基于邏輯傳感和無(wú)線MESH的采煤機(jī)遠(yuǎn)程冗余控制系統(tǒng)

任陽(yáng)陽(yáng)

（陽(yáng)煤一礦機(jī)電工區(qū)信息中心 ，山西 陽(yáng)泉 045000）

0 引 言

綜采工作中常用到的設(shè)備集合稱之為三機(jī)配套，其分別為采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)。采煤機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)是由電子、機(jī)械、液壓傳動(dòng)等技術(shù)綜合而成的一個(gè)重要的煤礦工作設(shè)備，此外該設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)中往往會(huì)面臨較為嚴(yán)峻的生產(chǎn)環(huán)境，例如煤層變化、巖石等帶來(lái)的負(fù)載變化，另外外界環(huán)境中煤塵顆粒、環(huán)境溫度及水霧含量均會(huì)給采煤設(shè)備的可靠運(yùn)行帶來(lái)隱患，該設(shè)備無(wú)法工作時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致整個(gè)煤礦工作的癱瘓。

文中針對(duì)電牽引采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究，在分別對(duì)機(jī)載控制器其輸入、輸出端口控制模式及截割模型分析的基礎(chǔ)上，基于以太網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線短距離網(wǎng)狀網(wǎng)、生產(chǎn)中采煤機(jī)遠(yuǎn)程冗余控制Profibus系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型的電牽引采煤機(jī)參數(shù)化控制層次模型。通過(guò)實(shí)際的工程應(yīng)用表明所設(shè)計(jì)的控制層次可對(duì)采煤機(jī)應(yīng)用中的控制效果達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)，同時(shí)又保證了煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的安全、高效的生產(chǎn)能力，為技術(shù)理論及技術(shù)支持同時(shí)提供了一定的參考作用。

1 電牽引采煤機(jī)的本地控制原理

從圖1所描述的內(nèi)容可以看出PLC控制器是整個(gè)電牽引采煤機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制的核心。通過(guò)該控制器可完成對(duì)設(shè)備截割電機(jī)、破碎電機(jī)、牽引電機(jī)及調(diào)高驅(qū)動(dòng)電機(jī)等工作使用儀器完成驅(qū)動(dòng)。其中牽引電機(jī)通過(guò)對(duì)牽引電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速率的調(diào)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)截割滾筒的高度值進(jìn)行調(diào)節(jié)。機(jī)載控制器中所涉及到的傳感類型包含有轉(zhuǎn)速大小、電流值、溫度變化值、采煤機(jī)所處位置坐標(biāo)值、機(jī)身與搖臂的傾角角度、振動(dòng)大小、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、電機(jī)絕緣與瓦斯保護(hù)等其它類型的數(shù)據(jù)參數(shù)。所以這些參數(shù)值的獲取均需要經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器完成對(duì)真實(shí)值的讀取。非遠(yuǎn)程距離要對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制即可通過(guò)機(jī)身控制裝置按鍵、控制站或是遙控控制的方式實(shí)現(xiàn)，機(jī)身不同點(diǎn)間的控制是可通過(guò)輸入互鎖電路處理后完成。另外設(shè)備中的牽引變頻器是通過(guò)輸入、輸出方式實(shí)現(xiàn)控制作用，也就是說(shuō)通過(guò)外加起停信號(hào)、加減速及換向信號(hào)的方式，然后在設(shè)備的輸出端得到變頻器故障問(wèn)題報(bào)警信息。

2 電牽引采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)分層架構(gòu)

電牽引采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)所包含的功能有：狀態(tài)信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控、電機(jī)工作狀態(tài)的控制、設(shè)備參數(shù)信息的控制、截割路徑的預(yù)設(shè)、設(shè)備傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)信息的融合及本地和遠(yuǎn)程測(cè)量所得結(jié)果的同步等。其中監(jiān)測(cè)功能主要包含有正常參數(shù)的運(yùn)行、設(shè)備保護(hù)及報(bào)警事件的處理。下圖2中的結(jié)構(gòu)圖即為文中所設(shè)計(jì)出的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)

傳感器的執(zhí)行層與物理層其主要功能是完成對(duì)設(shè)備運(yùn)行或靜止?fàn)顟B(tài)下的相應(yīng)參數(shù)信息的采集與傳感功能。采煤機(jī)工作任務(wù)的完成是基于系統(tǒng)內(nèi)部牽引電動(dòng)機(jī)、截割電機(jī)、泵電機(jī)、換向電磁閥等多個(gè)器件的相互作用下得以實(shí)現(xiàn)。其中變頻器通過(guò)主從的方式完成對(duì)牽引電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功能。另外PLC與電氣聯(lián)鎖的保護(hù)措施得以保證采煤機(jī)電氣保護(hù)裝置功能的實(shí)現(xiàn)。

控制層的主要功能是對(duì)數(shù)據(jù)信息的采集值進(jìn)行相應(yīng)信號(hào)的響應(yīng)，然后通過(guò)邏輯控制等操作完成通信與同步鎖的實(shí)現(xiàn)。其中通信是通過(guò)網(wǎng)狀網(wǎng)的方式完成遠(yuǎn)程設(shè)備與振動(dòng)傳感器兩者間的有效連接。

網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是對(duì)系統(tǒng)中的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的漫游、地面遠(yuǎn)程監(jiān)控與地下設(shè)備工作中的信息傳輸及網(wǎng)絡(luò)交互等。

遠(yuǎn)程控制層中的PLC控制器其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備功能的遠(yuǎn)程操控、傳感器設(shè)備的交互、邏輯控制單元的管理、同步互鎖及設(shè)備保護(hù)等功能。WinCC遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在基于人機(jī)交互操作功能的基礎(chǔ)上，同時(shí)具有信息采集的數(shù)據(jù)融合、設(shè)備預(yù)警及報(bào)警模式的功能、數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理等。另外參數(shù)數(shù)據(jù)編輯系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備中的參數(shù)設(shè)置、路徑規(guī)劃等進(jìn)行優(yōu)化與預(yù)先設(shè)計(jì)。截割路徑規(guī)劃子系統(tǒng)可以完成預(yù)設(shè)路徑的設(shè)備啟動(dòng)、系統(tǒng)誤差值的設(shè)定及設(shè)備姿態(tài)的調(diào)整，此外該系統(tǒng)的輸出是在WinCC遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)載進(jìn)行交互的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的執(zhí)行處理并將相關(guān)結(jié)果進(jìn)行返回。3DVR子系統(tǒng)其是運(yùn)行在三維空間下，對(duì)該維度下的采煤設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)的上報(bào)并可通過(guò)遠(yuǎn)程指令操控的方式實(shí)現(xiàn)控制。

文中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用冗余模式的方式從而提高系統(tǒng)在煤礦工作中的安全及可靠性。該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)交換同樣采用冗余配置的方式進(jìn)行聯(lián)通，具有鄰居節(jié)點(diǎn)關(guān)系的節(jié)點(diǎn)間其通路數(shù)量至少為2條，同時(shí)系統(tǒng)中的采煤機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以在任意時(shí)刻通過(guò)漫游連接的方式接入至網(wǎng)絡(luò)。另外給運(yùn)動(dòng)中的采煤機(jī)設(shè)備自身安裝兩套無(wú)線AP裝置并留有2-3個(gè)外界接入口。另外設(shè)備內(nèi)所布設(shè)的傳感器也是以AP的方式實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通。另外位于溜槽側(cè)的網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點(diǎn)也加入網(wǎng)狀網(wǎng)與有線網(wǎng)的接口，另外S7-400H PLC控制器、Win CC服務(wù)器兩者與網(wǎng)絡(luò)的交互是通過(guò)雙路網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)的。從而形成整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控部分是通過(guò)Siemens S7-400H PLC實(shí)現(xiàn)的，其雙控制其分別為熱工作狀態(tài)從而保證在某一設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)另外一臺(tái)設(shè)備可以及時(shí)的進(jìn)行替換，然后在問(wèn)題設(shè)備故障處理完成后會(huì)以新的主從結(jié)構(gòu)方式加入到網(wǎng)絡(luò)。

3 電牽引采煤機(jī)機(jī)載控制系統(tǒng)

電牽引采煤機(jī)機(jī)載控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是以原有設(shè)備的基礎(chǔ)上通過(guò)新加入傳感器、網(wǎng)狀網(wǎng)及總線配置的方式完成對(duì)軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，從而完成該設(shè)備對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的采集、遠(yuǎn)程及本地的操作控制、截割路徑預(yù)設(shè)、系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通等功能。圖3所示的為系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

系統(tǒng)控制部分的構(gòu)成組建包含有：系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的傳感器、網(wǎng)絡(luò)交互的通信設(shè)備、系統(tǒng)功能執(zhí)行元件、系統(tǒng)邏輯處理單元及其人機(jī)交互界面等。其中傳感器數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容包含有系統(tǒng)內(nèi)退內(nèi)部各個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)信息、設(shè)備內(nèi)部各個(gè)器件在工作態(tài)與非工作態(tài)下的溫度值、電機(jī)電流大小、搖臂傾角角度值、設(shè)備位置坐標(biāo)、油缸移位偏值、設(shè)備機(jī)身及俯仰角的大小等數(shù)值。其中系統(tǒng)中牽引電機(jī)與變頻器的相關(guān)值的輸入是通過(guò)Profibus總線完成的。并通過(guò)變頻器、破碎電機(jī)、高壓開(kāi)關(guān)箱、泵電機(jī)、左右牽引電機(jī)、電磁換向閥、左右截割電機(jī)、齒輪泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)、及其它不同類型的設(shè)備完成執(zhí)行功能。另外系統(tǒng)人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)控制是通過(guò)操作面板、操作站及遙控的方式即可實(shí)現(xiàn)。最后系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)載PLC控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及其組成分別包含有液壓調(diào)高邏輯控制單元、記憶截割控制單元、變頻牽引邏輯控制單元、同步互鎖控制、截割破碎邏輯控制單元、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、行走姿態(tài)控制邏輯控制單元等多模塊。

圖3 機(jī)載PLC控制系統(tǒng)控制單元?jiǎng)澐?/p>

4 電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)

圖4 綜采工作面的無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

系統(tǒng)中設(shè)備的工作控制部分與遠(yuǎn)程交互界面的功能實(shí)現(xiàn)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，因此系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)的可靠性直接關(guān)乎著系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的可行性。在以往的設(shè)計(jì)中網(wǎng)絡(luò)部分的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)有線的方式完成通信，然而由于設(shè)備工作位置的往復(fù)性很容易導(dǎo)致傳輸介質(zhì)因?yàn)閬?lái)回扭曲導(dǎo)致?lián)p毀現(xiàn)象的產(chǎn)生從而影響了系統(tǒng)的正常運(yùn)行?；诖宋闹型ㄟ^(guò)帶寬為25Mbps的本安型無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)替換傳統(tǒng)設(shè)備中的有線網(wǎng)絡(luò)，使得系統(tǒng)中的傳感器部分、控制操作部分及遠(yuǎn)程操作界面均可以在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的方式下進(jìn)行連接，從而避免了有線網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中的不足。文中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)包含有主副兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而保證黨某一節(jié)點(diǎn)突然出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠快速的建立起網(wǎng)絡(luò)路由，從而使得系統(tǒng)能夠可靠安全的運(yùn)行。圖4所顯示的為系統(tǒng)中無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

5 電牽引采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)工廠試驗(yàn)

圖5顯示的為系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心內(nèi)的設(shè)備，其包含有計(jì)算機(jī)及屏幕顯示系統(tǒng)兩部分。文中針對(duì)煤礦生產(chǎn)環(huán)境中設(shè)計(jì)出的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在與西安煤礦機(jī)械有限公司交流的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有的MG 900/2210WD電控部分進(jìn)行了修正并隨后進(jìn)行了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)測(cè)試。圖5、圖6均顯示的為行電牽引采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制的工廠試驗(yàn)效果圖。

圖5 電牽引采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的前臺(tái)監(jiān)控中心

在對(duì)遠(yuǎn)程控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試過(guò)程中分別對(duì)系統(tǒng)中的MG 900/2210WD電牽引的點(diǎn)擊、液壓調(diào)高驅(qū)動(dòng)電機(jī)、采煤機(jī)行走姿態(tài)、破碎電機(jī)及變頻牽引電機(jī)部分進(jìn)行了各個(gè)模塊的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)系統(tǒng)可完整實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)程采集、搖臂傾角大小值的獲取、數(shù)據(jù)信息歸檔及系統(tǒng)報(bào)警、預(yù)警等功能均功能完善。

圖6 采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制軟件工作畫面

6 結(jié)束語(yǔ)

文中在基于現(xiàn)有MG900/2210WD型電牽引采煤機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行新的設(shè)計(jì)后，基于冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了一個(gè)可用于遠(yuǎn)程煤礦系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，同時(shí)將該系統(tǒng)在西安煤礦機(jī)械有限公司進(jìn)行了各個(gè)功能的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明基于冗余特性的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)下的系統(tǒng)完全可以實(shí)現(xiàn)采煤遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；從而為以后采煤設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)控制及故障診斷等功能提供了可借鑒平臺(tái)。