薛佳皓

（晉能控股煤業(yè)集團草垛溝煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037102）

引言

采煤機是綜采工作面的關鍵設備，采煤機的工作可靠性直接影響到礦井的經(jīng)濟效益和安全生產，對采煤機進行遠程監(jiān)控是實現(xiàn)綜采工作面自動化的必要條件。在采煤機實際作業(yè)過程中，作業(yè)環(huán)境存在通風效果較差、粉塵集中、散熱性能較差等問題，致使設備出現(xiàn)了作業(yè)溫度較高、作業(yè)功率超限運轉、電機燒壞、滾筒磨損嚴重等問題，若無法采用更加有效的技術對采煤機運行故障進行排除，將嚴重影響著采煤機的作業(yè)效率[1]。

結合采煤機當前通信原理，設計一套更加智能化的監(jiān)控系統(tǒng)十分必要。為此，在充分利用工業(yè)控制技術基礎上，通過對采煤機結構進行分析，開展了基于PLC 控制技術的采煤機監(jiān)控系統(tǒng)研究和關鍵模塊設計，通過對遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應用測試，驗證了此系統(tǒng)的準確性及可靠性，在采煤機中具有重要的應用價值。

1 采煤機結構組成分析

目前，煤礦中應用較多的雙滾筒式采煤機，可根據(jù)煤層的高度和厚度進行不同姿態(tài)的調整。采煤機結構主要由牽引部、截割部、滾筒、動力電機、電氣控制系統(tǒng)等部分組成。牽引電機通過主動鏈輪將動力傳輸至減速箱中，并將動力傳輸至滾筒中，以此驅動滾筒對煤層進行開采[2]。其中，滾筒是整個采煤機中的關鍵部件，包括了截齒、螺旋葉及端盤等零件，在使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)截齒斷裂問題。同時，滾筒及截齒在運行過程中也會因散熱效果較差、作業(yè)環(huán)境通風效果較差、供水冷卻系統(tǒng)較弱等問題導致局部溫度增加，粉塵的聚集也對采煤機設備的正常運行造成了重要影響。因此，為保證采煤機正常的開采作業(yè)，需要在采煤機中增加一套監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)對設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。

2 采煤機監(jiān)控系統(tǒng)設計

結合采煤機的作業(yè)需求，開展了針對采煤機作業(yè)狀態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng)設計研究。所設計的系統(tǒng)包括現(xiàn)場設備層、控制層、本地控制管理層、遠程診斷管理層。其中，現(xiàn)場設備層主要包括底層的瓦斯傳感器、粉塵傳感器、電流互感器、溫度傳感器等，主要實現(xiàn)對采煤機運行狀態(tài)及工控環(huán)境的數(shù)據(jù)采集[3]。本地控制管理層的上機位采用了研華工控機，并與西門子的PLC 及WinCC 組態(tài)軟件監(jiān)控平臺進行通信連接，利用遠程訪問組件對采煤機作業(yè)狀態(tài)及下機位狀態(tài)進行遠程控制，有效防止事故的發(fā)生，利用內部的存儲模塊，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的整理歸檔及報表生成[4]。遠程診斷管理層則主要通過IE 瀏覽器和監(jiān)控平臺來實現(xiàn)對采煤機運行狀態(tài)的監(jiān)控，當采煤機作業(yè)溫度、電機等出現(xiàn)異?，F(xiàn)象時，可通過監(jiān)控平臺上的顯示圖標進行故障類型顯示及故障報警，人員可根據(jù)此報警信息故障排除。另外，利用監(jiān)控系統(tǒng)可對采煤機運行狀態(tài)的大量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)歸檔，并對數(shù)據(jù)進行分析，形成柱狀圖，以便后期對設備運行狀態(tài)進行綜合分析。整體監(jiān)控系統(tǒng)具有更全面的監(jiān)控功能，系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提升，設備的故障率也有效降低。采煤機作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架圖如圖1 所示。

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)關鍵分系統(tǒng)設計

3.1 PLC 控制模塊設計

由于需對采煤機作業(yè)狀態(tài)進行實時檢測，控制程序及邏輯相對復雜，故采用了PLC 控制器對整個系統(tǒng)進行控制。所選用的PLC 為西門子的S3-700 型，主要設計在直接控制層，可實現(xiàn)對采煤機動作控制、運行數(shù)據(jù)檢測、邏輯計算等，并實時接收上機位傳輸?shù)目刂泼?，利用通信線傳輸至工控機中[5]。PLC 控制程序采用STEP7 進行梯形圖程序編寫，輸入模塊采用AI8×12bit 模塊，配備了10 個溫度輸入信號，經(jīng)AI 模塊采集后存入至IW368 映像的存儲器中。在此控制程序中設計了OB1 主控程序、OB37 循環(huán)中斷、OB100 暖啟動等組成，通過各模塊的信號轉化及匹配，最終傳入至DB1/DBD0 的數(shù)據(jù)模塊中，整個PLC控制程序的流程圖如圖2 所示。

圖2 整個PLC 控制程序的流程圖

3.2 PLC 與變頻器通信設計

為保證整個監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用了ABB-ACS800 系列的變頻器， 網(wǎng)絡則基于Profibus-DP 網(wǎng)絡，最終與西門子的PLC 進行通信設計。其中，Profibus-DP 網(wǎng)絡協(xié)議可滿足分布式I/O 控制單元，利用高速數(shù)據(jù)傳輸方式進行設計[6]。同時，變頻器設計了主變頻器和從變頻器，配備了一臺工控機，在網(wǎng)絡上設計了一個主站和若干個從站，主站利用站發(fā)點根據(jù)站號進行信號傳輸，通信傳輸速率最大可達12 Mbit/s，Profibus-DP 網(wǎng)絡協(xié)議可將信號傳至PLC 控制器中的CPU、AI、AO 等接口中，實現(xiàn)傳動單元發(fā)出啟動、停止、運行等相應控制命令。另外，利用傳輸線理論原理，配備了一個終端電阻來實現(xiàn)對信號中發(fā)射波的吸收，有效增強信號強度。PLC 與變頻器的網(wǎng)絡配置圖如圖3 所示。

圖3 PLC 與變頻器的網(wǎng)絡配置圖

3.3 溫度檢測及保護模塊設計

為進一步實現(xiàn)對采煤機作業(yè)溫度的實時檢測，在此監(jiān)控系統(tǒng)中設計了溫度檢測及保護模塊。此模塊主要利用鉑電阻的高電阻率、高穩(wěn)定靈敏性等特點對采煤機電機溫度進行檢測，通過鉑電阻形成一個溫度傳感器，可實現(xiàn)對采煤機-70～600 ℃范圍的檢測。所設計的模塊電路采用了5 V 直流供電，利用LM324 差分放大器進行電源電壓調節(jié)。WR2 為120 Ω 的滑動變阻器，可實現(xiàn)對電橋電壓的平衡調節(jié)。此溫度檢測及保護模塊的電路原理圖如圖4 所示。

圖4 溫度檢測及保護模塊電路圖

4 系統(tǒng)應用測試

結合所設計的新型采煤機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，將其集成在現(xiàn)有采煤機中進行了實際應用測試，測試周期將近3 個月。在測試過程中，整個監(jiān)控系統(tǒng)運行正常，監(jiān)控界面更加清晰，監(jiān)控數(shù)據(jù)更加準確，能通過界面中的數(shù)據(jù)分析、圖形顯示等不同形式對采煤機作業(yè)狀態(tài)進行顯示，人員可更強清晰、直觀地對設備進行觀察分析。同時，前端的各類傳感器采集精度更高，能對采煤機作業(yè)溫度、滾筒切割高度、環(huán)境瓦斯?jié)舛燃把鯕鉂舛鹊葏?shù)進行實時監(jiān)測，通過監(jiān)控界面顯示。當設備出現(xiàn)故障問題時，能通過監(jiān)控界面對故障類型及故障發(fā)生位置進行實時顯示，人員可根據(jù)此顯示內容快速進行故障排除。據(jù)現(xiàn)場對此監(jiān)控系統(tǒng)進行評估，該監(jiān)控系統(tǒng)應用后，能使采煤機設備的故障率降低60%以上，設備的維修及作業(yè)人員勞動強度大大降低，人員數(shù)量減少，提高了采煤機的作業(yè)效率，整個運行情況達到了預期效果。

5 結語

采煤機作為影響煤礦開采效率的重要設備，保證其作業(yè)效率及較低的故障率對提高企業(yè)的經(jīng)濟效益具有重要作用。為此，在分析采煤機結構組成基礎上，開展了基于PLC 控制器的采煤機監(jiān)控系統(tǒng)總體設計及關鍵分系統(tǒng)的研究，通過將該系統(tǒng)進行實際應用測試，得出：該系統(tǒng)運行良好，監(jiān)控精度更高，采集功能更加全面，能通過顯示界面更加直觀、智能化地對采煤機運行狀態(tài)進行參數(shù)檢測及故障診斷，大大降低了采煤機的故障發(fā)生率，減輕了人員的勞動強度，這對提高采煤機的作業(yè)效率及智能化程度具有重要意義，應用價值較大。