采煤機智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究

黃 強

（霍州煤電集團有限責(zé)任公司， 山西 霍州 031400）

引言

煤炭綜采工作面的作業(yè)環(huán)境極為惡劣，“少人化”及“無人化”現(xiàn)已成為影響煤礦安全、高效生產(chǎn)的關(guān)鍵[1-2]。采煤機作為煤炭掘進的重要設(shè)備，其自動化水平的高低關(guān)乎煤炭企業(yè)的煤炭產(chǎn)量和效率，必須引起高度重視。智能控制技術(shù)的發(fā)展，使得遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用較為廣泛，并且在應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)取得了很好的應(yīng)用效果，得到了各界的認可[3-5]。智能監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是實時監(jiān)測某設(shè)備的運行狀態(tài)，實現(xiàn)設(shè)備的遠程控制功能[6]。因此，針對某煤炭企業(yè)采煤機對于智能控制系統(tǒng)的需求，開展采煤機智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究工作具有重要的意義。

1 采煤機的工作機理

近年來采煤機械設(shè)備更新?lián)Q代極為迅速，大部分煤炭均實現(xiàn)了綜合機械化水平。采煤機作為綜采工作面的重要組成設(shè)備，其與液壓支架和刮板輸送機一起實現(xiàn)煤炭的掘進工作，如圖1 所示為采煤機的工況。采煤機正常運行時，通過牽引部分的左右輪和刮板輸送機的銷軌嚙合，使得采煤機具有往復(fù)運行的功能，左右油缸伸縮配合工作實現(xiàn)采煤機滾筒高度的實時調(diào)整，以適應(yīng)煤層的波動。進行煤炭掘進時，采煤機前后滾筒分別截割頂煤和底煤，經(jīng)滾筒上的螺旋葉片將截割之后的煤炭裝入刮板輸送機。之后刮板輸送機將煤炭輸送至轉(zhuǎn)載機中，經(jīng)破碎機由橋式轉(zhuǎn)載機將煤輸送到帶式輸送機上，完成綜采工作面的采煤、轉(zhuǎn)運和輸送工作。

圖1 采煤機工作環(huán)境

2 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

采煤機長期工作于潮濕、振動、腐蝕氣體等復(fù)雜環(huán)境中，其監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計要求極高，基于此，監(jiān)控系統(tǒng)劃分為包括機載系統(tǒng)和遠程系統(tǒng)兩部分組成，監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。采煤機監(jiān)控系統(tǒng)主要由機載監(jiān)控系統(tǒng)、順槽監(jiān)控系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)組成，三者之間通過無線通信模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互傳輸。機載監(jiān)控系統(tǒng)通過無線交換網(wǎng)絡(luò)向順槽監(jiān)控系統(tǒng)傳輸控制信號，順槽控制器與地面調(diào)度室控制器之間采用光纖以太網(wǎng)連接。監(jiān)控系統(tǒng)方案技術(shù)先進，涉及分層構(gòu)造、功能成組、數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

3 監(jiān)控系統(tǒng)詳細設(shè)計

3.1 機載監(jiān)控系統(tǒng)

3.1.1 控制器

采煤機機載監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心是控制器，為了滿足監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求，控制器內(nèi)部設(shè)計了信號輸入、數(shù)據(jù)處理、邊界預(yù)測、路徑優(yōu)化、狀態(tài)監(jiān)視、故障處理等模塊。為了適應(yīng)采煤機控制系統(tǒng)惡劣的工作環(huán)境，控制器選擇至關(guān)重要，本系統(tǒng)采用技術(shù)較為成熟的PLC，其具有很好的擴展性能和工作穩(wěn)定性，結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)實際需求，選擇了SIMATIC S7-300 系列PLC。

3.1.2 傳感器

監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息來源于采煤機對應(yīng)位置的各種傳感器，由各種傳感器融合成為完整的傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為監(jiān)控系統(tǒng)提供采煤機實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)涉及的傳感器包括位移傳感器和傾角傳感器，用于采集采煤機行走箱和機身，實現(xiàn)機身的定位；各種電流互感器用于監(jiān)控采煤機左、右截割電機和牽引電機等的電流；各種溫度傳感器用于監(jiān)控采煤機左、右截割電機和牽引電機等的溫度。

3.1.3 交換機

采煤機工作環(huán)境惡劣，涉及潮濕、易燃易爆等，光纜鋪設(shè)極為困難，為了確保采煤機信號傳輸?shù)目煽啃裕捎肕ESH 技術(shù)，設(shè)計本安型無線交換機。本安型無線交換機安裝于液壓支架和順槽頂板的間隔位置，實現(xiàn)兩者之間的信息通訊。新設(shè)計的交換機既能夠?qū)崿F(xiàn)相鄰接點之間的通訊，也能夠跳過實現(xiàn)間隔節(jié)點之間的通訊，交換機正常運行時，即便某個節(jié)點出現(xiàn)通訊故障，也不會危及其他無線網(wǎng)絡(luò)的正常運行，具有很好的冗余性，大大提高了監(jiān)控系統(tǒng)通訊的可靠性。

3.2 順槽監(jiān)控系統(tǒng)

采煤機監(jiān)控系統(tǒng)中的順槽監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)機載監(jiān)控系統(tǒng)與地面監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸，順槽監(jiān)控系統(tǒng)需要布置于煤礦井下工作面中的運輸巷中，既能夠接收采煤機機載控制器及傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，還能夠進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理之后在機載監(jiān)控系統(tǒng)與地面監(jiān)控系統(tǒng)之間進行傳輸通訊，實現(xiàn)采煤機地面監(jiān)控中心遠程監(jiān)測和控制井下采煤機的功能。

3.2.1 集控中心

順槽監(jiān)控系統(tǒng)集控中心包括WinCC 監(jiān)控、虛擬數(shù)字化監(jiān)控、視頻監(jiān)視和無線信息傳輸?shù)饶K，共同完成采煤機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集處理。WinCC 監(jiān)控模塊讀取順槽控制器數(shù)據(jù)使用的是S7 協(xié)議，以便于監(jiān)控人員及時獲取采煤機的運行狀態(tài)信息；虛擬數(shù)字化監(jiān)控模塊能夠使用OPC 訪問順槽監(jiān)控系統(tǒng)控制器PLC 獲取的采煤機運行參數(shù)，基于此虛擬出采煤機的運行動畫，實現(xiàn)采煤機遠程動作的監(jiān)視；相較于傳統(tǒng)的數(shù)字顯示，三維動畫顯示具有很好的直觀效果。

3.2.2 視頻監(jiān)視平臺

采煤機順槽監(jiān)控系統(tǒng)中的視頻監(jiān)視模塊作為智能監(jiān)控系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，借助井下采煤機攝像儀實現(xiàn)采煤機工作狀態(tài)及環(huán)境的畫面監(jiān)視，并顯示于順槽監(jiān)控系統(tǒng)的主控計算機中。監(jiān)控界面具有很好的位置切換性能，根據(jù)監(jiān)控人員的要求獲得采煤機各個位置的運行環(huán)境工況。無線信息傳輸模塊的主要功能是實時輸送采煤機運行狀態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的無線傳輸，包括采煤機的工況信息和視頻信息兩部分內(nèi)容。采煤機視頻監(jiān)測界面如圖3 所示。

圖3 采煤機視頻監(jiān)測界面

3.3 地面監(jiān)控系統(tǒng)

采煤機地面監(jiān)控中心是智能監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，能夠存儲井下采煤機的實時運行數(shù)據(jù)，還能實現(xiàn)遠程控制采煤機運行參數(shù)的功能。監(jiān)控系統(tǒng)地面監(jiān)控中心配置4 臺工控機，使用以太網(wǎng)實時采集采煤機的運行狀態(tài)信息。4 臺工控機分別用于監(jiān)控系統(tǒng)的WinCC 監(jiān)控、虛擬數(shù)字化監(jiān)控、視頻監(jiān)視和無線信息傳輸?shù)饶K的正常運行，實時顯示井下采煤機的運行工況。采煤機地面監(jiān)控系統(tǒng)的運行界面如圖4 所示。

圖4 地面監(jiān)控系統(tǒng)主界面

4 應(yīng)用效果評價

為了驗證采煤機智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的合理性，將其應(yīng)用于某煤礦企業(yè)服役的采煤機中進行試運行，進行為期4 個月的跟蹤記錄。結(jié)果表明，智能監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了采煤機的實時監(jiān)測與遠程控制功能。統(tǒng)計結(jié)果顯示，智能監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，采煤機故障次數(shù)降低了近30%，提高了采煤機近15%的有效工作時間，節(jié)約了綜采工作面設(shè)備運行維護人員2～3 名，降低了煤炭企業(yè)的經(jīng)濟開支和煤炭掘進成本，預(yù)計為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟效益近100萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。