煤礦綜采工作面設(shè)備群自動(dòng)啟停程序設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

摘要：基于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的“煤礦智能場(chǎng)景邊云協(xié)同系統(tǒng)”硬件架構(gòu)，利用SIMATIC S7-1200控制器編寫(xiě)了煤礦綜采工作面設(shè)備群的自動(dòng)啟停程序。為了更好地測(cè)試程序，開(kāi)發(fā)了一套煤礦綜采工作面邊云協(xié)同控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)邊側(cè)，采用MCGS昆侖通態(tài)觸摸屏作為人機(jī)界面，而云側(cè)則通過(guò)Flask框架開(kāi)發(fā)了Web頁(yè)面，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊側(cè)設(shè)備的監(jiān)控。數(shù)據(jù)通過(guò)MQTT上傳至云平臺(tái)，通過(guò)云側(cè)操作實(shí)現(xiàn)了邊側(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)響應(yīng)。邊與云之間采用以太網(wǎng)光纖連接方式，利用KubeEdge組件實(shí)現(xiàn)了云邊協(xié)同，從而達(dá)成了邊云協(xié)同的控制模式。

關(guān)鍵詞：PLC控制系統(tǒng);邊云協(xié)同;Web開(kāi)發(fā);MCGS組態(tài)軟件

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2024）18-0046-07

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.18.012

0 引言

隨著科技的飛速進(jìn)步和煤礦智能化的持續(xù)發(fā)展，煤礦綜采工作面的安全生產(chǎn)與高效運(yùn)行已成為煤礦企業(yè)發(fā)展面臨的重難點(diǎn)問(wèn)題。傳統(tǒng)的煤礦綜采方式存52b5a7e0364d6289dfb91ade7765afb88539bd015b82611c114b1f8cc2dd0434在著諸多不足，如生產(chǎn)效率低下、安全隱患大、管理手段單一等，這些不足嚴(yán)重制約了煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

在這一背景下，本文針對(duì)井下設(shè)備群的自動(dòng)控制沒(méi)有良好的控制系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)綜采工作面邊云協(xié)同控制的智能化平臺(tái)，設(shè)計(jì)底層邏輯控制程序應(yīng)用其中，對(duì)于保障煤礦安全高效開(kāi)采具有極其重要的意義。

新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，為煤礦綜采工作面的智能化改造提供了有力支持。本文旨在利用新一代信息技術(shù)手段，構(gòu)建一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析于一體的智能化平臺(tái)。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)綜采工作面的各項(xiàng)參數(shù)，平臺(tái)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的異常情況，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，更好地應(yīng)用底層邏輯程序，為管理人員提供科學(xué)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。邊云協(xié)同系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的協(xié)同作業(yè)，優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率，為企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)劃提供有力支撐[1]。

1 煤礦綜采工作面邊云協(xié)同控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

井下設(shè)備設(shè)施眾多，布點(diǎn)分散，程序的應(yīng)用更需要在一個(gè)合適的系統(tǒng)中體現(xiàn)，因此首先設(shè)計(jì)了一套穩(wěn)定的煤礦綜采工作面邊云協(xié)同控制系統(tǒng)承載程序。該系統(tǒng)通過(guò)布置井下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方式采集井下各設(shè)備的實(shí)時(shí)參數(shù)，感知層中的PLC和邊緣計(jì)算主機(jī)采集設(shè)備層中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并通過(guò)傳輸層的井下環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)上云，同時(shí)將各設(shè)備參數(shù)通過(guò)Web可視化頁(yè)面呈現(xiàn)出來(lái)[2]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.2.1 邊側(cè)

邊側(cè)為圖1的應(yīng)用層和設(shè)備層，由布置在井下的大量設(shè)備組成，如順槽集控中心、采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架、皮帶輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)等，以SIMATIC S7-1200控制器做底層邏輯程序控制。

針對(duì)監(jiān)控區(qū)域，部署邊緣計(jì)算主機(jī)，通過(guò)圖像識(shí)別進(jìn)行邊緣側(cè)的圖像處理，當(dāng)發(fā)生違規(guī)事故、機(jī)器故障時(shí)第一時(shí)間識(shí)別并上報(bào)系統(tǒng)，展示在Web頁(yè)面。

1.2.2 云側(cè)

云側(cè)為圖1的云基礎(chǔ)設(shè)施層，使用物聯(lián)網(wǎng)成熟的MQTT數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上云，因此需要配置服務(wù)器為MQTT服務(wù)器來(lái)解析數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)通過(guò)FinalShell軟件的SSH（Secure Shell）服務(wù)登錄ECS，部署EMQ X Broker開(kāi)源物聯(lián)網(wǎng)MQTT消息服務(wù)器。

本系統(tǒng)后端數(shù)據(jù)庫(kù)選用成熟的MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，為便于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，需將數(shù)據(jù)庫(kù)部署在云端，因此選用阿里云RDS（Relational Database Service）云數(shù)據(jù)庫(kù)，云數(shù)據(jù)庫(kù)經(jīng)過(guò)阿里云內(nèi)網(wǎng)加密、IP（Internet Protocol）地址白名單授權(quán)，具有良好的安全性[3]。

2 自動(dòng)啟停程序設(shè)計(jì)

2.1 依托設(shè)備及I/O分配

西門(mén)子S7-1200是西門(mén)子推出的一款中小型可編程邏輯控制器（PLC），主要用于工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。S7-1200系列PLC具有高性能、高可靠性和靈活的特點(diǎn)，適用于各種自動(dòng)化控制應(yīng)用場(chǎng)景。

本次借助于實(shí)驗(yàn)室的西門(mén)子S7-1200 PLC完成各設(shè)備自動(dòng)控制，使用了一個(gè)CPU 1214C DC/DC/DC和四個(gè)擴(kuò)展模塊DI 16x24VDC_1、AQ 4x14BIT_1、AI 8x13BIT_1、AI 8x13BIT_2。該自動(dòng)啟停程序I/O分配如表1所示。

2.2 程序設(shè)計(jì)

綜采工作面所有設(shè)備應(yīng)“逆煤流啟動(dòng)”，即從膠帶輸送機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)到采煤機(jī)按順序啟動(dòng)。工作面的一鍵啟?？刂破毡椴捎迷O(shè)定固定時(shí)間間隔的方法來(lái)完成，即自動(dòng)啟動(dòng)過(guò)程是生產(chǎn)設(shè)備按照“逆煤流啟動(dòng)”的原則，前一設(shè)備啟動(dòng)后，后一設(shè)備進(jìn)入啟動(dòng)預(yù)警，當(dāng)啟動(dòng)預(yù)警時(shí)間結(jié)束后，該設(shè)備自動(dòng)啟動(dòng)，直到所有設(shè)備啟動(dòng)完成，啟動(dòng)正式生產(chǎn)作業(yè)狀態(tài)。

為保證煤炭正常生產(chǎn)和井下工作人員安全，同理，綜采工作面設(shè)備一鍵關(guān)閉過(guò)程是生產(chǎn)設(shè)備按照“順煤流停止”的原則停運(yùn)，依次為刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、膠帶輸送機(jī)，最后是泵站。前一設(shè)備停機(jī)后，后一設(shè)備進(jìn)入停機(jī)倒計(jì)時(shí)階段，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)時(shí)間結(jié)束，該設(shè)備自動(dòng)停機(jī)。梯形圖如圖2和圖3所示，特別需要注意的是，在啟動(dòng)和關(guān)閉中設(shè)計(jì)了一個(gè)Python后端程序，可以由Web頁(yè)面上的點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制PLC程序的啟動(dòng)。

3 MCGS人機(jī)界面及Web可視化界面展示

3.1 MCGS人機(jī)界面設(shè)計(jì)

3.1.1 依托設(shè)備

在邊側(cè)部分，使用了昆侖通態(tài)的觸摸屏MCGS，它具有友好的人機(jī)界面，使得操作人員能夠方便地監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行。其次，MCGS具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，為控制系統(tǒng)提供重要的決策依據(jù)[4]。

3.1.2 畫(huà)面布局

此項(xiàng)目的畫(huà)面布局總體分為5部分，包括首頁(yè)、采煤機(jī)控制、一鍵啟動(dòng)控制、截割數(shù)據(jù)、報(bào)警與檢修。首頁(yè)負(fù)責(zé)切換各個(gè)頁(yè)面;采煤機(jī)控制頁(yè)面實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)搖臂以及運(yùn)行速度的控制;一鍵啟動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)了順序啟動(dòng)和逆序停止的顯示;截割數(shù)據(jù)負(fù)責(zé)截割深度和運(yùn)行速度的反饋;報(bào)警與檢修實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤報(bào)警和往期截割深度、運(yùn)行速度歷史曲線的顯示。

3.1.3 背景建模

在工控屏的背景設(shè)計(jì)上，使用三維建模軟件SketchUp進(jìn)行了工作面、運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽的建模，其中主要包括實(shí)體煤、采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、膠帶輸送機(jī)和設(shè)備列車。在設(shè)計(jì)好工作面后，導(dǎo)出jpg圖片作為控制畫(huà)面的主要背景，如圖4所示。

3.1.4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是與PLC進(jìn)行通信的必要條件，本項(xiàng)目的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中主要包括一鍵啟動(dòng)、截割深度、運(yùn)行速度、上下?lián)u臂的角度及各個(gè)設(shè)備的啟停狀態(tài)。其中對(duì)上下?lián)u臂的角度、運(yùn)行速度和截割深度進(jìn)行了限制，上搖臂區(qū)間為0°～90°，下?lián)u臂區(qū)間為180°～270°，運(yùn)行速度最大不超過(guò)2 m/s，截割深度不超過(guò)100 cm，當(dāng)超出設(shè)定區(qū)間時(shí)，便會(huì)進(jìn)行報(bào)警警告。

3.1.5 元素效果設(shè)置

元素動(dòng)態(tài)效果設(shè)置是提升畫(huà)面交互性和用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵。利用昆侖通態(tài)軟件提供的豐富的動(dòng)態(tài)效果設(shè)置選項(xiàng)，如漸變、閃爍、滑動(dòng)和腳本運(yùn)行策略，實(shí)現(xiàn)畫(huà)面的豐富性和可操作性。通過(guò)合理設(shè)置這些效果，可使畫(huà)面更加生動(dòng)和吸引人。下面闡述畫(huà)面設(shè)置過(guò)程中的關(guān)鍵步驟：

1）時(shí)間的顯示：日期需要關(guān)聯(lián)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的$Data和$Time變量進(jìn)行顯示，運(yùn)行時(shí)間需要關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)中的$Runtime變量進(jìn)行顯示。

2）一鍵啟動(dòng)的按鈕設(shè)計(jì)：需要將想要的圖形放置于面板上，并將按鈕放置于一鍵啟動(dòng)圖形上方（需要注意上下層關(guān)系），調(diào)整為透明色并且關(guān)聯(lián)一鍵啟動(dòng)變量（布爾類型）用于改變變量值。

3）報(bào)警信息編輯：首先需要選擇根據(jù)實(shí)時(shí)報(bào)警數(shù)據(jù)還是歷史報(bào)警數(shù)據(jù);其次選擇需要報(bào)警的變量和顯示格式;最后，在報(bào)警條編輯中，如若不關(guān)聯(lián)任何變量，則表示顯示所有變量的報(bào)警信息。

4）實(shí)時(shí)/歷史曲線設(shè)計(jì)：需要關(guān)聯(lián)曲線所顯示的變量（最多可以關(guān)聯(lián)6個(gè)變量）;編輯顯示屬性;清除曲線需要用到腳本程序ClearData（ ）來(lái)清除數(shù)據(jù)。在歷史曲線中修改起始時(shí)間需要用到腳本程序ShowTimeDialog（ ）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2 Web可視化界面展示

3.2.1 頁(yè)面設(shè)計(jì)

綜采工作面邊云協(xié)同決策平臺(tái)大屏由工作面數(shù)據(jù)表、各階段用時(shí)統(tǒng)計(jì)表、綜采工作面示意圖、日采煤量統(tǒng)計(jì)圖、總采煤量、設(shè)備狀態(tài)表六個(gè)部分（圖5）和液壓支架模塊、采煤機(jī)模塊、刮板運(yùn)輸機(jī)模塊三個(gè)二級(jí)頁(yè)面組成，通過(guò)對(duì)導(dǎo)航按鈕的點(diǎn)擊可以調(diào)出所選設(shè)備的二級(jí)頁(yè)面，進(jìn)而獲取設(shè)備的具體信息。

在綜采工作面邊云協(xié)同決策平臺(tái)大屏中使用HTML制作網(wǎng)頁(yè)的骨架，定義頁(yè)面的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，使用CSS控制HTML元素的布局、顏色、字體和其他視覺(jué)表現(xiàn)，使用JavaScript為頁(yè)面添加了交互性和動(dòng)態(tài)功能，并引入了jQuery、ECharts等的JavaScript代碼庫(kù)。jQuery代碼庫(kù)（框架）增強(qiáng)了事件處理能力并減少了瀏覽器兼容性問(wèn)題，通過(guò)使用ECharts制作的相關(guān)圖表可直觀清晰地將數(shù)據(jù)可視化。

3.2.2 液壓支架模塊設(shè)計(jì)

液壓支架是用來(lái)控制工作面礦山壓力的重要設(shè)備。該模塊主要展示了支架支護(hù)強(qiáng)度（支架對(duì)單位控頂面積頂板所提供的工作阻力）、支架高度、底板載荷集度（又稱底板比壓，支架底座對(duì)單位面積底板所造成的壓力）、礦山壓力曲線。直觀展示液壓支架工作狀態(tài)（圖6），便于監(jiān)測(cè)礦山壓力，能大大提高液壓支架的可靠性、可維護(hù)性和使用壽命，降低維護(hù)成本。

3.2.3 采煤機(jī)模塊設(shè)計(jì)

采煤機(jī)是重要的綜采三機(jī)設(shè)備之一。該模塊展示了電動(dòng)機(jī)功率、截割速度、牽引力、過(guò)煤高度、采煤機(jī)左右滾筒的電流曲線，能實(shí)時(shí)獲取和更新采煤機(jī)的數(shù)據(jù)，監(jiān)控采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)（圖7），及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，從而大大提高采煤機(jī)的可維護(hù)性和可靠性，降低維護(hù)成本，進(jìn)一步提升煤炭開(kāi)采的生產(chǎn)效率。

3.2.4 刮板運(yùn)輸機(jī)模塊設(shè)計(jì)

刮板輸送機(jī)是一種專門(mén)用于運(yùn)送煤、矸石或各種物料的關(guān)鍵設(shè)備，還是采煤機(jī)得以順暢運(yùn)行的重要軌道。這個(gè)模塊（圖8）詳細(xì)展示了刮板輸送機(jī)的各項(xiàng)重要參數(shù)，包括其輸送量的大小，這決定了其運(yùn)輸效率;刮板鏈的速度，這反映了其工作的快慢;電動(dòng)機(jī)的功率，它直接關(guān)聯(lián)到設(shè)備的驅(qū)動(dòng)力;所需的電壓，用于保障設(shè)備正常運(yùn)行的電能需求。通過(guò)這些參數(shù)，可以全面了解刮板輸送機(jī)的性能，從而確保其高效、穩(wěn)定地服務(wù)于煤炭開(kāi)采工作。

4 自動(dòng)啟停程序在系統(tǒng)中的測(cè)試

設(shè)計(jì)的煤礦綜采工作面邊云協(xié)同控制系統(tǒng)如圖9所示，其中，綜采集中控制中心（邊）模擬測(cè)試井下順槽集控中心，位于實(shí)驗(yàn)室左側(cè)，綜采智能管控平臺(tái)（云）模擬測(cè)試地面調(diào)度中心，位于實(shí)驗(yàn)室右側(cè)。

邊與云之間采用以太網(wǎng)光纖連接方式，利用KubeEdge組件實(shí)現(xiàn)云-邊協(xié)同。依托實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的“煤礦智能場(chǎng)景邊云協(xié)同系統(tǒng)”硬件架構(gòu)，融合工控通信、KubeEdge Kubernetes、MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)、Python-Flask庫(kù)、Python-snap7庫(kù)、MQTT等關(guān)鍵技術(shù)與工具，測(cè)試煤礦綜采工作面設(shè)備群自動(dòng)啟停程序。

經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟動(dòng)程序，并將邊側(cè)設(shè)備的狀態(tài)顯示在云端的Web頁(yè)面。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是云計(jì)算和邊緣計(jì)算的蓬勃發(fā)展，邊云協(xié)同控制技術(shù)為多模態(tài)作業(yè)協(xié)同調(diào)度帶來(lái)了新的可能性和機(jī)會(huì)[5]。本研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了煤礦綜采工作面設(shè)備群自動(dòng)啟停程序，并設(shè)計(jì)了一套煤礦綜采工作面邊云協(xié)同控制系統(tǒng)來(lái)測(cè)試編寫(xiě)的程序。

預(yù)計(jì)在將來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展以及適用機(jī)會(huì)的增加，該平臺(tái)將更好地滿足復(fù)雜、大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理需求，并可增加其他程序，如液壓支架自動(dòng)跟機(jī)、采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高、刮板輸送機(jī)自動(dòng)找直，為煤礦自動(dòng)化、智能化做出貢獻(xiàn)。

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收稿日期：2024-05-16

作者簡(jiǎn)介：賀皓宇（2002—），男，山西太原人，研究方向：采礦工程（煤炭智能化）。