煤礦綜采工作面智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉章敏

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)陽(yáng)城四侯煤業(yè)有限公司，山西晉城 048000）

0 引言

在煤炭生產(chǎn)的過程中，綜采工作面屬于第一現(xiàn)場(chǎng)，由于采煤現(xiàn)場(chǎng)存在較高的溫度、較多的設(shè)備、較大的粉塵，且空間極為擁擠，因此極易產(chǎn)生安全事故，對(duì)煤炭的安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的影響。為了有效地避免安全事故的發(fā)生，煤礦企業(yè)應(yīng)當(dāng)提升煤炭生產(chǎn)的智能化水平，減少綜采作業(yè)面的人員數(shù)量。目前，我國(guó)綜采作業(yè)面的各個(gè)設(shè)備均通過了數(shù)字化、自動(dòng)化改良，已經(jīng)進(jìn)入到了智能化時(shí)代，一些企業(yè)的智能化無人技術(shù)開始應(yīng)用，只需要一臺(tái)監(jiān)控設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的控制工作，從而對(duì)煤炭進(jìn)行有效地開采。

綜采工作面所開展的作業(yè)若要具備智能化，就必須與環(huán)境、設(shè)備等相關(guān)參數(shù)相結(jié)合，因開采作業(yè)不具備較好的環(huán)境，因此其控制系統(tǒng)必須具備高效、安全的特點(diǎn)，通過實(shí)施有效的冗余控制，控制系統(tǒng)的高效性將會(huì)得到極大提升。本文以冗余控制技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)綜采作業(yè)面的智能化監(jiān)控體系進(jìn)行研究。在設(shè)計(jì)的過程中，必須對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所使用的設(shè)備狀況、作業(yè)環(huán)境等產(chǎn)生的影響進(jìn)行充分的考慮，通過運(yùn)用軟冗余的方法來加強(qiáng)各個(gè)設(shè)備之間的通訊。

圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)組成

1 監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

該智能化監(jiān)控體系的構(gòu)成主要分為3部分，分別為現(xiàn)場(chǎng)控制層、應(yīng)用設(shè)備層和企業(yè)管理層，如圖1所示，作為煤礦智能化監(jiān)控體系，綜采工作面智能化監(jiān)控體系已使用虛線標(biāo)出。在該系統(tǒng)中，企業(yè)管理層與現(xiàn)場(chǎng)控制層的連接是利用工業(yè)以太網(wǎng)所實(shí)現(xiàn)的，不僅要具備較快的傳輸速度，而且要具備較長(zhǎng)的傳輸距離，必須與煤礦企業(yè)的生產(chǎn)需求相適應(yīng)。現(xiàn)場(chǎng)控制層對(duì)各個(gè)PLC主站的監(jiān)控是利用工業(yè)以太網(wǎng)所實(shí)現(xiàn)的，各個(gè)PLC主站運(yùn)用PROFIBUS-DP來實(shí)現(xiàn)各個(gè)從站設(shè)備的控制，該工作面不具備較好的環(huán)境，且對(duì)通信要求較高，因此必須采用冗余控制的方法來配置主、備雙PLC控制體系[1]。一般情況下，若冗余網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造有著較頻繁的使用率，其所具有的總線型就較為可靠，因此該作業(yè)面可以運(yùn)用總線型來設(shè)置冗余系統(tǒng)的構(gòu)造。作為DP主站，主PLC中對(duì)綜采工作面進(jìn)行監(jiān)控的各個(gè)設(shè)備，如破碎機(jī)、采煤機(jī)、液壓支架等，三機(jī)語(yǔ)言通信體系、視頻監(jiān)控體系等與現(xiàn)場(chǎng)控制層的通信都是利用工業(yè)以太網(wǎng)所實(shí)現(xiàn)的。主PLC控制體系所發(fā)揮的主要功能是對(duì)傳感器的各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集，對(duì)各個(gè)設(shè)備，加以控制，使其順利完成煤炭開采及運(yùn)輸?shù)墓ぷ?，并利用工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳遞到現(xiàn)場(chǎng)控制層，綜采工作面的三機(jī)語(yǔ)言通信體系和視頻監(jiān)控體系也是利用工業(yè)以太網(wǎng)來將信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)控制層的，促使視頻、語(yǔ)音和數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了完美的融合。應(yīng)用設(shè)備層與上級(jí)監(jiān)控主站間的信息連接是利用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，可以極大規(guī)避信息孤島的產(chǎn)生。

企業(yè)管理層位于地面之上，通過使用地面上面的主機(jī)來嚴(yán)格監(jiān)控開采作業(yè)的進(jìn)度，同時(shí)配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)來進(jìn)行儲(chǔ)存和記錄。對(duì)于作業(yè)的進(jìn)度狀況，服務(wù)器可以將其及時(shí)傳輸?shù)郊瘓F(tuán)內(nèi)部，就算集團(tuán)與開采現(xiàn)場(chǎng)之間存在著較遠(yuǎn)的距離，也可以確?？偛考皶r(shí)充分地掌握工作面的開采狀況。

現(xiàn)場(chǎng)控制層處于礦井下巷道之內(nèi)，其與企業(yè)管理層所進(jìn)行的通信主要依靠工業(yè)以太網(wǎng)所實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)場(chǎng)控制層與綜采工作面相隔離，作業(yè)人員對(duì)礦井開采狀況的監(jiān)控可以通過控制層的工作人員來實(shí)現(xiàn)，利用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來改善主站PLC的程序。利用以太網(wǎng)來完成主站及備站的PLC之間的通訊工作。

應(yīng)用設(shè)備層所發(fā)揮的功能主要是對(duì)該工作面的各個(gè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集及認(rèn)真落實(shí)各個(gè)決策信息。其中所需要采集的數(shù)據(jù)主要有作業(yè)面環(huán)境的監(jiān)測(cè)、作業(yè)安全性的監(jiān)測(cè)等等；決策信息的實(shí)施需要對(duì)開采、運(yùn)輸、掘進(jìn)及探測(cè)等設(shè)備進(jìn)行控制。

2 冗余系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

綜采工作面所構(gòu)建的冗余控制體系的框架如圖2所示。在DPZ主站所建立的冗余系統(tǒng)中，主要采用57-300型PLC作為主PLC，同時(shí)加設(shè)相關(guān)型號(hào)的以太網(wǎng)通信板塊，利用該板塊來完成其與上位機(jī)的連接[2]。DP主站中PLC所發(fā)揮的作用是接收各個(gè)從站向其傳輸?shù)膫鞲衅餍畔ⅲ⒆龀鲇行У臎Q策，之后再將與決策相關(guān)的信息傳遞至各個(gè)DP從站中，以嚴(yán)格控制現(xiàn)場(chǎng)的開采設(shè)備；同時(shí)將煤炭開采狀況傳輸?shù)缴霞?jí)主站中，例如現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控信息、傳感器的信息等等，并對(duì)其進(jìn)行有效地監(jiān)控與記錄。DP從站主要存在兩種形式，分別為非智能和智能，智能從站的作用是對(duì)作業(yè)進(jìn)行有效控制；非智能從站所發(fā)揮的功能是向主站傳遞各個(gè)信息數(shù)據(jù)，同時(shí)依據(jù)主站內(nèi)部的決策信息來實(shí)施傳輸。非智能從站對(duì)信息加以控制的方式為分布式I/O輸入及輸出；智能從站可以基于主站的相關(guān)參數(shù)利用變頻器來對(duì)電機(jī)所具有的功率和速度進(jìn)行調(diào)整。各個(gè)從站的構(gòu)成板塊主要有1個(gè)電源板塊、2個(gè)IM153-2接口板塊及許多I/O板塊。在實(shí)際生產(chǎn)及冗余控制系統(tǒng)正常運(yùn)作的過程中，備PLC將會(huì)對(duì)主PLC的運(yùn)行狀態(tài)加以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)主PLC及其從站板塊產(chǎn)生故障的時(shí)候，備PLC將會(huì)取代主PLC來繼續(xù)運(yùn)行[3]。

在冗余系統(tǒng)中，各個(gè)從站所進(jìn)行的組態(tài)工作主要是依靠自身控制及檢測(cè)的對(duì)象來完成，針對(duì)生產(chǎn)中所運(yùn)用的核心設(shè)備，該監(jiān)控系統(tǒng)中所安裝的從站主要包括以下幾種。

（1）液壓支架控制從站，該從站所發(fā)揮的作用主要是對(duì)電液進(jìn)行有效控制，對(duì)其所處姿態(tài)進(jìn)行有效調(diào)整，同時(shí)開展精確檢測(cè)。

（2）災(zāi)害檢測(cè)預(yù)警從站，該從站的功能是對(duì)液壓支架及護(hù)幫板所具有的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)其中存在的一些災(zāi)害問題進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。

（3）采煤機(jī)從站，主要是對(duì)采煤機(jī)的一些基本性操作進(jìn)行有效的控制，如啟動(dòng)、運(yùn)行等，同時(shí)也可以對(duì)采煤機(jī)的傾斜角度、滾筒的高度進(jìn)行有效地監(jiān)測(cè)[4]，完成采煤機(jī)的數(shù)字及記憶截割。

（4）刮板輸送機(jī)從站，在該從站中設(shè)置有EM277通訊擴(kuò)展單元，將變頻器作為總線的智能從站，對(duì)破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等設(shè)備的轉(zhuǎn)速及功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（5）綜合供液系統(tǒng)從站，該從站可以對(duì)泵站進(jìn)行智能及變頻控制，同時(shí)對(duì)其運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際狀況進(jìn)行檢測(cè)。

（6）在開采工作的實(shí)際進(jìn)展中，安全檢測(cè)從站中工作面極易發(fā)生危險(xiǎn)事故，例如瓦斯的爆炸、煤炭的自燃等，應(yīng)當(dāng)與礦井下實(shí)際生產(chǎn)條件相結(jié)合，配置多個(gè)非智能化從站來檢測(cè)開采作業(yè)所處的環(huán)境，必要之時(shí)需要配備相應(yīng)的防火裝置。

圖2 冗余系統(tǒng)組成

圖3 冗余系統(tǒng)運(yùn)行過程

3 冗余系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

（1）軟冗余系統(tǒng)的工作過程

軟冗余系統(tǒng)的構(gòu)成主要分為兩類，分別為主、備PLC系統(tǒng)。在工作的過程中，CPU、通信總線與電源三者彼此獨(dú)立，互不干涉。當(dāng)主、備PLC同時(shí)運(yùn)作的過程中，這個(gè)程序?qū)⑼瑫r(shí)具備冗余和非冗余兩種程序，當(dāng)運(yùn)行至冗余程序的時(shí)候，此時(shí)僅僅有主PLC會(huì)運(yùn)行該程序，而備PLC則直接越過該程序，同時(shí)將主PLC中形成的各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收[5]。圖3所示為主、備PLC系統(tǒng)中的實(shí)際運(yùn)行過程。當(dāng)主PLC系統(tǒng)中的某個(gè)部件出現(xiàn)故障，控制工作將會(huì)自行轉(zhuǎn)換到備PLC系統(tǒng)中，并對(duì)監(jiān)測(cè)狀況加以備份，此時(shí)，備PLC將會(huì)升級(jí)為主PLC。這種轉(zhuǎn)換主要包含了3個(gè)部件，分別為通信總線、電源及CPU。除了系統(tǒng)對(duì)主、備PLC進(jìn)行錯(cuò)誤轉(zhuǎn)換之外，工作人員可以利用設(shè)置控制字的形式來人為切換主、備PLC系統(tǒng)，有利于冗余系統(tǒng)實(shí)施硬件檢修與調(diào)節(jié)[6]。

（2）軟冗余系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

在對(duì)其程序進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)當(dāng)對(duì)冗余和非冗余兩種程序進(jìn)行充分了解。通常來講，冗余程序和非冗余程序就是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所采取的持續(xù)性和非持續(xù)性的工藝控制[7]。在實(shí)際開采的過程中，該工作面需要使用較多的生產(chǎn)設(shè)備，且各個(gè)設(shè)備之間存在較多的交叉作業(yè)，因此，其必須采用合理的操作順序、具備較高的精確性和較快的響應(yīng)速度。在實(shí)際開采的過程中，冗余程序可以選用“三機(jī)”的控制次序，非冗余程序可以采用安全防護(hù)、供液體系控制等。一般情況下，可以將非冗余程序和冗余程序分別編入到OB1和OB35之中[8]。由于在執(zhí)行冗余程序的過程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)現(xiàn)階段所采用的PLC進(jìn)行精確判斷，明確其是否為主PLC，因此OB35可被分為4個(gè)部分：

CALL FB 101,DBS//啟動(dòng)系統(tǒng)的冗余數(shù)據(jù)同步功能。

DB WORD N0:=DB1

CALL POSITION:=TRUE

RETURN VAL:=MW6

EXT TNFO:=MWR

CALL FB 101，DBS//啟動(dòng)系統(tǒng)的冗余數(shù)據(jù)同步功能U DBS.DBX 9.1//得到并分析狀態(tài)字，若當(dāng)前為備PLC.則跳過冗余程序SPB M001

{Redundant program//冗余程序段，包含應(yīng)用程序以及通信程序}

CALL FB 101,DBS//停ih：系統(tǒng)的冗余數(shù)據(jù)同步功能。

DB WORD N0:=DB1

CALL POSITION:=FALSE

RETURN VAL:=MW10

EXT INFO:=MW12

CALL FB 101,DBS//啟動(dòng)系統(tǒng)的冗余數(shù)據(jù)同步功能。

DB WORD N0:-DB1

CALL POSITION:-TRUE

RETURN VALMW6

EXT TNFO:-MWR

CALL FB 101，DBS//啟動(dòng)系統(tǒng)的冗余數(shù)據(jù)同步功能U DBS.DBX 9.1//得到并分析狀態(tài)字，若當(dāng)前為備PLC.則跳過冗余程序SPB M001

{Redundant program//冗余程序段，包含應(yīng)用程序以及通信程序}

CALL FB 101,DBS//停ih：系統(tǒng)的冗余數(shù)據(jù)同步功能。

最后，分別在主、備PLC系統(tǒng)中下載硬件組態(tài)的結(jié)果及控制程序，以實(shí)現(xiàn)綜采作業(yè)面的冗余控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在綜采作業(yè)面的智能監(jiān)控體系中納入西門子S7-300系列的PLC軟冗余技術(shù)，該系統(tǒng)的構(gòu)成主要有主、備PLC兩套控制系統(tǒng)，一套是主PLC，其所發(fā)揮的作用是對(duì)分布式I/O、智能從站加以控制；一套是備PLC，當(dāng)主PLC產(chǎn)生問題的時(shí)候，備PLC將升級(jí)為主PLC，并取得控制權(quán)，以持續(xù)開展監(jiān)控工作。由于總線型冗余系統(tǒng)具備較強(qiáng)的可靠性，因此極大提升了智能監(jiān)控系統(tǒng)的有效性及穩(wěn)定性。