劉俊鋒，劉庚，黃林

(西安煤礦機械有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

當前采煤機到工作面順槽的數(shù)據(jù)采集主要有主電纜控制芯線、工作面無線網(wǎng)絡兩種方式。由于工作面工況環(huán)境干擾源較多，且需配備較多無線基站，主流傳輸介質為采煤機主電纜控制芯線。應用較多的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為CanOpen,ModBus兩種。隨著智能化采煤機數(shù)據(jù)報文的逐步增多以及三機通信數(shù)據(jù)的交互傳輸，基于常規(guī)現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)傳輸無法滿足智能礦井大數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

煤礦井下采煤機所處的工況條件比較惡劣，生產過程中的粉塵濃度高，在運行中，推溜、移架振動大，影響采煤機的可靠運行，而任何停機故障都會導致整個工作面生產中斷，造成較大的經(jīng)濟損失。隨著我國煤礦智能化少人或無人智能工作面的發(fā)展，需要開發(fā)一套便捷可靠的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，既能滿足采煤機遠程維護需求，又具有大數(shù)據(jù)信息處理能力，滿足智慧礦山平臺數(shù)據(jù)交互需求。

1 系統(tǒng)設計方案

1.1 基于EtherNet/IP協(xié)議的光纖通信[1]

工業(yè)自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡化發(fā)展中，以太網(wǎng)(EtherNet)技術已經(jīng)成為事實上的標準網(wǎng)絡。Ethernet/IP將標準的以太網(wǎng)延伸到工業(yè)實時控制并和通用工業(yè)協(xié)議(CIP)結合，成為面向工業(yè)自動化應用的標準的工業(yè)以太網(wǎng)應用技術。EtherNet/IP采用和DevieNet以及ControNet相同的應用協(xié)議，應用標準TCP/IP技術傳送CIP通信報文。

隨著帶光纖礦用動力電纜的逐步應用，采煤機到工作面順槽采用光纖通信。光纖網(wǎng)絡解決了煤礦井下的本質防爆問題，同時大于2 Mbit/s的高速率通信使以太網(wǎng)達到工業(yè)現(xiàn)場滿足大數(shù)據(jù)實時通信的需求。

1.2 硬件控制[2]

硬件控制采用歐姆龍CJ系列PLC,體積小、可靠性高、功能齊全、應用靈活方便、操作維護方便。CPU控制單元配置EtherNet/IP 網(wǎng)絡接口，支持TCP/IP通信，與工控機數(shù)據(jù)傳輸安全可靠。PLC與上位機或工作面采煤機通信采用基于EIP協(xié)議的歐姆龍CJ1W-EIP21通信模塊。

1.3 人機界面

組態(tài)軟件采用基于Win7平臺的力控 ForceControl V7.1。ForceControl監(jiān)控組態(tài)軟件功能構架的核心是分布式區(qū)域實時數(shù)據(jù)庫，同時搭配標準歐姆龍CJ系列IO驅動程序。該平臺提供易用的開發(fā)環(huán)境和廣泛的功能，能夠快速和PLC 建立連接和傳遞實時信息。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由觸摸屏可編程控制器、(PLC)及EtherNet/IP模塊、操作面板組成。觸摸屏采用基于Win7的高性能工業(yè)平板電腦， 控制系統(tǒng)采用歐姆龍CJ2M系列PLC，遠程監(jiān)控箱體安裝光纖轉RJ45通信模塊與上位機或工作面采煤機組成EtherNet網(wǎng)絡。系統(tǒng)框架組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框架

3 系統(tǒng)設計

3.1 PLC配置

按照系統(tǒng)方案設置PLC硬件參數(shù)，CPU單元號和節(jié)點號撥碼都調整為0，CJ1W-EIP21單元號撥碼調整為1，節(jié)點號調整為1 。CX-ProgrammerIO表和單元設置列表按照硬件設定一致。IP地址配置為10.10.1.1，子網(wǎng)掩碼255.255.255.0,默認網(wǎng)關不用設置。PLC網(wǎng)絡配置見圖2。

圖2 PLC網(wǎng)絡配置

3.2 CJ1W-EIP21單元EtherNet/IP通信程序[3]

遠程監(jiān)控系統(tǒng)與上位機或采煤機的EtherNet/IP協(xié)議通信通過CJ1W-EIP21單元傳輸實現(xiàn)。PLC向外發(fā)送CIP顯性(Explicit)報文通過歐姆龍通信指令CMND發(fā)送FINS命令28.10實現(xiàn)，如圖3所示。

外部EtherNet/IP單元向系統(tǒng)發(fā)送顯性報文按照歐姆龍標準CIP協(xié)議通命令執(zhí)行。如向PLC寄存器D區(qū)寫入數(shù)據(jù)，按圖4發(fā)送命令。

圖3 CIP顯性報文發(fā)送

圖4 CIP顯性報文接收

Service Code為服務碼，如IE表示向IPC單元按位寫入。

Class ID為類型ID,如C4表示選擇CPU單元。

Instance ID為實例ID,如03表示選擇D區(qū)寫入。

3.3 模塊化功能程序

為提高程序運行效率，方便調試維護，提高程序可移植性，采用模塊化設計PLC控制程序[3]。程序設置以下模塊：系統(tǒng)初始化，控制輸入掃描，內部邏輯處理，外部通信交互處理，故障檢測處理，觸屏協(xié)同畫面等。

程序能實現(xiàn)的功能包括：采煤機遠程的啟停操作，左右滾筒的升、降，左、右牽引方向及調速，采煤工藝參數(shù)設定，歷史故障記錄查詢，故障復位，記憶截割，遠程控制，人工干預調整等。

3.4 人機界面

采用ForceControl V7.1組態(tài)軟件設計人機畫面，見圖5。通過通信設置，控件安裝，腳本編輯等過程實現(xiàn)監(jiān)控功能。

圖5 軟件主畫面

人機界面實時檢測采煤機的運行信息，具有趨勢曲線分析、歷史報表查詢、故障自診斷系統(tǒng)、遠程維護采煤機等功能，完全可以滿足智能化、自動化工作面配套要求。

3.5 箱體設計

為保障系統(tǒng)的安全可靠使用，設計采用礦用隔爆兼本質安全型操作箱，見圖6。整個采煤機遠程監(jiān)控系統(tǒng)電氣組件集成安裝于箱體內。箱體隔爆防潮，安全穩(wěn)定，抗振性能好，適合井下高瓦斯、高粉塵特殊工況運行。

圖6 操作箱實物

4 結論

該監(jiān)控系統(tǒng)分別在神華寧煤集團、陜西黃陵礦業(yè)、山東新巨龍等多個智能化礦井投入使用，可以滿足在順槽對工作面采煤機進行遠程監(jiān)控與維護。EtherNet/IP通信兼容性好，可以實現(xiàn)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)和多個集控廠家進行信息數(shù)據(jù)共享，通信傳輸距離長，人機界面友好，歐姆龍控制通信實時精準?？傊撓到y(tǒng)在復雜工況條件下運行可靠，實時監(jiān)測采煤機運行數(shù)據(jù)并能及時反饋采煤機運行過程中的故障和隱患，可為煤礦智能化工作面的安全和高效生產提供保障。