郭鑫彤

(西山煤電股份有限公司 西銘礦，山西 太原 030052)

0 引言

掘進機是礦井巷道掘進的重要設備，目前，隨著煤礦生產規(guī)模的不斷擴大以及綜采面掘進速度的不斷加快，從而對掘進機的掘進效率和安全保障提出了更高的要求。煤礦井下生產環(huán)境復雜惡劣，作為核心的采掘設備，掘進機在采掘過程中會存在以下隱患：①采掘過程易受礦井環(huán)境干擾，加上掘進機運行時自身受強烈振動，極易損壞而造成事故；②目前，綜采面大部分仍然采用人工手動的控制方式控制掘進機推進，工作人員必須常駐現(xiàn)場，其生命安全遭受諸多因素的威脅，如粉塵濃度過高、工作面瓦斯泄漏或者掘進機自身原因等[1，2]。因此，對掘進機進行全方位在線監(jiān)測監(jiān)控非常有必要，不僅可以保障井下工作人員的生命安全，還將會提高礦井生產自動化水平和生產效率。

本文針對懸臂式掘進機設計了一套基于PLC和CAN總線通信的在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，通過地面監(jiān)控平臺和井下上位機可對掘進機的工作過程進行全方位、全生命周期的動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控，為工作人員掌握現(xiàn)場情況和實現(xiàn)遠程遙控提供了數(shù)據(jù)參考。

1 掘進機在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)架構

圖1為礦井掘進機在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構。系統(tǒng)包括地面監(jiān)控平臺、以太環(huán)網、視頻監(jiān)控單元、傳感器監(jiān)測單元、井下監(jiān)控主機、聲光報警裝置、液晶顯示屏、微控制器和CAN總線通信模塊等。地面監(jiān)控平臺由地面主機、地面監(jiān)視器等組成，負責對井下上傳的數(shù)據(jù)進行遠程顯示、存儲、報表生成、打印等；視頻監(jiān)控單元由隔爆攝像機、視頻光端機、隔爆監(jiān)視器組成，隔爆攝像機需要安裝在掘進機不同部位，以視頻畫面的方式對掘進機及相關設備的運行狀態(tài)、周圍環(huán)境狀況進行監(jiān)測，并通過視頻光端機顯示在隔爆監(jiān)視器上供工作人員指揮調度；傳感器監(jiān)測單元由多種類型的礦用傳感器組成，可以對掘進機的電機溫度及電流、綜采面瓦斯?jié)舛?、液壓系統(tǒng)油溫油壓及油位、機身姿態(tài)等信息進行在線監(jiān)測，為工作人員的遠程控制提供信息參考；聲光報警裝置用于故障超限報警；液晶顯示屏用于顯示傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)；微控制器與井下上位機之間通過CAN總線方式進行通信；隔爆監(jiān)視器、井下監(jiān)控主機與地面監(jiān)控平臺之間通過工業(yè)以太網進行通信。

圖1 掘進機在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)整體架構

2 硬件方案設計與選型

2.1 微控制器選型

根據(jù)系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能要求，在滿足監(jiān)控功能的前提下，考慮擴展性、性價比，系統(tǒng)微控制器選用了SIEMENS公司的SI-PLUS S7-300系列PLC[3]。中央處理單元采用CPU312C，通信模塊采用CP340-RS485模塊。系統(tǒng)需要采集的模擬量信號皆來自于傳感器，包括溫度、壓力、位移、傾角、振動等信號，系統(tǒng)采用模擬量輸入模塊SM331作為傳感器與PLC對接的橋梁，其作用是將傳感器模擬信號轉換為PLC內部能處理的電平信號。

2.2 CAN總線通信電路設計

系統(tǒng)中PLC微控制器與井下監(jiān)控主機之間通過CAN總線方式進行數(shù)據(jù)雙向傳輸。由于PLC沒有直接的CAN總線接口，故需要設計RS485轉CAN總線電路[4]。圖2為CAN總線通信電路構成示意圖。井下上位機與CAN總線通信需要一個USB-CAN接口卡，系統(tǒng)選型為CANalyst-Ⅱ；同時PLC上需要接一個RS485通信用特殊用適配器，作為RS485通信通道，具體型號為FX3U-485ADP-MB，該適配器與FX系列PLC配套。最后，兩者之間外接一個CAN-RS485轉換器，即可實現(xiàn)PLC與井下上位機的CAN總線通信，CAN-RS485轉換器具體型號為CANCOM-100IE。

圖2 PLC與上位機之間CAN總線通信電路構成示意圖

2.3 傳感器監(jiān)測單元設計與選型

掘進機上的傳感器監(jiān)測單元包括溫度傳感器、油壓傳感器、電流互感器、傾角傳感器和位移傳感器等。

(1) 傾角傳感器：采用LE-60型傾角傳感器對掘進機機身姿態(tài)進行監(jiān)控，包括水平偏角、橫滾角和俯仰角等。

(2) 位移傳感器：采用WY-DC-800L型位移傳感器，3只安裝于截割臂伸縮油缸、截割臂升降油缸、水平回轉油缸處，用于檢測掘進頭部的空間位置信息；2只安裝于鏟板油缸與后支撐油缸內，用于測量前鏟板與后支撐的具體伸縮狀況。

(3) 溫度傳感器：采用JCJ100TLB型溫度傳感器，3只安裝于升降、水平回轉、鏟板處的油缸，對其溫度狀態(tài)信息進行檢測，用于故障的分析與診斷；采用鉑電阻PT100溫度傳感器安裝于電機繞組的三個相位和軸承支座中，對電機溫度進行測量。

(4) 電流傳感器：采用GAV-200/1140型礦用隔爆型電流傳感器，將其安裝于掘進機的各類電機上，用來檢測電機的電流狀態(tài)。

(5) 油壓傳感器：采用KYB1018薄膜型壓力傳感器，用來進行油缸壓力的檢測。

(6) 振動傳感器：采用KGS18型振動加速度傳感器，將其安裝于掘進機機身上，用來檢測掘進機的振動頻率。

2.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計與選型

視頻監(jiān)控單元由隔爆攝像機、視頻光端機和隔爆監(jiān)視器組成。其中，采用6臺隔爆攝像機對掘進機進行全方位的視頻監(jiān)測。將4臺攝像機安裝于掘進機前方，負責對鏟板和掘進頭部的具體運行狀態(tài)進行監(jiān)控；將另外2臺攝像機安裝于機身上方和后下方，負責對掘進機整體和第一運輸機的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。6臺攝像機均采用有線傳輸?shù)姆绞?，通過視頻光端機將模擬視頻信號轉換為光信號，利用光纖將視頻畫面最終顯示在隔爆監(jiān)視器上[5]。

3 井下上位機監(jiān)控軟件方案設計

井下上位機組態(tài)軟件是工作人員與PLC微控制器進行雙向交互的媒介。本系統(tǒng)采用KingView 6.5組態(tài)軟件對掘進機遠程監(jiān)控軟件進行了全面開發(fā)。通過曲線控件可以對傳感器數(shù)據(jù)進行曲線顯示，通過“圖庫精靈”可快速搭建各個界面的組成內容[6]。圖3為礦井掘進機在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控平臺架構圖。整個監(jiān)控平臺由權限登錄界面、監(jiān)控主界面、參數(shù)設置界面、實時報警界面、歷史報警界面、位姿糾正界面、查詢設備故障界面、報表生成打印界面、歷史曲線顯示界面和實時曲線顯示界面等組成。

圖3 礦井掘進機在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控平臺架構

4 結論

對掘進機實現(xiàn)全面監(jiān)控是保障工作人員和掘進機安全生產、實現(xiàn)掘進自動化、提高采掘效率的重要一步。本文設計的基于PLC和CAN總線通信的礦井掘進機在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)通過傳感器監(jiān)測單元可對掘進機不同部位的運轉參數(shù)實現(xiàn)監(jiān)測，并以參數(shù)為基礎進行實時故障診斷；通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)可對掘進機整體、一運情況及機體周圍的環(huán)境狀況進行視頻監(jiān)控。系統(tǒng)監(jiān)控信息以曲線、視頻畫面的形式呈現(xiàn)給工作人員，為實現(xiàn)掘進機的遠程遙控奠定了基礎。該系統(tǒng)不僅提高了掘進機的工作效率和安全系數(shù)，同時也是實現(xiàn)自動化掘進的前提條件。