基于模塊化總線技術的采煤機自動監控系統設計

中煤科工集團沈陽研究院有限公司 劉雅君

采煤機作為煤礦機械化綜采的主要設備，采用模塊化總線技術對其進行自動監控系統的設計。監控系統采用分布式布置的方式，整體結構分為四層，依據采煤機的工作狀態進行本地控制及遠程控制系統的設計，對其通訊方式進行了描述。采用自動監控系統實現對采煤機的遠程監控及控制，對于提高采煤機的生產效率具有重要的作用，并可提高煤礦的開采效率。

隨著煤礦開采技術的不斷發展，機械化綜采成為我國煤礦開采的主要方式，極大地提高了煤礦的開采效率，對于實現煤礦的自動化開采具有重要的意義。在煤礦機械化綜采的過程中，采煤機是進行采煤作業的主要設備，滾筒式采煤機可依據煤層賦存條件的不同進行結構的調整，實現針對性的開采作業[1]。在采煤機的截割采煤過程中，對采煤機進行運行狀態監控是實現自動無人化開采的重要內容。傳統的采煤機監控系統采用自帶的顯示器進行運行狀態參數的顯示，需要人工進行觀察數據及處理，無法進行自動化及無人化的控制，對采煤機的自動化生產造成了嚴重的限制[2]。針對這一問題，采用模塊化總線的方式，采用上下位機協同作業的形式對采煤機進行自動化的監控，對采煤機的狀態參數進行實時顯示并可進行自動化控制，提高煤礦開采的自動化及無人化水平[3]。

1 采煤機自動監控系統的整體設計

煤礦的機械化綜采中采煤機主要進行煤層的截割作業，依據煤層賦存條件的不同可對采煤機的滾筒直徑及安裝高度進行調整，實現高效的煤層截割。由于井下作業環境較復雜，且工作面含有大量的粉塵等，采煤機帶有供水系統進行降溫及噴水作業，且采用調整油缸的形式進行作業角度的調整，實現在不同傾角工作面的作業[4,5]。

采煤機自動監控系統通過傳感器進行外部環境的探測，將采集到的數據上傳到PLC 中進行數據的匯總及處理，并將數據傳輸至上位機中進行數據的分析，依據所采集到的數據進行控制指令的下發，實現對采煤機的自動化控制[6]。采煤機自動監控系統的整體結構如圖1 所示，系統采用分布式的結構，PLC 采用西門子S7-1200 系列產品，具有較高的穩定性及較快的運行速度，可較快的執行上位機的指令，能夠適應井下復雜的工作環境[7]。上位機采用研華工控機，通過WinCC 模塊化總線技術實現與PLC 的通訊連接，實現數據的上傳及指令的下發，并通過組態設置實現系統的遠程訪問及控制，實現采煤機的遠程無人化控制[8]。

圖1 采煤機自動監控系統的結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the coal mining machine automatic monitoring system

采煤機自動監控系統的整體結構可以分為四層，首先在最底層的是現場設備層，即現場被控制的執行設備，采煤機各位置的電機及各類采集數據的傳感器等[9]。第二層為控制層，即PLC 控制器及變頻器等自動化控制設備，控制層將采集的數據進行匯總處理，依據設定的程序進行采煤機的自動控制，或依據上位機指令進行控制[10]。第三層為控制管理層，即對下位機控制的集中管理層，對采煤機的工作狀態數據進行采集匯總，并歸檔整理形成報表，可控制采煤機的運行狀態。第四層為遠程診斷控制層，即通過網絡通信與上位機實現對采煤機的遠程控制及狀態訪問，并可依據相應的歷史數據進行故障的診斷控制，實現采煤機的無人化自動控制[11]。

2 采煤機自動監控系統本地控制設計

采煤機作為機械化綜采的主要設備，在井下長期惡劣的環境中工作，設備的檢修維護困難，對本地控制系統即現場設備層和控制層的性能及穩定性具有較高的要求。在本地控制系統中，通過PLC 對變頻器進行控制，實現采煤機不同工況下的調速控制，從而保證在工作面上的穩定運行，實現穩定的截割采煤作業。自動監控系統的本地控制主要由PLC、變頻器、本地工控機及采煤機電機、電磁閥及信號檢測系統組成，其控制原理如圖2 所示。

圖2 采煤機本地控制系統原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the principle of the local control system of the coal mining machine

信號檢測系統通過瓦斯、溫度傳感器等進行采煤機工作環境數據的采集，將采集到的數據傳輸至PLC 中，PLC 對數據進行匯總處理，并依據系統設定的程序進行采煤機的控制，對采煤機的牽引電機通過變頻器進行速度的調節，對采煤機截割電機及液壓泵電機通過電氣系統控制，同時對液壓系統的制動閥進行控制，實現采煤機的液壓制動及搖臂的升降控制。

對于雙向截割的采煤機，牽引電機采用主從控制方式，以左牽引變頻器為主，右牽引變頻器為從，主變頻器接收PLC 的控制。PLC 與變頻器之間的通訊如圖3 所示，采用Profibus-DP 總線的形式進行通訊，變頻器采用ABB ACS800 系列產品，以S7-1200PLC 為主站，與從站的主變頻器進行連接，主變頻器對從變頻器進行控制，滿足變頻調速的通訊控制。Profibus-DP 總線是工業上應用廣泛的通信形式，可以滿足分布式的I/O 及控制單元間的高速通訊，一個主站可以向若干從站進行通訊。

圖3 PLC 與變頻器的通訊示意圖Fig.3 Schematic diagram of communication between PLC and inverter

ACS800 變頻器采用Profibus-DP 連接到Profibus總線網絡上，實現對牽引電機控制器進行控制指令的下發，可以發送相應的速度及轉矩控制信號，并可從牽引電機控制器中讀取相應的電機狀態參數信息進行數據的上傳，供PLC 進行數據的匯總處理。

3 采煤機自動監控系統遠程控制系統的設計

對采煤機進行遠程控制即通過系統的控制管理層及遠程診斷控制層實現，控制管理層通過Wincc 與PLC 之間的通訊，進行采煤機狀態參數的顯示，并可對操作人員的指令進行下發。Wincc 組態軟件是基于Windows 的數據采集監控系統軟件平臺，對采煤機的自動化控制具有重要的作用。在Wincc 中可進行控制界面的開發，將PLC 傳輸至上位機的數據進行顯示，便于實時的觀察采煤機的運行狀態，保證運行的安全。

Wincc 與PLC 之間的通訊對監控系統的穩定性具有直接的影響，通訊過程如圖4 所示。Wincc 的數據管理器集成在內部，通過通信驅動的形式進行數據的交換。Wincc 的通信驅動程序包含多個子條目，采用Profibus協議進行通訊，共有8 個通訊單元進行數據傳輸。通道單元構成過程變量，通信處理器與Wincc 接口連接，將通訊驅動程序發送至PLC 中，PLC 進行應答處理，將數據進行傳輸，實現對采煤機的遠程控制。

圖4 監控系統遠程通訊連接示意圖Fig.4 Remote communication connection diagram of monitoring system

4 結語

采煤機是進行煤礦機械化綜采的重要設備，對采煤機井下的工作狀態進行監控以及對實現采煤機的自動化和無人化控制具有重要的作用。采用模塊化總線的方式對采煤機的自動監控系統進行整體設計，系統的整體結構分為四層即現場設備層、控制層、控制管理層、遠程診斷控制層。依據采煤機的運行狀態對系統的本地控制及遠程控制進行了詳細設計，對系統中PLC 與變頻器及Wincc 之間的通訊連接進行了描述。通過采煤機監控系統的應用，可以實現采煤機的遠程無人化控制，提高煤礦的自動化水平及開采效率。