煤礦采煤系統(tǒng)智能控制技術(shù)研究

梁毅勇

(山西大土河能源科技有限公司，山西 呂梁 033000)

隨著我國科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，煤礦開采逐步向機(jī)械化和自動(dòng)化發(fā)展，目前有部分大型礦井已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了綜合自動(dòng)化采煤。由于煤礦開采的特殊性，煤礦雖然實(shí)現(xiàn)開采機(jī)械化，但是設(shè)備的啟停和維修仍需要現(xiàn)場操作，并且設(shè)備監(jiān)控點(diǎn)多、布置分散，需要建立完善的遠(yuǎn)程集中智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)重要采煤設(shè)備的故障報(bào)警、診斷以及運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測。國內(nèi)學(xué)者對(duì)綜采監(jiān)控系統(tǒng)的研究主要分為4個(gè)階段：第一階段，煤礦綜采監(jiān)控系統(tǒng)采用空分制實(shí)現(xiàn)信息的傳輸；第二階段，信息傳輸技術(shù)升級(jí)到頻分制，該技術(shù)能夠減少電纜的鋪設(shè)；第三階段，隨著集成電路的出現(xiàn)，信息傳輸技術(shù)升級(jí)到時(shí)分制，推動(dòng)了自動(dòng)化采煤的新格局；第四階段，隨著網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，綜采監(jiān)控系統(tǒng)以嵌入式技術(shù)、分布式計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)需要標(biāo)準(zhǔn)軟硬件協(xié)議支持，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享[1-5]。

煤礦采煤系統(tǒng)智能控制的主要意義為：①建立完善的信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測，并了解采煤設(shè)備運(yùn)行效率、運(yùn)行狀況以及查找設(shè)備運(yùn)行的短板；②根據(jù)各項(xiàng)檢查數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)采煤設(shè)備故障診斷、故障報(bào)警，為設(shè)備良好運(yùn)行提供技術(shù)保障；③實(shí)現(xiàn)采煤各項(xiàng)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測，便于對(duì)采煤設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；④實(shí)現(xiàn)對(duì)各工作面采煤裝備的集中聯(lián)控，降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少操作人員數(shù)量[6-10]。

鑒于此，本文研究了煤礦采煤系統(tǒng)智能控制技術(shù)，分析了采煤工作面設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)總體構(gòu)架，并設(shè)計(jì)了PLC控制柜硬件、軟件部分及各傳感器的選型。研究為實(shí)現(xiàn)采煤設(shè)備控制的智能化提供了重要的保障。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

煤礦采煤系統(tǒng)智能控制技術(shù)主要由各類傳感器、本安型就地操作箱、采煤機(jī)裝備集中PLC智能控制柜、控制計(jì)算機(jī)、客戶端、數(shù)據(jù)服務(wù)器等組成。采煤工作面設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 采煤工作面設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)總體構(gòu)架Fig.1 Overall structure of the intelligent monitoring system for coal mining face equipment

(1)各類傳感器。主要采集膠帶機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)等設(shè)備的實(shí)時(shí)信息，實(shí)時(shí)信息包括壓力、溫濕度、電壓、電流、其他故障信息。

(2)本安型就地操作箱。主要為操作人員提供顯示屏幕，將采煤設(shè)備的運(yùn)行信息顯示在屏幕中，便于操作人員及時(shí)掌握現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行情況，而且能夠根據(jù)操作箱的旋轉(zhuǎn)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)采煤設(shè)備檢修、就地、遠(yuǎn)控的切換，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備就地啟停。

(3)采煤機(jī)裝備集中PLC智能控制柜。是系統(tǒng)的核心監(jiān)控設(shè)備，能夠提供模擬量采集接口、通新接口、I/O接口等，支持標(biāo)準(zhǔn)的RS-485通信協(xié)議和以太網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的采集、傳輸和處理。

(4)控制計(jì)算機(jī)。包括2臺(tái)計(jì)算機(jī)(一用一備)，其監(jiān)控軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤設(shè)備的信息的存檔和處理，其WINCC組態(tài)界面可以實(shí)時(shí)瀏覽工作面的運(yùn)行信息。

(5)客戶端?？蛻舳丝梢酝ㄟ^平板電腦、智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)等，瀏覽煤礦采煤設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，還可進(jìn)行信息查詢。

(6)數(shù)據(jù)服務(wù)器。主要是負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、處理、儲(chǔ)存和發(fā)布等，通過以太網(wǎng)和監(jiān)控室的組態(tài)軟件進(jìn)行通信。

2 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制柜硬件設(shè)計(jì)

PLC控制柜主要由電源模塊、I/O擴(kuò)展模塊、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、RS-485通信模塊和CPU模塊等組成。采煤設(shè)備PLC智能控制柜實(shí)物如圖2所示。

圖2 采煤設(shè)備PLC智能控制柜實(shí)物Fig.2 PLC intelligent control cabinet of coal mining equipment

(1)電源模塊選型。本文選擇S7系列的PS307-5A的電源模塊，供電范圍為AC 176～264 V和AC 85～132 V兩個(gè)檔位，具有斷路保護(hù)和短路保護(hù)功能，為了滿足供電要求，選裝2個(gè)本安電源模塊。本安電源選用CSTI系列輸出本質(zhì)安全電源，其參數(shù)見表1。

表1 CSTI系列輸出本質(zhì)安全電源參數(shù)Tab.1 CSTI series output intrinsically safe power supply parameters

(2)通信模塊選型。本文選擇2個(gè)CM1241 RS-422/RS-485通信模塊，該模塊支持MODBUS協(xié)議。

(3)I/O擴(kuò)展模塊。設(shè)置2個(gè)8路輸入的專用測溫模擬量模塊、2個(gè)8路輸入的通用型模擬量模塊及2個(gè)16點(diǎn)的數(shù)字量輸入模塊。

(4)CPU模塊選型。本文礦用隔爆兼本安型控制箱的控制器采用S7-1200PLC，該控制器具有2路模擬量輸入、10個(gè)數(shù)字量輸出和14個(gè)數(shù)字量輸入，最大額定功率為12 W，采用24 V DC供電，內(nèi)嵌1個(gè)以太網(wǎng)接口，可用于PROFINET網(wǎng)絡(luò)連接、程序下載、HMI等，可擴(kuò)展3個(gè)RS-485/RS-422通信模塊，具有8 192 B的位存儲(chǔ)器、2 kB的保持性存儲(chǔ)器、2 MB的裝載存儲(chǔ)器和50 kB的工作存儲(chǔ)器。

PLC模塊選型匯總見表2。

表2 PLC模塊選型匯總Tab.2 Summary of PLC module selection

2.2 PLC控制柜軟件設(shè)計(jì)

PLC控制柜軟件采用TIA Portal軟件進(jìn)行編寫。采用結(jié)構(gòu)化編程、模塊化編程和梯形圖編程語言，系統(tǒng)程序的邏輯塊包括全局?jǐn)?shù)據(jù)塊、傳感器數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)處理、Modbus讀數(shù)據(jù)通信、Modbus寫數(shù)據(jù)通信、操作箱按鈕和啟動(dòng)組織塊組成。PLC控制柜整體程序流程如圖3所示。

圖3 PLC控制柜整體程序流程Fig.3 Overall program flow of PLC control cabinet

本文僅介紹Modbus讀數(shù)據(jù)通信、Modbus寫數(shù)據(jù)通信。

(1)Modbus讀數(shù)據(jù)通信。用于讀取采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控器、軟啟動(dòng)通信地址區(qū)對(duì)應(yīng)的設(shè)備、變頻器、組合開關(guān)、膠帶可編輯控制箱、主控器等設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，運(yùn)行參數(shù)主要包括設(shè)備的啟停標(biāo)志、電壓、子設(shè)備運(yùn)行電壓、電流、故障代碼、保護(hù)信息、故障標(biāo)志燈。Modbus讀數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

圖4 Modbus讀數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Modbus read data processing flow

(2)Modbus寫數(shù)據(jù)通信。主要作用是將控制命令傳輸?shù)侥z帶可編輯控制箱、采煤機(jī)遠(yuǎn)程主控制器或監(jiān)控器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤設(shè)備的啟?？刂啤odbus寫數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。

圖5 Modbus寫數(shù)據(jù)處理流程Fig.5 Modbus write data processing flow

3 傳感器選型

3.1 采煤機(jī)所用傳感器

采煤機(jī)所用傳感器主要有流量傳感器、壓力傳感器、傾角傳感器、瓦斯監(jiān)測傳感器、電流互感器、絕緣檢測儀、熱敏電阻、溫度繼電器等。

(1)流量傳感器。主要用于監(jiān)測冷卻水系統(tǒng)和牽引部液壓系統(tǒng)的液體流量，本文采用YF-S201型流量傳感器。傳感器技術(shù)參數(shù)：耐壓≤1.7 MPa，測量范圍為1～30 L/min，工作溫度≤120 ℃，工作電壓為5～24 V。

(2)壓力傳感器。主要用于監(jiān)測冷卻系統(tǒng)、輔助液壓系統(tǒng)、牽引部液壓系統(tǒng)壓力的變化，采用MIK-P300型壓力傳感器。壓力傳感器技術(shù)參數(shù)：量程0～40 MPa，零點(diǎn)漂移±2%FS，輸出形式為模擬量4～20 mA，工作電流≤100 mA，工作電壓為4～36 V。

(3)瓦斯監(jiān)測傳感器。主要用于監(jiān)測采煤機(jī)工作面的瓦斯?jié)舛?，傳感器采用GJC4瓦斯監(jiān)測傳感器，當(dāng)工作面瓦斯?jié)舛取?%時(shí)，常閉節(jié)點(diǎn)斷開。

(4)電流互感器。主要用于監(jiān)測采煤機(jī)截割電機(jī)的電流，電流互感器采用PAS-JIC600D-P1/SP6電流互感器，電流互感器技術(shù)參數(shù)：工作額定電流<100 mA，測量精度為±1%，電流測量范圍為0～600 A，模擬量為4～20 mA輸出。

(5)溫度繼電器。主要用于監(jiān)測牽引變壓器、油泵電機(jī)、截割電機(jī)的油溫，溫度繼電器采用JW2-155溫度繼電器。

3.2 采煤運(yùn)輸設(shè)備所用傳感器

采煤運(yùn)輸設(shè)備主要包括破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板輸送機(jī)和轉(zhuǎn)運(yùn)膠帶輸送機(jī)。

(1)破碎機(jī)所用傳感器。破碎機(jī)為整機(jī)設(shè)備，主要安裝用于監(jiān)測主電機(jī)溫度的JW2-155溫度繼電器和PT100溫度傳感器。

(2)轉(zhuǎn)載機(jī)所用傳感器。主要監(jiān)測轉(zhuǎn)載機(jī)的運(yùn)行速度和電機(jī)的溫度，速度傳感器采用SCD-1型速度傳感器，監(jiān)測電機(jī)溫度采用JW2-155溫度繼電器和PT100溫度傳感器。

(3)刮板輸送機(jī)所用傳感器。主要有用于實(shí)時(shí)短路保護(hù)的溫度繼電器JW2-155溫度繼電器，用于監(jiān)測軸承溫度和電機(jī)定子繞組溫度的PT100溫度傳感器，用于監(jiān)測刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度的SCD-1型速度傳感器，用于監(jiān)測刮板鏈條是否完好的SCD-10型斷鏈保護(hù)器。

(4)轉(zhuǎn)運(yùn)膠帶輸送機(jī)所用傳感器。主要包括GEJ-15-P型跑偏傳感器、GQL0.1-Y型煙霧傳感器、GUD-33-D型堆煤傳感器、GWW-45-W型溫度傳感器、GSC6型速度傳感器和急停開關(guān)等其他輔助保護(hù)傳感器。

4 結(jié)語

研究了采煤工作面設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體構(gòu)架，分析了PLC控制柜硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，對(duì)采煤機(jī)所用傳感器及采煤運(yùn)輸設(shè)備所用傳感器進(jìn)行了選型。研究為煤礦智能化采煤提供了技術(shù)支持。