采煤機運行狀態監控系統設計及應用分析

趙曉璐

（晉能控股煤業集團鐵路運營有限公司礦山鐵路分公司，山西大同 037000）

在綜采工作面采煤機是一個核心機械設備，通常采煤機工作的穩定性對礦井進行能夠產生直接影響。當采煤機工作的過程中，其工況環境主要存在如下幾個方面的問題：第一，通風效果不理想；第二，粉塵集中；第三，散熱性能不好等，從而導致采煤機出現了如下問題：第一，電機燒壞；第二，滾筒磨損嚴重；第三，作業功率超限轉速；第四，作業溫度相對較高等。假如維修人員不能有效地解決采煤機的上述故障，那么將會對采煤機的工作效率產生嚴重的影響[1]。

通過分析采煤機的工作原理，本研究為采煤機設計一個性能更為智能化的監控系統。因此，首先借助工業控制技術基礎，對采煤機的結構進行分析，接著以PLC 控制技術為基礎，對采煤機控制系統以及關鍵單元進行分析與設計，最終借助遠程控制系統對采煤機進行測試，經過實踐發現該系統工作性能可靠，具有一定的應用價值。

1 采煤機結構組成分析

煤礦企業在開采時大都選用雙滾筒式采煤機，此采煤機通常能夠依據采煤層厚度以及相應的高度，實現設備的自動調整，一般實現自動工作的效果。該采煤機主要結構由如下幾個單元組成：第一，牽引單元；第二，截割單元；第三，滾筒；第四，動力電機；第五，電氣控制系統等其中，牽引電機可以借助主動鏈輪把動力輸出給減速器，與此同時通過軸承將動力傳輸到滾筒，進而可以實現對煤層的開采。而滾筒在采煤機中又是居于核心地位，主要涉及截齒、螺旋葉及端盤等零件。通過實踐發現滾筒主要的故障問題是截齒斷裂[2]。與此同時，滾筒與截齒在使用的過程中由于散熱效果不理想，通風差以及供水冷卻系統弱，從而導致零件局部溫度過高，從而對設備產生影響。為此，要想實現采煤機正常工作，必須設置一套監控系統，從而可以更好地對設備進行實時監測。

2 采煤機監控系統設計

本系統主要包括如下幾個方面：第一，現場設備層；第二，控制層；第三，本地控制管理層；第四，遠程診斷管理層。其中，對于現場設備層而言，主要是完成采煤機運動狀態以及工控環境方面的數據采集，因此設置了大量的傳感器諸如：第一，瓦斯傳感器；第二，粉塵傳感器；第三，溫度傳感器；第四，電流互感器等。對于控制層而言，工控機選擇研華生產的產品，其能夠與西門子的PL.C 及WinCC 組態軟件監控平臺進行通信連接，從而可以遠程監控采煤機的作業以及下位機工作狀態，可以有效地避免安全問題。與此同時，可以借助內部設置的儲存單元對數據進行歸檔整理以及生成相應的報表[3]。對于遠程診斷管理層而言，其借助IE 瀏覽器以及監控平臺可以監控采煤機的運行狀態。假如采煤機作業溫度超過設置值時，那么這時監測人員能夠通過監測顯示平臺觀察故障類型以及報警信號，最終通知維修人員依據報警信息及時排除故障。該監控設備功能全面，性能穩定，大大降低了設備的故障率[4]。圖1 表示采煤機作業狀態監控系統的總體框架圖。

圖1 采煤機作業狀態監控系統的總體框架圖

3 監控系統關鍵分系統設計

3.1 PLC控制模塊設計

PLC 控制單元必須能夠實現對采煤機工作狀態的實時監測。為此，在設計的過程中設置了控制程序與邏輯單元以實現實時監測的目的。其型號為西門子的S3-700型，將其設定在直徑控制層，其可以能夠有效地對采煤機工作的如下幾個環節進行控制：第一，動作控制；第二，運行數據檢測；第三，邏輯計算等[5]。與此同時，時刻可以接受上位機的指令，并且通過光纖將數據傳輸到工控機中。PLC 控制程序采用STEP7 進行梯形圖程序編寫，輸入單元選用AI8x12bit 單元，其配置有10個溫度輸入信號端。當AI單元完成采集數據之后，其可以把數據保存在IW368 映像的存儲器內部。圖2表示PLC控制程序的流程圖。

圖2 整個PLC控制程序的流程圖

3.2 PLC與變頻器通信設計

為了提高監測系統穩定性，在系統中配置了變頻器，其型號為ABB-ACS800，以Profibus-DP進行信息傳輸，并能夠與PLC 進行通信[6]。其中，Profibus-DP 網絡協議能夠實現分布式I/O控制單元的作用，借助高速數據實現信息的傳輸。與此同時，該變頻器包括：主、從變頻器、一臺工控機。此外，在網絡方面設計一個主站與若干個從站，其中，主站依據站號傳輸信息，最大頻率為12Mbit/s。通常，Profibus-DP 網絡協議能夠把信號輸送到PLC 控制器接口，諸如：第一，CPU；第二，AI；第三，AO等接口中。即可控制采煤機實現啟動、停止、運行等制命令[7]。此外，可以在控制終端設置電阻，進而通過吸收信號中的發射波來增強信號，圖3表示相應的PLC與變頻器的網絡配置圖。

圖3 PLC與變頻器的網絡配置圖

3.3 溫度檢測及保護模塊設計

為了能夠實時監測采煤機作業溫度，在該單元中設置了溫度與保護電路。該電路單元主要借助鉑電阻的物理特性，比如高電阻率、高穩定靈敏性等，從而實現監測采煤機溫度的目的。通過鉑電阻形成一個溫度傳感器，其監測溫度范圍在-70℃～600℃之間。該控制電路單元選用5V直流電源進行供電，選用LM324差分放大器對電源電壓進行調節[8]。WR2表示120Ω的滑動變阻器，能夠有效地調整電橋電壓。圖4表示溫度檢測及保護的電圖。

圖4 溫度檢測及保護模塊電路圖

4 系統應用測試

工作人員把該系統設置在采煤機中，經過三個月的工程實踐，檢測該系統的性能。經過工程實踐發現，該系統運行正常，監測得到的數據正確無誤，界面相對清晰，并且能夠實現對數據的分析以及呈現出數據圖形等。工作人員可以借助監測系統界面直觀地觀察數據變化情況[9]。與此同時，傳感器采集精度較高，能夠實時監測采煤機工作溫度，對滾筒切割高度進行檢測，對瓦斯濃度進行檢測等，并且將采集的數據通過界面顯示出來。當出現報警信號時，工作人員可以及時排除故障。該系統應用之后，采煤機設備的故障率下降了60%。此外，不僅可以有效減少維修人員的數量，為企業降低人力成本，而且可以極大地優化維修人員的勞動強度。由此可以看出，該系統能夠提高采煤機的工作效率、優化性能以及延長使用年限[10]。

5 結語

采煤機性能的優劣直接影響開采效率，為了能夠有效地降低采煤機的故障率、優化采煤機的性能、提高工作效率以及延長使用周期。本研究與采煤機結構為基礎的對采煤機的動態監控進行設計，探究基于PLC控制器的采煤機監控系統總體設計及關鍵分系統。通過工程實踐發現，該監控系統運行良好，能夠實現實時正確的監測，能夠實現全方面的監測，工作人員可以通過顯示界面實時監測采煤機的工作狀態，以及查看故障情況，從而可以有效地降低了采煤機的事故率。不僅可以有效減少維修人員的數量，為企業降低人力成本，而且可以極大地優化維修人員的勞動強度。由此可以看出，該系統能夠提高采煤機的工作效率、優化性能以及延長使用周期。因此可以看出該系統具有一定的應用價值。