此在PLC 的I/O 口分配上應當支持自定義分配。例如將I0.1 設定為煙霧傳感器、IO.2 設定為堆煤傳感器、IO.3 設定為溫度傳感器等。

1.3 傳感器的選擇

綜采設備中應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，根據監測對象的不同，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器，其結構組成如圖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變化。當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。控制系統會根據輸出電阻的變化，判斷是否需要堆煤。

1.4 數據采集PLC 程序設計

本系統中使用TIA 博途軟件編寫PLC 程序，其程序框架如圖2 所示。

圖2 PLC 程序設計框架

在通訊程序設計中，執行Modbus 通信協議，可用于連接不同類型的網絡設備，并且保證設備之間數據信號的兼容性。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，等到主機發送指令后，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，主機重新發送一次指令。校驗正確后，從機正常執行該指令，將主程序的控制指令分發到各個監測模塊，完成數據統計、狀態監測、故障識別。

1.5 上位機設計

上位機功能主要包括電流電壓顯示功能、畫面展示功能、數據存儲功能、故障記錄功能等。本文基于WINCC 軟件進行上位機設計，采用C/S 架構，可同時支持客戶端訪問和瀏覽器訪問，以適應不同環境下的綜采設備運行狀態監測需求。上位機的軟件架構如圖3 所示。

圖3 上位機軟件架構

利用客戶端上的人機界面，一方面能夠實時展示前端采集到的狀態信息（如電流曲線），方便管理人員隨時了解綜采設備的運行狀態；另一方面還能在人機界面上編輯并發送調控指令。瀏覽器端基于Visual Studio 2018 平臺使用C++開發，在保證網絡連接暢通的情況下可動態監測綜采設備。數據庫采用SQL Server 2019 數據庫，支持“數據庫- 客戶端”和“數據庫- 瀏覽器端”的雙向數據交換，可用于存儲綜采設備運行時的電流、電壓、故障等數據。

1.6 Web 瀏覽器設計

考慮到礦井環境復雜，加上綜采設備的分布比較零散，必須要通過聯網方式實現對綜采設備運行狀態的實時監測、直觀顯示，以便于發生故障后能夠第一時間處理。為滿足上述要求，在系統設計中增加了Web 瀏覽器功能，具體內容如下：（1）登錄界面。展示系統名稱，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，有設備運行監控、采集系統管理、基礎系統管理等。（2）設備運行監控。該模塊主要展示綜采設備的空間配置和實時運行電流。將鼠標放到某個設備上，即可顯示對應的電流、頻率等參數。（3）采集系統管理。可以對采集到的數據按照采集時間、數據來源等進行自動分類。包括礦井名稱、工作面名稱、設備名稱、采集日期等，如圖4 所示。

圖4 數據采集記錄選擇界面

2 綜采設備狀態監測系統的安裝與調試

2.1 系統安裝

在系統安裝前要檢查數據采集箱的防爆性能是否良好，傳感器是否滿足礦區使用要求。另外準備安裝系統所需的材料，如總長度為120m 的1.5mm2雙絞屏蔽線，以及總長度為50m 的工業用網線。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備狀態監測系統。

2.2 現場通訊測試

考慮到礦區環境比較復雜，為保證綜采設備與數據采集箱之間能夠實現可靠、連續的數據傳輸，還需要進行現場通訊測試。測試內容主要包括三方面，即智能開關通訊測試、高壓變頻器通訊測試和皮帶變頻器測試。以智能組合開關通訊測試為例，具體操作方法為：按照綜采設備狀態監測系統的設計要求，由內置PLC 對智能組合開關的啟停狀態，以及溫度、電壓等基本參數進行調控。測試時首先設定通訊參數，例如將串行數據格式設定為“8,E,1”,即8 位數據位，偶校驗模式，1 位停止位；波特率自定義為9600B，從機地址選擇為1。智能組合開關的通訊參數設定完成，將該開關對應的上一級移動變電站停電，然后拆開組合開關，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換器，再將轉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，進行組合開關的通訊測試。

2.3 現場程序調試及運行結果

使用Modsacn 調試軟件依次對設備完成通訊測試并且測試結果顯示通訊正常后，進行現場程序調試。調試流程如下：

2.3.1 參考礦區井下用電標準，選擇127V 電源接入數據采集箱，同時將各傳感器也接入到控制箱的對應端口上。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，如果不在則更改電腦IP 地址，完成連接后將程序下發至前端設備。

2.3.2 完成硬件組態、參數的設定，以及添加變量模塊等操作后，利用下載的PLC 控制程序實現對設備運行狀態的檢測。利用電腦上的博途在線監測軟件，可以直觀地了解被監測設備的參數變化。

2.3.3 將采集到的數據與現場設備的實際數據進行對比，觀察兩組數據是否匹配。如果數據一致，說明該監測系統功能良好。完成程序調試后，把PLC 接入井下交換機，將監測數據經環網反饋給地面接收站。

2.3.4 位于地面接收站的上位機在接收井下PLC 反饋的數據后，根據礦井環網建設情況，對井下數據采集箱分配地址。在本系統中，上位機地址為192.168.0.115，數據采集箱的地址為192.168.0.113。調試結果表明，井下數據可以進環網順利傳輸至地面，系統通訊正常，綜采設備狀態監測功能正常。

結束語

近年來礦井綜采設備因為故障頻發給企業打來了嚴重經濟損失，加強綜采設備狀態監測，實現故障的及時處理，對保障礦區作業的正常進行，以及延長綜采設備使用壽命有積極幫助。通過設計和應用基于PLC 的綜采設備狀態監測系統，代替人工實現了對各類綜采設備的實時監測，并且將監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備的運行狀態，對制定機電設備的維修計劃、開展機電設備的故障排查，以及確保井下采礦作業的順利進行提供了技術支持，具有較強的推廣應用價值。