回坡底煤礦采煤機實時運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

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（山西焦煤集團(tuán)霍州煤電集團(tuán)回坡底煤礦，山西 臨汾 041600）

目前在回坡底煤礦采煤工作面，由于機器狀態(tài)監(jiān)測不達(dá)標(biāo)，故障前預(yù)警不及時，導(dǎo)致采煤機故障定位存在偏差，造成故障處理時間長等問題。為解決此采煤機問題，回坡底煤礦牽頭對采煤機運行狀況監(jiān)控系統(tǒng)[1-5]進(jìn)行了設(shè)計，旨在提高煤礦井下生產(chǎn)安全以及采煤效率。

1 采煤機結(jié)構(gòu)簡介

在回坡底煤礦中，工作面上采煤機多采用雙滾筒采煤機。雙滾筒式采煤機主要由電氣、機械以及液壓三大部分組成。機械傳動部分主要由牽引部以及截割部兩大部分組成。采煤機結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1 雙滾筒采煤機結(jié)構(gòu)簡圖

2 采煤機實時狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)

根據(jù)對采煤機實際運行狀況的分析，確定采用分布式結(jié)構(gòu)來進(jìn)行其監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。以WinCC組態(tài)軟件為基礎(chǔ)平臺，使用工控機與PLC 進(jìn)行連接。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能，開發(fā)了遠(yuǎn)程訪問的模塊，可以通過互聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)功能，達(dá)到提升效率以及預(yù)防事故的功能。在系統(tǒng)中PLC 使用的是可靠性高、穩(wěn)定性好的Simatic S7-300 系列，其處理器運行程序效率高，同時能實現(xiàn)較好的故障診斷功能，能夠較好地處理惡劣環(huán)境下的系統(tǒng)問題。設(shè)備的運行狀況監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)組成見圖2。

圖2 采煤機監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成圖

根據(jù)圖2 所示，采煤機監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)分為4 層：

1）在監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)層，分布著大量的傳感器，同時包含被控制的設(shè)備對象，主要是圍繞現(xiàn)場設(shè)備的信息采集工作來展開，該層為現(xiàn)場設(shè)備層。

2）PLC 控制器所在的第二層，主要是針對收集的設(shè)備數(shù)據(jù)完成分析處理。

3）第三層即為本地控制層，其實質(zhì)是控制下位機的管理系統(tǒng)即HMI/SCADA 系統(tǒng)，目前在自動化、IT 等技術(shù)的加持之下已經(jīng)成為工控系統(tǒng)中承上啟下的一環(huán)。該層主要針對PLC 分析處理的數(shù)據(jù)，將其進(jìn)行分類制表保存，同時根據(jù)數(shù)據(jù)，確保監(jiān)控的采煤機正常運行，一旦出現(xiàn)異常，立即進(jìn)行異常的排查處理。

4）第四層為系統(tǒng)的遠(yuǎn)程診斷控制層。該層以通信技術(shù)與軟件構(gòu)造技術(shù)為基礎(chǔ)，利用IE 瀏覽器的窗口實現(xiàn)對采煤機實際運行的監(jiān)控，同時可以在遠(yuǎn)程終端通過APP 的登陸直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢，當(dāng)需要專家進(jìn)行分析時節(jié)約了專家到現(xiàn)場的時間，能夠即時對設(shè)備故障方案進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)與分析。

3 采煤機實時狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)計

系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備層由被控制設(shè)備對象以及傳感器共同組成，其主要針對現(xiàn)場采煤機運行狀態(tài)參數(shù)來展開，其中最關(guān)鍵的一步是傳感器的選型，具體見表1。

表1 傳感器選型表

3.2 采煤機本地控制層設(shè)計

采煤機的本地控制層控制原理見圖3。該系統(tǒng)基于PLC 編程，對電磁閥電氣控制電路進(jìn)行控制，主要控制兩個截割電機的速度、扭矩以及液壓泵電機的調(diào)節(jié)；其次在變頻器的作用下對兩個牽引電機進(jìn)行控制，PLC 還直接控制采煤機的液壓制動閥以及左右搖臂的升降閥；最后與工控機形成交互，完成數(shù)據(jù)的處理與分類，一旦數(shù)據(jù)異常，工控機下達(dá)指令到PLC，PLC 執(zhí)行停機或者減速等動作。

圖3 本地系統(tǒng)控制原理圖

在本地控制層中，PLC 控制器是核心部分，是連接現(xiàn)場設(shè)備與上位機的中間橋梁部分，能夠通過程序的設(shè)置，完成模擬量以及數(shù)字量的采集處理，同時可以對采煤機進(jìn)行有針對性的狀態(tài)調(diào)整。選用S7-300 作為PLC 控制器。該系列的PLC 具有反應(yīng)速度快、集成效果好、外型結(jié)構(gòu)小、模塊可選擇等特點。為了滿足設(shè)計需求，在本設(shè)計中PLC 模塊需要的功能模塊有：電源、CPU、通信、數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入輸出等。其中，數(shù)字量輸入模塊SM321 使用2 塊，分別使用D11/D12 來命名；數(shù)字量輸出使用SM322 模塊，其輸出主要是利用繼電器來進(jìn)行，通過繼電器來實現(xiàn)采煤機的姿態(tài)變化以及狀態(tài)調(diào)整。

可編程控制器PLC 需要對本地設(shè)備層中傳感器采集的信號進(jìn)行處理分析。該信號是以模擬量的形式到達(dá)PLC 模擬量模塊，通過對模擬量分析，來準(zhǔn)確獲取采煤機的狀態(tài)，基于此對采煤機進(jìn)行控制。PLC 控制程序的準(zhǔn)確編寫是功能實現(xiàn)的關(guān)鍵。

如圖4（a）所示為PLC 控制器的程序控制結(jié)構(gòu)圖，其OB1 主程序由10 個子程序組成，通過各個子程序的相互配合，才能完成采煤機運行狀態(tài)的監(jiān)控。以采煤機牽引控制程序為例，設(shè)計軟件流程，具體見圖4（b）。

圖4 S7-300 控制器的程序控制結(jié)構(gòu)圖與牽引控制流程圖

3.3 采煤機遠(yuǎn)程控制層設(shè)計

本文設(shè)計的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是以WinCC 組態(tài)軟件為基礎(chǔ)，通過軟件的通信技術(shù)與軟件構(gòu)造技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存與歸檔，利用IE 瀏覽器的窗口實現(xiàn)采煤機實際運行的監(jiān)控，通過與PLC 控制器的互聯(lián)完成系統(tǒng)的故障診斷。因此，WinCC 軟件與PLC 之間的互聯(lián)通信原理，是決定故障診斷功能的關(guān)鍵。WinCC 組態(tài)軟件包含數(shù)據(jù)運行、報警監(jiān)控以及變量調(diào)整等分系統(tǒng)，過程中要預(yù)設(shè)變量進(jìn)入WinCC 的變量控制器中，通過變量的異常識別，啟動系統(tǒng)的通信驅(qū)動程序，在程序中對應(yīng)的變量通道中通過硬件驅(qū)動程序觸發(fā)通信處理器，將信號傳輸?shù)絇LC 控制器中的通信模塊，進(jìn)而實現(xiàn)兩者的互聯(lián)，隨后就可以在終端進(jìn)行PLC 控制，進(jìn)行采煤機各模塊的故障診斷。二者之間的具體通信原理見圖5。

圖5 WinCC 與PLC 通信

圖6 是基于WinCC 組態(tài)軟件結(jié)合PLC 通信功能的用戶界面圖。此界面包括電機控制面板、左右操作站的操作控制面板、參數(shù)狀態(tài)波動顯示趨勢圖等，可以通過界面上按鍵的布置，完成上位機終端顯示，對井下采煤機進(jìn)行實時監(jiān)控以及實時控制。

圖6 WinCC 軟件采煤機監(jiān)控系統(tǒng)用戶界面圖

為了檢驗運行監(jiān)控系統(tǒng)對故障定位以及處理的有效性，先在回坡底煤礦進(jìn)行系統(tǒng)的試點運行。以回坡底煤礦1#工作面為試點，將目前安裝在采煤機關(guān)鍵部位檢測傳感器通過以太網(wǎng)與PLC 控制器進(jìn)行連接，隨后再將其接入WinCC 與PLC 結(jié)合的運行監(jiān)控系統(tǒng)中，進(jìn)行系統(tǒng)試運行。剛開始用戶界面儀表一切正常，在系統(tǒng)運行一段時間后，用戶界面報警，右牽引電流數(shù)值出現(xiàn)異常，隨即對歷史曲線進(jìn)行分析，判斷右牽引電機故障，立即停機，將故障信息發(fā)送給設(shè)備維修人員，對電機進(jìn)行更換，之后采煤機恢復(fù)正常。故障處理整個過程用時30 min。針對此類故障，若使用傳統(tǒng)采煤機故障處理，首先采煤機報警，操作人員現(xiàn)場立即停機，通知維修人員到位，隨后對采煤機關(guān)鍵部位進(jìn)行故障排查，最終確定異常，再進(jìn)行零配件的更換，之后采煤機正常開機繼續(xù)工作。從以往的維修記錄來看，此類故障從出現(xiàn)到排除，一般需要用時1～2 h，整個過程采煤機停機，生產(chǎn)現(xiàn)場停滯。通過對新舊系統(tǒng)故障處理對比分析，可得新系統(tǒng)故障處理時間較短。通過數(shù)據(jù)分析，故障定位明確，確保了井下的生產(chǎn)安全，后續(xù)將會在回坡底煤礦進(jìn)行推廣，對其進(jìn)行深入的跟蹤研究。

4 結(jié)論

采煤機的安全運行以及可靠性會直接影響井下采煤工作效率，基于目前采煤機故障較多且處理時間較長，本文設(shè)計了一款采煤機運行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。通過PLC 控制器對采煤機主要部件進(jìn)行監(jiān)控，同時對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，旨在及時準(zhǔn)確地確認(rèn)故障發(fā)生的位置。通過與WinCC 組態(tài)軟件的通信互聯(lián)，可以第一時間確定故障位置，遠(yuǎn)程對采煤機故障進(jìn)行分析處理，保障井下的安全生產(chǎn)，提升礦井生產(chǎn)自動化進(jìn)程。