劉艷芳 譚 超

(中國礦業(yè)大學機電學院，江蘇 徐州 221008)

0 引言

采煤機是綜采機電裝備的關鍵設備之一，其運行的可靠性直接影響整個煤礦的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。為了提高采煤機運行的可靠性，不但需要不斷改進采煤機本身的制造水平，還需要對采煤機的工況進行實時監(jiān)控[1]。即根據(jù)采煤機運行情況，對采煤機進行實時調(diào)度，使其處于最佳工作狀態(tài)，從而大大提高采煤機工作的可靠性。

目前，國內(nèi)采煤機主要采用本地控制方式，采煤機通過駕駛員跟機操作或使用遙控器來控制采煤機的運行。采用本地控制方式在順槽和地面均無法實時獲取采煤機的工作狀態(tài)，更無法遠程控制采煤機的運行[2－3]。

為了使遠程操作人員能夠在順槽中對采煤機的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控，需要研發(fā)采煤機順槽控制系統(tǒng)。本文在研究本安型無線交換機和采煤機機載控制器的基礎上，根據(jù)采煤機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求，設計了采煤機順槽控制系統(tǒng)，具體研究了順槽控制系統(tǒng)的功能、結構及其網(wǎng)絡通信的關鍵技術。該系統(tǒng)實現(xiàn)了采煤機工況參數(shù)和控制指令的遠程傳輸。

1 順槽控制系統(tǒng)的功能設計

目前，國內(nèi)大型礦井的井下通信網(wǎng)絡已經(jīng)延伸至順槽。由于在順槽中，無論是與工作面還是地面的電話通信都十分方便，這有利于了解工作面采煤機的工況。因此，在順槽放置的順槽控制系統(tǒng)可以作為連接綜采面與地面的中心樞紐，處理、存儲并轉(zhuǎn)發(fā)來自地面和工作面的數(shù)據(jù)。

順槽控制系統(tǒng)設定在順槽操作室內(nèi)，它由PLC控制器、三維虛擬現(xiàn)實(3D virtual reality，3DVR)數(shù)字化平臺、人機交互平臺(human machine interface，HMI)、控制面板和數(shù)字視頻服務器集成。在采煤機工作過程中，順槽控制系統(tǒng)需要完成的工作和需要提供的功能如下。

①采用無線Mesh網(wǎng)絡與有線工業(yè)以太網(wǎng)和機載控制器進行數(shù)據(jù)交互，為地面WinCC遠程監(jiān)控平臺、3DVR數(shù)字化平臺等提供數(shù)據(jù)交互接口[4]。

②具有對采煤機工況實時監(jiān)測和報警的功能。

③采用3DVR數(shù)字化平臺，真實再現(xiàn)采煤機的工作過程。

④具有遠程過程控制功能。

2 順槽控制系統(tǒng)的結構設計

為了實現(xiàn)上述順槽控制系統(tǒng)的功能，將順槽控制系統(tǒng)結構分為變壓器腔、接線腔、畫面顯示腔和控制面板四部分。其中，畫面顯示腔包括3DVR界面和HMI界面兩部分。系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。

圖1 順槽控制系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Structure of the crossheading control system

變壓器腔內(nèi)置變壓器，用于將外界輸入的660 V高壓轉(zhuǎn)化成PLC、工控機等設備所需要的低壓。接線腔是為了滿足防爆的要求，順槽控制系統(tǒng)內(nèi)部和外部的連接需要經(jīng)過過線柱。畫面顯示腔的3DVR界面虛擬顯示了采煤機的工作動作，并將滾筒高度、行走速度、電機電流、變頻器電流、電機溫度等運行數(shù)據(jù)以數(shù)字的形式加以顯示，并及時對異常數(shù)據(jù)發(fā)出警報;HMI界面包括正常運行畫面、變頻器參數(shù)畫面、故障報警畫面等。控制面板的功能是控制采煤機的啟動、停止、左牽、右牽、左升、右降等動作。

數(shù)字視頻服務器通過過線柱與順槽控制系統(tǒng)的交換機連接，用來監(jiān)視綜采面的工況。

在順槽控制系統(tǒng)內(nèi)部，設置有光電轉(zhuǎn)換模塊、Simatic S7-300 PLC、工控機等工作設備。順槽控制系統(tǒng)的邏輯結構如圖2所示。

圖2 順槽控制系統(tǒng)邏輯結構Fig.2 Logical structure of the crossheading control system

3 順槽控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡設計

順槽控制系統(tǒng)作為地面調(diào)度中心和采煤機控制中心的紐帶，接入井下光纖環(huán)網(wǎng)，與地面監(jiān)控系統(tǒng)進行通信;同時通過無線Mesh網(wǎng)絡與機載控制器進行通信。在無線Mesh網(wǎng)絡中，系統(tǒng)采用本安型無線交換機發(fā)送和接收信息，每個節(jié)點的交換機可以與附近幾個節(jié)點的交換機同時通信，形成了網(wǎng)狀的通信鏈路。為了保證通信的可靠性，相鄰三個無線交換機之間可以相互通信，即每個節(jié)點的交換機既可以與相鄰節(jié)點的交換機進行通信，同時也可以跳過相鄰節(jié)點與下一節(jié)點的交換機進行通信。這樣，即使個別交換機出現(xiàn)故障，仍可以保證整個無線網(wǎng)絡正常通信，從而實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡的冗余性，提高無線網(wǎng)絡的可靠性[5]。

順槽控制系統(tǒng)通信圖如圖3所示。順槽控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及機載控制器之間的通信采用S7通信協(xié)議。另外，順槽控制系統(tǒng)內(nèi)部的PLC 300和采煤機控制中心的機載PLC 300、WinCC通過網(wǎng)絡組態(tài)進行通信，而順槽控制系統(tǒng)中的3DVR數(shù)字化平臺則需要采用OPC通信協(xié)議訪問順槽控制系統(tǒng)PLC的數(shù)據(jù)[6－7]。

圖3 順槽控制系統(tǒng)通信圖Fig.3 Communication of the crossheading control system

3.1 S7 通信協(xié)議

S7通信主要用于S7-400/400、S7-400/300 PLC之間的通信，是S7系列PLC基于MPI、Profibus和工業(yè)以太網(wǎng)的一種優(yōu)化的通信協(xié)議[8]。

系統(tǒng)采用S7通信協(xié)議實現(xiàn)了順槽控制系統(tǒng)和機載控制器之間的數(shù)據(jù)交換，并對通信的DB塊進行了定義，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)塊定義Fig.4 Definition of the data block of data exchange

圖4中，DB100主要存儲控制命令，包括采煤機的啟動、停止、左牽引、右牽引以及搖臂的升降等;DB101主要存儲采煤機左右變頻器的工作狀態(tài)，包括變頻器的溫度、電源電壓、轉(zhuǎn)矩等;DB115主要存儲故障報警數(shù)據(jù)，包括過載電流、超限溫度、超標瓦斯?jié)舛鹊?DB200主要存儲采煤機工況數(shù)據(jù)，包括采煤機的位置、搖臂角度、機身俯仰角等。另外，系統(tǒng)通過監(jiān)控化參數(shù)平臺，實時顯示采煤機的姿態(tài)。

3.2 OPC 通信協(xié)議

OPC通信協(xié)議是解決應用程序和設備間通信的理想手段。在實際應用的控制系統(tǒng)中，它可作為監(jiān)控PC與下位設備之間的信息傳輸通道，使得現(xiàn)場設備與控制系統(tǒng)的連接更為簡單、方便和靈活[9]。

將OPC技術引入到采煤機遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，解決了現(xiàn)有采煤機監(jiān)控系統(tǒng)底層硬件設備通信接口不一致的問題，實現(xiàn)了C#開發(fā)的3DVR數(shù)字化平臺與S7-300 PLC的數(shù)據(jù)交互，避免了驅(qū)動程序的重復開發(fā)[10－11]。

4 結束語

針對順槽控制系統(tǒng)的功能需求，研究和設計了順槽控制系統(tǒng)的功能、結構和網(wǎng)絡通信，實現(xiàn)了采煤機工況參數(shù)和控制指令的遠程傳輸;采用S7通信協(xié)議、OPC通信、無線Mesh網(wǎng)絡，滿足通信的實時性和可靠性要求。采煤機順槽控制系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程操作人員對采煤機工作狀態(tài)的實時監(jiān)控;同時，通過對采煤機工況的實時監(jiān)控，真實再現(xiàn)采煤機的工作狀態(tài)，提高了經(jīng)濟效益。

[1]劉溫暖.綜采工作面的自動化技術是煤礦安全生產(chǎn)的保障[J].煤礦安全，2009(414)：78 －79.

[2]許立華.國內(nèi)外采煤機遠程通訊和集中控制技術的現(xiàn)狀分析[J].煤炭科技，2005，24(5)：59 －60.

[3]徐小粵.采煤機械的技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中州煤炭，2005(4)：15 －16.

[4]馮小龍.礦井無線Mesh網(wǎng)絡關鍵技術及應用[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2011.

[5]李建峰.認知無線電網(wǎng)絡路由協(xié)議研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2010.

[6]尹偉偉.OPC技術在工業(yè)控制網(wǎng)絡集成中的應用研究[J].應用科技，2009，36(3)：42 － 43.

[7]李善宣.OPC技術在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應用[D].成都：西南交通大學，2006.

[8]廖常初.S7-300/400 PLC應用技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011：311 －344.

[9]王平.OPC服務器開發(fā)工具包軟件的設計與實現(xiàn)[J].計算機工程，2009，35(22)：275 － 277.

[10]常輝.OPC技術在機組監(jiān)控過程中的應用研究[D].西安：西安理工大學，2008.

[11]羅剛.基于OPC技術的工業(yè)控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].南京：南京工業(yè)大學，2005.