基于PLC 控制的采煤機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用研究

薛佳皓

（晉能控股煤業(yè)集團草垛溝煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037102）

引言

采煤機是綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，采煤機的工作可靠性直接影響到礦井的經(jīng)濟效益和安全生產(chǎn)，對采煤機進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控是實現(xiàn)綜采工作面自動化的必要條件。在采煤機實際作業(yè)過程中，作業(yè)環(huán)境存在通風(fēng)效果較差、粉塵集中、散熱性能較差等問題，致使設(shè)備出現(xiàn)了作業(yè)溫度較高、作業(yè)功率超限運轉(zhuǎn)、電機燒壞、滾筒磨損嚴(yán)重等問題，若無法采用更加有效的技術(shù)對采煤機運行故障進(jìn)行排除，將嚴(yán)重影響著采煤機的作業(yè)效率[1]。

結(jié)合采煤機當(dāng)前通信原理，設(shè)計一套更加智能化的監(jiān)控系統(tǒng)十分必要。為此，在充分利用工業(yè)控制技術(shù)基礎(chǔ)上，通過對采煤機結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，開展了基于PLC 控制技術(shù)的采煤機監(jiān)控系統(tǒng)研究和關(guān)鍵模塊設(shè)計，通過對遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用測試，驗證了此系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及可靠性，在采煤機中具有重要的應(yīng)用價值。

1 采煤機結(jié)構(gòu)組成分析

目前，煤礦中應(yīng)用較多的雙滾筒式采煤機，可根據(jù)煤層的高度和厚度進(jìn)行不同姿態(tài)的調(diào)整。采煤機結(jié)構(gòu)主要由牽引部、截割部、滾筒、動力電機、電氣控制系統(tǒng)等部分組成。牽引電機通過主動鏈輪將動力傳輸至減速箱中，并將動力傳輸至滾筒中，以此驅(qū)動滾筒對煤層進(jìn)行開采[2]。其中，滾筒是整個采煤機中的關(guān)鍵部件，包括了截齒、螺旋葉及端盤等零件，在使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)截齒斷裂問題。同時，滾筒及截齒在運行過程中也會因散熱效果較差、作業(yè)環(huán)境通風(fēng)效果較差、供水冷卻系統(tǒng)較弱等問題導(dǎo)致局部溫度增加，粉塵的聚集也對采煤機設(shè)備的正常運行造成了重要影響。因此，為保證采煤機正常的開采作業(yè)，需要在采煤機中增加一套監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。

2 采煤機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合采煤機的作業(yè)需求，開展了針對采煤機作業(yè)狀態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研究。所設(shè)計的系統(tǒng)包括現(xiàn)場設(shè)備層、控制層、本地控制管理層、遠(yuǎn)程診斷管理層。其中，現(xiàn)場設(shè)備層主要包括底層的瓦斯傳感器、粉塵傳感器、電流互感器、溫度傳感器等，主要實現(xiàn)對采煤機運行狀態(tài)及工控環(huán)境的數(shù)據(jù)采集[3]。本地控制管理層的上機位采用了研華工控機，并與西門子的PLC 及WinCC 組態(tài)軟件監(jiān)控平臺進(jìn)行通信連接，利用遠(yuǎn)程訪問組件對采煤機作業(yè)狀態(tài)及下機位狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，有效防止事故的發(fā)生，利用內(nèi)部的存儲模塊，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的整理歸檔及報表生成[4]。遠(yuǎn)程診斷管理層則主要通過IE 瀏覽器和監(jiān)控平臺來實現(xiàn)對采煤機運行狀態(tài)的監(jiān)控，當(dāng)采煤機作業(yè)溫度、電機等出現(xiàn)異?，F(xiàn)象時，可通過監(jiān)控平臺上的顯示圖標(biāo)進(jìn)行故障類型顯示及故障報警，人員可根據(jù)此報警信息故障排除。另外，利用監(jiān)控系統(tǒng)可對采煤機運行狀態(tài)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)歸檔，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，形成柱狀圖，以便后期對設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行綜合分析。整體監(jiān)控系統(tǒng)具有更全面的監(jiān)控功能，系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提升，設(shè)備的故障率也有效降低。采煤機作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架圖如圖1 所示。

圖1 采煤機作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計

3.1 PLC 控制模塊設(shè)計

由于需對采煤機作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行實時檢測，控制程序及邏輯相對復(fù)雜，故采用了PLC 控制器對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制。所選用的PLC 為西門子的S3-700 型，主要設(shè)計在直接控制層，可實現(xiàn)對采煤機動作控制、運行數(shù)據(jù)檢測、邏輯計算等，并實時接收上機位傳輸?shù)目刂泼?，利用通信線傳輸至工控機中[5]。PLC 控制程序采用STEP7 進(jìn)行梯形圖程序編寫，輸入模塊采用AI8×12bit 模塊，配備了10 個溫度輸入信號，經(jīng)AI 模塊采集后存入至IW368 映像的存儲器中。在此控制程序中設(shè)計了OB1 主控程序、OB37 循環(huán)中斷、OB100 暖啟動等組成，通過各模塊的信號轉(zhuǎn)化及匹配，最終傳入至DB1/DBD0 的數(shù)據(jù)模塊中，整個PLC控制程序的流程圖如圖2 所示。

圖2 整個PLC 控制程序的流程圖

3.2 PLC 與變頻器通信設(shè)計

為保證整個監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用了ABB-ACS800 系列的變頻器， 網(wǎng)絡(luò)則基于Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)，最終與西門子的PLC 進(jìn)行通信設(shè)計。其中，Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可滿足分布式I/O 控制單元，利用高速數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行設(shè)計[6]。同時，變頻器設(shè)計了主變頻器和從變頻器，配備了一臺工控機，在網(wǎng)絡(luò)上設(shè)計了一個主站和若干個從站，主站利用站發(fā)點根據(jù)站號進(jìn)行信號傳輸，通信傳輸速率最大可達(dá)12 Mbit/s，Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可將信號傳至PLC 控制器中的CPU、AI、AO 等接口中，實現(xiàn)傳動單元發(fā)出啟動、停止、運行等相應(yīng)控制命令。另外，利用傳輸線理論原理，配備了一個終端電阻來實現(xiàn)對信號中發(fā)射波的吸收，有效增強信號強度。PLC 與變頻器的網(wǎng)絡(luò)配置圖如圖3 所示。

圖3 PLC 與變頻器的網(wǎng)絡(luò)配置圖

3.3 溫度檢測及保護模塊設(shè)計

為進(jìn)一步實現(xiàn)對采煤機作業(yè)溫度的實時檢測，在此監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)計了溫度檢測及保護模塊。此模塊主要利用鉑電阻的高電阻率、高穩(wěn)定靈敏性等特點對采煤機電機溫度進(jìn)行檢測，通過鉑電阻形成一個溫度傳感器，可實現(xiàn)對采煤機-70～600 ℃范圍的檢測。所設(shè)計的模塊電路采用了5 V 直流供電，利用LM324 差分放大器進(jìn)行電源電壓調(diào)節(jié)。WR2 為120 Ω 的滑動變阻器，可實現(xiàn)對電橋電壓的平衡調(diào)節(jié)。此溫度檢測及保護模塊的電路原理圖如圖4 所示。

圖4 溫度檢測及保護模塊電路圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用測試

結(jié)合所設(shè)計的新型采煤機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，將其集成在現(xiàn)有采煤機中進(jìn)行了實際應(yīng)用測試，測試周期將近3 個月。在測試過程中，整個監(jiān)控系統(tǒng)運行正常，監(jiān)控界面更加清晰，監(jiān)控數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，能通過界面中的數(shù)據(jù)分析、圖形顯示等不同形式對采煤機作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行顯示，人員可更強清晰、直觀地對設(shè)備進(jìn)行觀察分析。同時，前端的各類傳感器采集精度更高，能對采煤機作業(yè)溫度、滾筒切割高度、環(huán)境瓦斯?jié)舛燃把鯕鉂舛鹊葏?shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，通過監(jiān)控界面顯示。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障問題時，能通過監(jiān)控界面對故障類型及故障發(fā)生位置進(jìn)行實時顯示，人員可根據(jù)此顯示內(nèi)容快速進(jìn)行故障排除。據(jù)現(xiàn)場對此監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行評估，該監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用后，能使采煤機設(shè)備的故障率降低60%以上，設(shè)備的維修及作業(yè)人員勞動強度大大降低，人員數(shù)量減少，提高了采煤機的作業(yè)效率，整個運行情況達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié)語

采煤機作為影響煤礦開采效率的重要設(shè)備，保證其作業(yè)效率及較低的故障率對提高企業(yè)的經(jīng)濟效益具有重要作用。為此，在分析采煤機結(jié)構(gòu)組成基礎(chǔ)上，開展了基于PLC 控制器的采煤機監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計及關(guān)鍵分系統(tǒng)的研究，通過將該系統(tǒng)進(jìn)行實際應(yīng)用測試，得出：該系統(tǒng)運行良好，監(jiān)控精度更高，采集功能更加全面，能通過顯示界面更加直觀、智能化地對采煤機運行狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)檢測及故障診斷，大大降低了采煤機的故障發(fā)生率，減輕了人員的勞動強度，這對提高采煤機的作業(yè)效率及智能化程度具有重要意義，應(yīng)用價值較大。