礦井采煤機遠程監控平臺實時驅動運行研究

靳 婷

（晉能控股裝備制造集團金鼎山西煤機有限責任公司， 山西 晉城 048000）

引言

采煤機是綜采工作面的關鍵設備之一，采煤機的工作可靠性直接影響到礦井的經濟效益和安全生產，對采煤機進行遠程監控是實現綜采工作面自動化的必要條件。研究了基于OPC 的數據訪問方法，目前采煤機遠程監控系統采用二維圖形、數據和曲線來顯示其工作狀態，不能再現采煤機的工作狀態，無法滿足采煤機遠程監控的要求[1]。為了再現采煤機的工作狀態，采用虛擬現實技術建立采煤機的虛擬樣機，應用OLE for Process Control（OPC）技術解決采煤機遠程監控虛擬現實平臺與其控制器S7-300 型PLC 通信接口不一致的問題，實現了實時數據交互。研究成果可為礦井采煤機遠程監控新技術的研發提供依據。

1 OPC 監測技術的原理分析

OPC 技術是根據微軟的OLE/COM 規范建立的一種技術標準，它定義了一種標準的數據接口，為工業控制領域提供了數據訪問機制[2]。OPC 主要包括自定義標準和OLE 自動標準接口。前者是一組COM 接口，主要采用C++開發通信程序；后者是一組OLE 接口，主要利用腳本語言來開發通信程序。在開發客戶端應用程序的過程中，自動標準接口比自定義標準接口更簡單，但其操作效率較低。自動標準接口有很高的操作效率，然而它的開發是具有一定困難的。系統利用了OPC 技術實現的實時通信可以應用于工程實踐中。

OPC 規范提供的一般標準實現了服務器和客戶端之間的數據通信[3]。它可以作為監控主機與控制系統下位機之間的數據傳輸通道，連接簡單、方便、靈活。OPC 規范的體系結構如圖1 所示。

圖1 OPC 規范的體系結構示意圖

2 OPC 與S7-300 型PLC 之間的數據通信

傳統的采煤機監控系統通過使用二維圖形、曲線和數據等來顯示其工作參數。這些方法不能滿足煤礦自動化生產的需要，采煤機的工作狀態通過虛擬現實技術得到真實的再現，使得采煤工人能夠對真實的采煤機工作狀態進行估計并遠距離安全操作采煤機[4]。為了實現遠程監控平臺虛擬樣機與采煤機的動作一致性，需要實現遠程監控平臺與S7-300 型PLC 之間的數據訪問方法。

2.1 通信內容的定義

遠程監控虛擬現實平臺獲得了采煤機的工作參數，包括滾筒升降高度、牽引方向和速度、電機溫度、搖臂角度等。采煤機的虛擬樣機是由這些參數及時驅動的。確定了采煤機S7-300 型PLC 中數據塊的參數及其地址，采用OPC 方法進行訪問，如圖2 所示。

圖2 基于OPC 技術的數據通信結構圖

2.2 通信參數的分類

訪問OPC 服務器的大量數據同時會導致服務器阻塞。為了降低OPC 客戶端與OPC 服務器之間的通信壓力，需要根據OPC 客戶端與OPC 服務器之間的交互需求，將采煤機虛擬現實平臺與S7-300 型PLC之間的通信參數劃分為不同的組[5]。

具體有三種交互模式，包括OPC 服務器和OPC客戶端之間的同步、異步和訂閱通信。OPC 客戶端以同步通信的方式請求OPC 服務器，OPC 客戶端得到答案，直到OPC 服務器完成相應的響應。在同步通信中，如果OPC 客戶端與OPC 服務器之間存在大量的數據操作，則不可避免地會出現阻塞現象，因此同步通信適用于OPC 客戶端較少、數據較少的情況。OPC客戶端以異步通信的方式向OPC 服務器發送請求，OPC 客戶端程序不等待OPC 服務器的響應，可以執行其他操作。OPC 服務器會在OPC 客戶端程序完成其他工作后通知它。異步通信比同步通信更有效率，OPC 客戶端發送請求后，不再發送請求，當OPC 服務器組中的數據發生更改時，客戶端的數據將根據更新周期自動刷新。

根據OPC 的不同讀寫方式和不同參數的實時響應要求，將采煤機的參數分為三個部分。采煤機的實時控制參數包括采煤機的起停、左右滾筒的升降、左右變頻器的起停、破碎機構的起停、采煤機的加減速等。這些參數數據量小、實時性要求高，采煤機遠程監控平臺與S7-300 型PLC 采用同步通信方式進行數據傳輸，保證了采煤機遠程監控的安全可靠。

采煤機工況參數包括采煤機搖臂角度、左右液壓缸位移、采煤機滾筒高度、采煤機機身位置、采煤機機身螺距角度、煤層角度、液壓支架數量等。這些參數數據量大，實時性要求高。為了保證采煤機的虛擬樣機與礦井中的真實采煤機具有相同的動作，采用了異步通信，通信速率設置為0.1 s[6]。

采煤機故障及報警參數包括左右牽引電機溫度、左右牽引電機電流、左右截割電機溫度、左右截割電機電流、采煤機氣體濃度、液壓系統流量等。這些參數數據量大，對實時性要求低。當采煤機參數發生變化時，OPC 服務器將變化的參數發送給OPC 客戶端，否則OPC 客戶端中的參數不能更新，大大降低了數據通信和網絡壓力。

2.3 通信程序的設計

基于C#語言的NET 框架用于開發通信程序。因為OPC.SimaticNet 的開發是在COM 平臺上進行的，OPC 技術為其子程序提供了OPCRcwDLL、OPCNETCOM 包裝器和OPCNETAPI。通過將OPC 復雜規范打包到C#類中，可以很容易地實現數據訪問。采煤機遠程監控系統采用C#語言開發客戶端程序，客戶端通過通信程序訪問OPC 服務器，用該程序讀寫采煤機PLC 中的數據，最好根據C#語言的特點，使用自定義接口訪問OPC 服務器。程序代碼的結構如圖3 所示。

圖3 程序代碼的結構圖

3 采煤機遠程監控平臺的開發

本文開發了采煤機遠程監控虛擬現實平臺與采煤機S7-300 型PLC 的讀寫通信接口，遠程監控平臺的顯示參數如圖4 所示。

圖4 通過通信接口在遠程監控平臺中顯示參數

采煤機遠程監控平臺中的采煤機虛擬樣機由采煤機S7-300 型PLC 采集的數據驅動，其工作狀態與礦井中真正的采煤機相同，從而使工人可以根據采煤機虛擬樣機的運動狀態在礦井中操作采煤機。采煤機遠程監控的虛擬現實平臺如圖5 所示。

圖5 采煤機遠程監控虛擬現實平臺

4 結語

采煤機在煤礦中的工作條件十分惡劣，煤礦對采煤機的遠程監控可以減少傳統的監控系統顯示其工作參數不能滿足綜采工作面自動化生產的需要。利用虛擬現實技術重現采煤機的工作狀態，使采煤工人真實感受到采煤機在井下的工作狀態，并通過虛擬現實平臺遠程操作采煤機。為了實現遠程監控平臺虛擬樣機與采煤機的動作一致性，利用OPC 技術，實現了遠程監控平臺與S7-300 型PLC 之間的實時通信。為了解決OPC 服務器通信過程中的阻塞問題，根據不同的實時響應要求對采煤機工作參數進行了分類，有效地改善了通信性能，在C#環境下設計并開發了通信接口。實驗結果表明，基于OPC 技術的通信程序運行可靠，能夠滿足采煤機遠程監控平臺與S7-300 型PLC 實時通信的穩定性、可靠性和同步性要求，實現了采煤機的遠程監控。