采煤機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用分析

趙曉璐

（晉能控股煤業(yè)集團鐵路運營有限公司礦山鐵路分公司，山西大同 037000）

在綜采工作面采煤機是一個核心機械設(shè)備，通常采煤機工作的穩(wěn)定性對礦井進行能夠產(chǎn)生直接影響。當(dāng)采煤機工作的過程中，其工況環(huán)境主要存在如下幾個方面的問題：第一，通風(fēng)效果不理想；第二，粉塵集中；第三，散熱性能不好等，從而導(dǎo)致采煤機出現(xiàn)了如下問題：第一，電機燒壞；第二，滾筒磨損嚴(yán)重；第三，作業(yè)功率超限轉(zhuǎn)速；第四，作業(yè)溫度相對較高等。假如維修人員不能有效地解決采煤機的上述故障，那么將會對采煤機的工作效率產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[1]。

通過分析采煤機的工作原理，本研究為采煤機設(shè)計一個性能更為智能化的監(jiān)控系統(tǒng)。因此，首先借助工業(yè)控制技術(shù)基礎(chǔ)，對采煤機的結(jié)構(gòu)進行分析，接著以PLC 控制技術(shù)為基礎(chǔ)，對采煤機控制系統(tǒng)以及關(guān)鍵單元進行分析與設(shè)計，最終借助遠程控制系統(tǒng)對采煤機進行測試，經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)工作性能可靠，具有一定的應(yīng)用價值。

1 采煤機結(jié)構(gòu)組成分析

煤礦企業(yè)在開采時大都選用雙滾筒式采煤機，此采煤機通常能夠依據(jù)采煤層厚度以及相應(yīng)的高度，實現(xiàn)設(shè)備的自動調(diào)整，一般實現(xiàn)自動工作的效果。該采煤機主要結(jié)構(gòu)由如下幾個單元組成：第一，牽引單元；第二，截割單元；第三，滾筒；第四，動力電機；第五，電氣控制系統(tǒng)等其中，牽引電機可以借助主動鏈輪把動力輸出給減速器，與此同時通過軸承將動力傳輸?shù)綕L筒，進而可以實現(xiàn)對煤層的開采。而滾筒在采煤機中又是居于核心地位，主要涉及截齒、螺旋葉及端盤等零件。通過實踐發(fā)現(xiàn)滾筒主要的故障問題是截齒斷裂[2]。與此同時，滾筒與截齒在使用的過程中由于散熱效果不理想，通風(fēng)差以及供水冷卻系統(tǒng)弱，從而導(dǎo)致零件局部溫度過高，從而對設(shè)備產(chǎn)生影響。為此，要想實現(xiàn)采煤機正常工作，必須設(shè)置一套監(jiān)控系統(tǒng)，從而可以更好地對設(shè)備進行實時監(jiān)測。

2 采煤機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)主要包括如下幾個方面：第一，現(xiàn)場設(shè)備層；第二，控制層；第三，本地控制管理層；第四，遠程診斷管理層。其中，對于現(xiàn)場設(shè)備層而言，主要是完成采煤機運動狀態(tài)以及工控環(huán)境方面的數(shù)據(jù)采集，因此設(shè)置了大量的傳感器諸如：第一，瓦斯傳感器；第二，粉塵傳感器；第三，溫度傳感器；第四，電流互感器等。對于控制層而言，工控機選擇研華生產(chǎn)的產(chǎn)品，其能夠與西門子的PL.C 及WinCC 組態(tài)軟件監(jiān)控平臺進行通信連接，從而可以遠程監(jiān)控采煤機的作業(yè)以及下位機工作狀態(tài)，可以有效地避免安全問題。與此同時，可以借助內(nèi)部設(shè)置的儲存單元對數(shù)據(jù)進行歸檔整理以及生成相應(yīng)的報表[3]。對于遠程診斷管理層而言，其借助IE 瀏覽器以及監(jiān)控平臺可以監(jiān)控采煤機的運行狀態(tài)。假如采煤機作業(yè)溫度超過設(shè)置值時，那么這時監(jiān)測人員能夠通過監(jiān)測顯示平臺觀察故障類型以及報警信號，最終通知維修人員依據(jù)報警信息及時排除故障。該監(jiān)控設(shè)備功能全面，性能穩(wěn)定，大大降低了設(shè)備的故障率[4]。圖1 表示采煤機作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架圖。

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

PLC 控制單元必須能夠?qū)崿F(xiàn)對采煤機工作狀態(tài)的實時監(jiān)測。為此，在設(shè)計的過程中設(shè)置了控制程序與邏輯單元以實現(xiàn)實時監(jiān)測的目的。其型號為西門子的S3-700型，將其設(shè)定在直徑控制層，其可以能夠有效地對采煤機工作的如下幾個環(huán)節(jié)進行控制：第一，動作控制；第二，運行數(shù)據(jù)檢測；第三，邏輯計算等[5]。與此同時，時刻可以接受上位機的指令，并且通過光纖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C中。PLC 控制程序采用STEP7 進行梯形圖程序編寫，輸入單元選用AI8x12bit 單元，其配置有10個溫度輸入信號端。當(dāng)AI單元完成采集數(shù)據(jù)之后，其可以把數(shù)據(jù)保存在IW368 映像的存儲器內(nèi)部。圖2表示PLC控制程序的流程圖。

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

為了提高監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性，在系統(tǒng)中配置了變頻器，其型號為ABB-ACS800，以Profibus-DP進行信息傳輸，并能夠與PLC 進行通信[6]。其中，Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)分布式I/O控制單元的作用，借助高速數(shù)據(jù)實現(xiàn)信息的傳輸。與此同時，該變頻器包括：主、從變頻器、一臺工控機。此外，在網(wǎng)絡(luò)方面設(shè)計一個主站與若干個從站，其中，主站依據(jù)站號傳輸信息，最大頻率為12Mbit/s。通常，Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能夠把信號輸送到PLC 控制器接口，諸如：第一，CPU；第二，AI；第三，AO等接口中。即可控制采煤機實現(xiàn)啟動、停止、運行等制命令[7]。此外，可以在控制終端設(shè)置電阻，進而通過吸收信號中的發(fā)射波來增強信號，圖3表示相應(yīng)的PLC與變頻器的網(wǎng)絡(luò)配置圖。

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

為了能夠?qū)崟r監(jiān)測采煤機作業(yè)溫度，在該單元中設(shè)置了溫度與保護電路。該電路單元主要借助鉑電阻的物理特性，比如高電阻率、高穩(wěn)定靈敏性等，從而實現(xiàn)監(jiān)測采煤機溫度的目的。通過鉑電阻形成一個溫度傳感器，其監(jiān)測溫度范圍在-70℃～600℃之間。該控制電路單元選用5V直流電源進行供電，選用LM324差分放大器對電源電壓進行調(diào)節(jié)[8]。WR2表示120Ω的滑動變阻器，能夠有效地調(diào)整電橋電壓。圖4表示溫度檢測及保護的電圖。

圖4 溫度檢測及保護模塊電路圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用測試

工作人員把該系統(tǒng)設(shè)置在采煤機中，經(jīng)過三個月的工程實踐，檢測該系統(tǒng)的性能。經(jīng)過工程實踐發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)運行正常，監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)正確無誤，界面相對清晰，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析以及呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)圖形等。工作人員可以借助監(jiān)測系統(tǒng)界面直觀地觀察數(shù)據(jù)變化情況[9]。與此同時，傳感器采集精度較高，能夠?qū)崟r監(jiān)測采煤機工作溫度，對滾筒切割高度進行檢測，對瓦斯?jié)舛冗M行檢測等，并且將采集的數(shù)據(jù)通過界面顯示出來。當(dāng)出現(xiàn)報警信號時，工作人員可以及時排除故障。該系統(tǒng)應(yīng)用之后，采煤機設(shè)備的故障率下降了60%。此外，不僅可以有效減少維修人員的數(shù)量，為企業(yè)降低人力成本，而且可以極大地優(yōu)化維修人員的勞動強度。由此可以看出，該系統(tǒng)能夠提高采煤機的工作效率、優(yōu)化性能以及延長使用年限[10]。

5 結(jié)語

采煤機性能的優(yōu)劣直接影響開采效率，為了能夠有效地降低采煤機的故障率、優(yōu)化采煤機的性能、提高工作效率以及延長使用周期。本研究與采煤機結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的對采煤機的動態(tài)監(jiān)控進行設(shè)計，探究基于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)。通過工程實踐發(fā)現(xiàn)，該監(jiān)控系統(tǒng)運行良好，能夠?qū)崿F(xiàn)實時正確的監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)全方面的監(jiān)測，工作人員可以通過顯示界面實時監(jiān)測采煤機的工作狀態(tài)，以及查看故障情況，從而可以有效地降低了采煤機的事故率。不僅可以有效減少維修人員的數(shù)量，為企業(yè)降低人力成本，而且可以極大地優(yōu)化維修人員的勞動強度。由此可以看出，該系統(tǒng)能夠提高采煤機的工作效率、優(yōu)化性能以及延長使用周期。因此可以看出該系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價值。