煤礦井下綜采工作面監控系統方案設計

張德明

（西山煤電集團有限責任公司官地煤礦， 山西 太原 030022）

引言

煤礦井下綜采工作面監控系統作為煤礦安全生產的一個子系統，主要負責實現綜采工作面采煤機、刮板輸送機、液壓支架、供液系統、轉載機等綜采設備的啟停控制、運行狀態監測、參數設置、環境參數監測以及急停閉鎖、故障預警等功能，為綜采工作面的安全生產提供穩定、可靠的保障。隨著煤礦井下智能化進程的不斷推進，研究并設計穩定性高、抗擾能力強、智能化水平高、實時性強的煤礦井下綜采工作面監控系統成為亟需解決的問題[1-2]。目前，煤礦井下綜采監控系統面臨的主要問題有：設備之間缺乏統一的通訊標準，設備之間無法實現互聯互通，造成鋪線重復、系統復雜、維修困難；系統穩定性差，由于綜采工作面環境惡劣、復雜，導致以單片機為控制器的監控系統故障頻發，以RS485 為主的通訊網絡的穩定性差；系統的兼容性、靈活性差，無法根據設備的實際現場配套情況進行監控系統配置。為解決上述問題，設計并實現CAN 總線通訊、TCP/IP 通訊相結合的以控制器為核心的煤礦井下綜采工作面監控系統。

1 系統設計

煤礦井下綜采工作面監控系統方案框圖如圖1所示，由設備層、傳輸層、應用層組成。設備層的核心為綜采工作面的機械設備，如采煤機、液壓支架、刮板輸送機、乳化液泵站、語音報警裝置、組合開關、視頻監控設備以及采集、監控各設備的外置傳感器、攝像儀、紅外檢測儀等智能I/O 接口設備。設備層還包括用于處理上述數據的控制器系統，負責采集、判斷、監測所有設備的智能監控裝置數據，并以CAN總線通訊模式傳送至傳輸層。傳輸層的設備主要包括防爆電腦、防爆交換機以及煤礦井下綜合環網[6]。設備層將設備監控數據傳送至防爆電腦后，進行存儲并以TCP/IP 通訊模式傳送至防爆交換機。防爆交換機收集并整理所屬防爆電腦的所有數據并以TCP/IP 通訊模式傳送至煤礦井下環網。應用層的設備主要包括數據服務器、監控頻臺以及綜合顯示屏。數據服務器以TCP/IP 通訊模式接收煤礦井下環網數據并進行分類、存儲，然后轉發至監控平臺在綜合顯示屏進行顯示，同時通過監控平臺可實現對設備層的采煤機、刮板輸送機、轉載機進行遠程急停控制、閉鎖控制。

圖1 煤礦井下綜采工作面監控系統方案框圖

2 硬件設計

煤礦井下綜采工作面監控系統的硬件主要包括設備層的控制器、智能I/O 接口設備、語音報警裝置、傳感器以及觸摸屏等。控制器選用西門子CPU314C-2DP，該控制器集成了MPI、DP 通訊接口、24 點DI、16 點DO、5 點AI，且可擴展CAN 總線通訊模塊和TCP/IP 通訊模塊；具有較強的數據運算、處理能力，數據處理的實時性好；可進行浮點運算，提高了對溫度、風速、瓦斯濃度的采集精度；滿足對綜采設備的數據處理以及控制要求。下頁表1 所示為設備層控制器的部分I/O 地址分配表，表2 所示進行軟件設計時，控制器內部寄存器區地址、變量對應關系表。

表1 控制I/O 地址分配

表2 控制器寄存器區域分配

三機語音報警裝置選用WT588D 可編輯語音芯片，該語音報警裝置音質好、性能穩定、應用范圍廣，支持MP3 控制模式、串口控制模式。智能I/O 接口設備可實時采集綜采工作面的瓦斯濃度、CO 濃度、溫度、風速等環境參數，同時還可采集安裝在設備上的電壓、電流、油溫、油壓、液位、車速、傾角等傳感器數據。該智能I/O 接口設備以光介質傳輸信號，隔離效果好、絕緣和抗干擾能力強。選用KGF2 型風速傳感器，可輸出200～1 000 Hz 頻率信號或4～20 mA 電流信號，可實時監測綜采工作面的風速、風量；選用KGW10 型溫度傳感器，測量范圍為0～100℃，可輸出CAN 總線信號，分辨率為0.1℃。選用KJ101-45B型瓦斯濃度傳感器，可實現對瓦斯濃度的連續測量，輸出為頻率信號，抗擾能力強。觸摸屏選用西門子TP277，該觸摸屏基于Wincc flexible HMI 軟件平臺進行組態軟件編程，達到監視和操作綜采工作面設備的目的。

3 軟件設計

煤礦井下綜采工作面監控系統軟件基于Wincc flexible HMI 軟件平臺進行組態編程，可根據編程需要訪問圖形對象、工具箱、組態庫、對象模板、項目視圖等，完成對組態對象的顏色、字體、動作、動畫、格式等屬性的設計和控制。控制器與Wincc flexible HMI 平臺以CAN 總線通信進行數據交互，并HMI平臺變量定義區完成本地變量與通訊變量的映射，達到數據聯動的目的。根據綜采工作面監控功能要求，設計的監控平臺框圖見圖2 所示，由系統管理、界面管理、數據管理三部分組成，完成用戶登記管理、設備界面監控、設備參數設置、設備數據統計分析等功能，實時、全面掌握綜采工作面設備的運行狀態。

圖2 煤礦井下綜采工作面監控平臺設計框圖

4 試驗驗證

為檢測設計并實現的煤礦井下綜采工作面監控系統的工作性能，在實驗室搭建測試平臺并完成試驗驗證。利用西門子PLC CPU314C-2DP、筆記本電腦、以太網交換機、閉鎖控制板、智能I/O 接口設備搭建設備層、傳輸層系統；利用筆記本電腦、以太網交換機以及TP277 搭建應用層監控平臺。將編寫好的PLC 控制程序下載至控制器后與Wincc flexible HMI 軟件平臺進行互聯，模擬監測并控制綜采工作面設備。系統上電后，監控平臺登錄界面，如圖3 所示，輸入正確的用戶名和密碼后才可以對設備完成參數設置。對綜采工作面的設備完成參數設置后，可通過控制按鈕完成模擬設備的啟停，進入設備運行監測界面，如圖4 所示。

圖3 參數設置界面

由圖4 可查看采煤機、破碎機等設備的啟停狀態以及溫度、風速等傳感器數據。另外，還可以模擬并驗證故障報警、閉鎖停車等功能。

圖4 設備運行監測界面