智能綜采工作面采煤機(jī)割煤情況自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計分析

高江波

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化公司龐龐塔煤礦， 山西 呂梁 033200）

1 記憶截割的工作原理

通常情況下采煤機(jī)的記憶截割為兩個階段，分別為：第一階段，截煤試教是采用人工操作的階段，即為采煤機(jī)的記憶學(xué)習(xí)階段，采煤機(jī)進(jìn)行首次采煤時，完成過程人工手動操作1 個循環(huán)運(yùn)行，從采煤機(jī)有工作面的機(jī)頭行至機(jī)尾，然后再從機(jī)尾走到機(jī)頭。在人工操作采煤機(jī)過程中采煤機(jī)電控系統(tǒng)會把運(yùn)動過程中所有的數(shù)據(jù)實行采樣并固化到自己的存儲器中。第二階段，采煤機(jī)的記憶截割的階段，就是采煤機(jī)如何實現(xiàn)自動化截割煤的，即采煤機(jī)在截割煤過程中自動調(diào)節(jié)采煤機(jī)的動作姿態(tài)是靠第一階段采集所有數(shù)據(jù)并存儲來完成的。

圖1 即為采煤機(jī)在工作面自動記憶截割的運(yùn)行軌跡圖，在圖中工作面的傾斜方向用X 軸方向表示，其采煤機(jī)在自動記憶截割運(yùn)行時的姿態(tài)位置的采集相關(guān)數(shù)據(jù)的點用X 軸坐標(biāo)點表示；采煤機(jī)的回采工作面的方向用Y 軸方向表示，采煤機(jī)在工作面前行的方向上運(yùn)行的距離用Y 軸上的坐標(biāo)點表示，采煤機(jī)在工作過程中上滾筒與下滾筒之間的高度用Z 軸方向表示，采煤機(jī)的截割煤工作過程中的采集相同距離樣本是通過監(jiān)控系統(tǒng)完成的，采煤機(jī)在執(zhí)行完第i 刀截煤工作后，監(jiān)測控制系統(tǒng)會對這一過程中的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和存儲。當(dāng)在截煤作業(yè)執(zhí)行第i+1 刀過程中采煤機(jī)運(yùn)行中姿態(tài)的調(diào)整是控制系統(tǒng)依照第i 刀采集的信息數(shù)據(jù)完成的。假如采煤機(jī)執(zhí)行第i+2 刀進(jìn)行截煤時，如果工作面工作的狀況有發(fā)生變化，這樣，采煤機(jī)會根據(jù)工況自適應(yīng)修正調(diào)整工作狀態(tài)。這個自動調(diào)整是靠自動監(jiān)控系統(tǒng)在通過第i+1 刀采集并記錄的數(shù)據(jù)做適當(dāng)調(diào)整完成的。在上述過程中調(diào)整完的數(shù)據(jù)會自動被存儲和記憶，這些數(shù)據(jù)為第i+3 刀作業(yè)提供操作依據(jù)，以這用方式循環(huán)進(jìn)行截割煤作業(yè)工作。

圖1 采煤機(jī)自動記憶截割運(yùn)行路徑示意圖

2 整個采煤機(jī)自動監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

由于井下的采煤工作的環(huán)境非常復(fù)雜而且多變，并且采煤機(jī)的自動記憶截割方法還有很多的不足，在實際使用時，其自動化水平比較低，所以要持續(xù)改善其方法。采煤機(jī)的自動監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化，不僅使自動化水平得到提升，還能實時監(jiān)控采煤機(jī)每個部位在工作時的狀態(tài)，可以及時發(fā)現(xiàn)采煤機(jī)在工作過程中的問題并做出相應(yīng)的處理，從而提高了采煤機(jī)的工作穩(wěn)定性和大大減少了工作過程中故障發(fā)生的概率。整個自動監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是由Wicc、各種傳感器、S7-300PLC 等組成。PLC 通過傳感器將所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集與監(jiān)測，并由其輸入模塊接收與處理，以達(dá)到對采煤機(jī)工作截割煤工作過程中的實時監(jiān)控。假如采煤機(jī)在工作過程中某一個部件突然發(fā)生故障，故障報警系統(tǒng)發(fā)出信息，與此同時控制系統(tǒng)就會把采煤機(jī)的有關(guān)信息進(jìn)行采集并存儲，比如上下滾筒的搖臂的傾斜角度、擺動角度、機(jī)身位置和傾斜角度。為采煤機(jī)在工作面三角區(qū)域?qū)崿F(xiàn)自動化記憶截割提供可靠數(shù)據(jù)參考依據(jù)，從而使工作面智能化的開采程度得到了提升。圖2 即為自動化監(jiān)控系統(tǒng)整體框架圖。

圖2 自動化監(jiān)控系統(tǒng)整體框架圖

3 設(shè)計PLC 硬件的選型

3.1 PLC 選型

自動監(jiān)控控制系統(tǒng)最重要的核心元件是PLC，PLC 的組成包括：輸入/輸出接口模塊、存儲器模塊、CPU 模塊和通信模塊。從PLC 的存儲容量和輸入/輸出點數(shù)等各方面因素考慮，改監(jiān)控系統(tǒng)選用西門子公司的中大型s7-300PLC 所選用的CPU 型號為313c-2ptp。

3.2 通信模塊選型

為了使PLC 和上位機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)通信連接，所以我們選用與之配套的通信摸塊CP341，該模塊的特點是實現(xiàn)點對點通信，通信模塊的硬件配置為一個串口通信端口，即RS-458，改通信口最遠(yuǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)1 300 m 的通信，主要支持的軟件協(xié)議有data Highway RTU 和MODBUS RTU。CP341 可以實現(xiàn)上位機(jī)與PLC 之間的數(shù)據(jù)交換以及遠(yuǎn)方操作和控制。S7-300PLC 的組網(wǎng)是通過PROFIBUS-DP 與通信模塊和上位機(jī)實行的，通信網(wǎng)絡(luò)是PLC 控制系統(tǒng)內(nèi)最重要的部分，在實際使用時，控制系統(tǒng)發(fā)生的故障中，一般都是通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)生的故障，為了減少通信網(wǎng)絡(luò)的故障率使井下監(jiān)控系統(tǒng)更加穩(wěn)定，所以在PLC硬件在選擇時我們通常會選擇抗干擾能力強(qiáng)、電氣兼容性好、接口簡單的硬件，所以選擇西門子公司的產(chǎn)品。

4 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件的設(shè)計

設(shè)計采煤機(jī)的自動監(jiān)測控制系統(tǒng)的工作流程，圖3 即為監(jiān)控系統(tǒng)控制流程圖。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)控制流程圖

模塊化編程思想主要應(yīng)用在監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，模塊化思想將監(jiān)控系統(tǒng)劃分為人工的調(diào)節(jié)修正、數(shù)據(jù)信息的采集存儲、記憶截割自適應(yīng)調(diào)整和故障報警的輸出。

采煤機(jī)進(jìn)行記憶截割工作時，剛開始必須由人工操作對采煤機(jī)進(jìn)行試教截割作業(yè)，在此過程中采煤機(jī)各組成部分的運(yùn)動相關(guān)數(shù)據(jù)，會被監(jiān)測控制系統(tǒng)進(jìn)行采集并且監(jiān)控系統(tǒng)會分析與處理這些數(shù)據(jù)。之后，會記錄與儲存人工操作截割作業(yè)的運(yùn)動軌跡，在此過程中只要把記錄和存儲的數(shù)據(jù)傳到控制系統(tǒng)就能實現(xiàn)采煤機(jī)的自動記憶截割作業(yè)。與此同時，由于井下工作面環(huán)境變化等原因的影響，采煤機(jī)在記憶截割作業(yè)時還需要進(jìn)行人工的修正和調(diào)節(jié)。采煤機(jī)故障報警系統(tǒng)的設(shè)計，使采煤機(jī)故障判別和處理效率得到了大大提高，采煤機(jī)在自動記憶截割作業(yè)過程中，采集來的信息會被監(jiān)控系統(tǒng)存儲和分析，若有異常情況發(fā)生在采煤機(jī)正常運(yùn)行狀況中時，監(jiān)控系統(tǒng)會根據(jù)采集存儲的數(shù)據(jù)來自適應(yīng)調(diào)節(jié)采煤機(jī)的運(yùn)行狀況和姿態(tài)，當(dāng)調(diào)整完成以后，系統(tǒng)將會檢查和對照采煤機(jī)每個部分工作運(yùn)行時的數(shù)據(jù)，當(dāng)各部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示正常后，系統(tǒng)會把原來截割作業(yè)的軌跡與調(diào)整后的作業(yè)軌跡的所有數(shù)據(jù)兩者相比較，如果有較小的誤差存在與兩者之間，那么控制系統(tǒng)會選擇修正之后的軌跡接著正常工作運(yùn)行，如果數(shù)據(jù)偏差大或數(shù)據(jù)不正常時，采煤機(jī)的故障報警系統(tǒng)就會發(fā)出報警信息。這時候必須要人工復(fù)位正常后才能恢復(fù)正常工作運(yùn)行。

5 應(yīng)用效果

自動記憶截割控制系統(tǒng)應(yīng)用在某一個智能化綜合采煤工作面，在這個智能化綜合采煤機(jī)正常工作時采煤機(jī)各部分運(yùn)動數(shù)據(jù)如下頁表1 所示。

通過下頁表1 數(shù)據(jù)可知道，在采煤機(jī)在工作面正常進(jìn)行記憶截割工作時，采煤機(jī)運(yùn)行的各項數(shù)據(jù)信息都被監(jiān)控系統(tǒng)實時采集，實現(xiàn)了采煤機(jī)在正常截割煤作業(yè)過程中所有機(jī)身數(shù)據(jù)的可視化，從而使采煤機(jī)自動記憶截煤操作的自動化水平提高，本控制系統(tǒng)所采集的所有數(shù)據(jù)都和采煤機(jī)正常工作時的數(shù)據(jù)相差不大，充分證明了本控制系統(tǒng)可以符合現(xiàn)場使用的要求。

表1 采煤機(jī)實際運(yùn)行狀態(tài)下監(jiān)控系統(tǒng)采集的機(jī)身數(shù)據(jù)表