摘要：基于實驗室現(xiàn)有的“煤礦智能場景邊云協(xié)同系統(tǒng)”硬件架構，利用SIMATIC S7-1200控制器編寫了煤礦綜采工作面設備群的自動啟停程序。為了更好地測試程序，開發(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，采用MCGS昆侖通態(tài)觸摸屏作為人機界面，而云側則通過Flask框架開發(fā)了Web頁面，實現(xiàn)對邊側設備的監(jiān)控。數(shù)據(jù)通過MQTT上傳至云平臺，通過云側操作實現(xiàn)了邊側設備的實時響應。邊與云之間采用以太網(wǎng)光纖連接方式，利用KubeEdge組件實現(xiàn)了云邊協(xié)同，從而達成了邊云協(xié)同的控制模式。

關鍵詞：PLC控制系統(tǒng);邊云協(xié)同;Web開發(fā);MCGS組態(tài)軟件

中圖分類號：TP29 文獻標志碼：A 文章編號：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與高效運行已成為煤礦企業(yè)發(fā)展面臨的重難點問題。傳統(tǒng)的煤礦綜采方式存52b5a7e0364d6289dfb91ade7765afb88539bd015b82611c114b1f8cc2dd0434在著諸多不足，如生產效率低下、安全隱患大、管理手段單一等，這些不足嚴重制約了煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

在這一背景下，本文針對井下設備群的自動控制沒有良好的控制系統(tǒng)，開發(fā)了一種能夠實現(xiàn)綜采工作面邊云協(xié)同控制的智能化平臺，設計底層邏輯控制程序應用其中，對于保障煤礦安全高效開采具有極其重要的意義。

新一代信息技術的快速發(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手段，構建一個集數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析于一體的智能化平臺。通過實時監(jiān)測綜采工作面的各項參數(shù)，平臺能夠及時發(fā)現(xiàn)生產過程中的異常情況，并對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析，更好地應用底層邏輯程序，為管理人員提供科學、準確的數(shù)據(jù)支持。邊云協(xié)同系統(tǒng)還能實現(xiàn)設備間的協(xié)同作業(yè)，優(yōu)化生產流程，提高生產效率，為企業(yè)的生產規(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)總體設計

1.1 系統(tǒng)架構設計

井下設備設施眾多，布點分散，程序的應用更需要在一個合適的系統(tǒng)中體現(xiàn)，因此首先設計了一套穩(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)通過布置井下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方式采集井下各設備的實時參數(shù)，感知層中的PLC和邊緣計算主機采集設備層中產生的數(shù)據(jù)，并通過傳輸層的井下環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)上云，同時將各設備參數(shù)通過Web可視化頁面呈現(xiàn)出來[2]。系統(tǒng)設計架構如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)功能設計

1.2.1 邊側

邊側為圖1的應用層和設備層，由布置在井下的大量設備組成，如順槽集控中心、采煤機、掘進機、刮板輸送機、液壓支架、皮帶輸送機、轉載機、破碎機等，以SIMATIC S7-1200控制器做底層邏輯程序控制。

針對監(jiān)控區(qū)域，部署邊緣計算主機，通過圖像識別進行邊緣側的圖像處理，當發(fā)生違規(guī)事故、機器故障時第一時間識別并上報系統(tǒng)，展示在Web頁面。

1.2.2 云側

云側為圖1的云基礎設施層，使用物聯(lián)網(wǎng)成熟的MQTT數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)上云，因此需要配置服務器為MQTT服務器來解析數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)通過FinalShell軟件的SSH（Secure Shell）服務登錄ECS，部署EMQ X Broker開源物聯(lián)網(wǎng)MQTT消息服務器。

本系統(tǒng)后端數(shù)據(jù)庫選用成熟的MySQL關系型數(shù)據(jù)庫，為便于系統(tǒng)開發(fā)，需將數(shù)據(jù)庫部署在云端，因此選用阿里云RDS（Relational Database Service）云數(shù)據(jù)庫，云數(shù)據(jù)庫經過阿里云內網(wǎng)加密、IP（Internet Protocol）地址白名單授權，具有良好的安全性[3]。

2 自動啟停程序設計

2.1 依托設備及I/O分配

西門子S7-1200是西門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，適用于各種自動化控制應用場景。

本次借助于實驗室的西門子S7-1200 PLC完成各設備自動控制，使用了一個CPU 1214C DC/DC/DC和四個擴展模塊DI 16x24VDC_1、AQ 4x14BIT_1、AI 8x13BIT_1、AI 8x13BIT_2。該自動啟停程序I/O分配如表1所示。

2.2 程序設計

綜采工作面所有設備應“逆煤流啟動”，即從膠帶輸送機、破碎機、轉載機、刮板運輸機到采煤機按順序啟動。工作面的一鍵啟?？刂破毡椴捎迷O定固定時間間隔的方法來完成，即自動啟動過程是生產設備按照“逆煤流啟動”的原則，前一設備啟動后，后一設備進入啟動預警，當啟動預警時間結束后，該設備自動啟動，直到所有設備啟動完成，啟動正式生產作業(yè)狀態(tài)。

為保證煤炭正常生產和井下工作人員安全，同理，綜采工作面設備一鍵關閉過程是生產設備按照“順煤流停止”的原則停運，依次為刮板輸送機、轉載機、破碎機、膠帶輸送機，最后是泵站。前一設備停機后，后一設備進入停機倒計時階段，當?shù)褂嫊r時間結束，該設備自動停機。梯形圖如圖2和圖3所示，特別需要注意的是，在啟動和關閉中設計了一個Python后端程序，可以由Web頁面上的點擊實現(xiàn)遠程控制PLC程序的啟動。

3 MCGS人機界面及Web可視化界面展示

3.1 MCGS人機界面設計

3.1.1 依托設備

在邊側部分，使用了昆侖通態(tài)的觸摸屏MCGS，它具有友好的人機界面，使得操作人員能夠方便地監(jiān)控系統(tǒng)的運行。其次，MCGS具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠對大量數(shù)據(jù)進行實時分析和處理，為控制系統(tǒng)提供重要的決策依據(jù)[4]。

3.1.2 畫面布局

此項目的畫面布局總體分為5部分，包括首頁、采煤機控制、一鍵啟動控制、截割數(shù)據(jù)、報警與檢修。首頁負責切換各個頁面;采煤機控制頁面實現(xiàn)了采煤機搖臂以及運行速度的控制;一鍵啟動控制實現(xiàn)了順序啟動和逆序停止的顯示;截割數(shù)據(jù)負責截割深度和運行速度的反饋;報警與檢修實現(xiàn)了系統(tǒng)運行錯誤報警和往期截割深度、運行速度歷史曲線的顯示。

3.1.3 背景建模

在工控屏的背景設計上，使用三維建模軟件SketchUp進行了工作面、運輸順槽和回風順槽的建模，其中主要包括實體煤、采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉載機、破碎機、膠帶輸送機和設備列車。在設計好工作面后，導出jpg圖片作為控制畫面的主要背景，如圖4所示。

3.1.4 實時數(shù)據(jù)庫

建立實時數(shù)據(jù)庫是與PLC進行通信的必要條件，本項目的實時數(shù)據(jù)庫中主要包括一鍵啟動、截割深度、運行速度、上下?lián)u臂的角度及各個設備的啟停狀態(tài)。其中對上下?lián)u臂的角度、運行速度和截割深度進行了限制，上搖臂區(qū)間為0°～90°，下?lián)u臂區(qū)間為180°～270°，運行速度最大不超過2 m/s，截割深度不超過100 cm，當超出設定區(qū)間時，便會進行報警警告。

3.1.5 元素效果設置

元素動態(tài)效果設置是提升畫面交互性和用戶體驗的關鍵。利用昆侖通態(tài)軟件提供的豐富的動態(tài)效果設置選項，如漸變、閃爍、滑動和腳本運行策略，實現(xiàn)畫面的豐富性和可操作性。通過合理設置這些效果，可使畫面更加生動和吸引人。下面闡述畫面設置過程中的關鍵步驟：

1）時間的顯示：日期需要關聯(lián)實時數(shù)據(jù)庫中的$Data和$Time變量進行顯示，運行時間需要關聯(lián)數(shù)據(jù)庫中的$Runtime變量進行顯示。

2）一鍵啟動的按鈕設計：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圖形上方（需要注意上下層關系），調整為透明色并且關聯(lián)一鍵啟動變量（布爾類型）用于改變變量值。

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

4）實時/歷史曲線設計：需要關聯(lián)曲線所顯示的變量（最多可以關聯(lián)6個變量）;編輯顯示屬性;清除曲線需要用到腳本程序ClearData（ ）來清除數(shù)據(jù)。在歷史曲線中修改起始時間需要用到腳本程序ShowTimeDialog（ ）來實現(xiàn)。

3.2 Web可視化界面展示

3.2.1 頁面設計

綜采工作面邊云協(xié)同決策平臺大屏由工作面數(shù)據(jù)表、各階段用時統(tǒng)計表、綜采工作面示意圖、日采煤量統(tǒng)計圖、總采煤量、設備狀態(tài)表六個部分（圖5）和液壓支架模塊、采煤機模塊、刮板運輸機模塊三個二級頁面組成，通過對導航按鈕的點擊可以調出所選設備的二級頁面，進而獲取設備的具體信息。

在綜采工作面邊云協(xié)同決策平臺大屏中使用HTML制作網(wǎng)頁的骨架，定義頁面的結構和內容，使用CSS控制HTML元素的布局、顏色、字體和其他視覺表現(xiàn)，使用JavaScript為頁面添加了交互性和動態(tài)功能，并引入了jQuery、ECharts等的JavaScript代碼庫。jQuery代碼庫（框架）增強了事件處理能力并減少了瀏覽器兼容性問題，通過使用ECharts制作的相關圖表可直觀清晰地將數(shù)據(jù)可視化。

3.2.2 液壓支架模塊設計

液壓支架是用來控制工作面礦山壓力的重要設備。該模塊主要展示了支架支護強度（支架對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)測礦山壓力，能大大提高液壓支架的可靠性、可維護性和使用壽命，降低維護成本。

3.2.3 采煤機模塊設計

采煤機是重要的綜采三機設備之一。該模塊展示了電動機功率、截割速度、牽引力、過煤高度、采煤機左右滾筒的電流曲線，能實時獲取和更新采煤機的數(shù)據(jù)，監(jiān)控采煤機的運行狀態(tài)（圖7），及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，從而大大提高采煤機的可維護性和可靠性，降低維護成本，進一步提升煤炭開采的生產效率。

3.2.4 刮板運輸機模塊設計

刮板輸送機是一種專門用于運送煤、矸石或各種物料的關鍵設備，還是采煤機得以順暢運行的重要軌道。這個模塊（圖8）詳細展示了刮板輸送機的各項重要參數(shù)，包括其輸送量的大小，這決定了其運輸效率;刮板鏈的速度，這反映了其工作的快慢;電動機的功率，它直接關聯(lián)到設備的驅動力;所需的電壓，用于保障設備正常運行的電能需求。通過這些參數(shù)，可以全面了解刮板輸送機的性能，從而確保其高效、穩(wěn)定地服務于煤炭開采工作。

4 自動啟停程序在系統(tǒng)中的測試

設計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）模擬測試井下順槽集控中心，位于實驗室左側，綜采智能管控平臺（云）模擬測試地面調度中心，位于實驗室右側。

邊與云之間采用以太網(wǎng)光纖連接方式，利用KubeEdge組件實現(xiàn)云-邊協(xié)同。依托實驗室現(xiàn)有的“煤礦智能場景邊云協(xié)同系統(tǒng)”硬件架構，融合工控通信、KubeEdge Kubernetes、MySQL數(shù)據(jù)庫、Python-Flask庫、Python-snap7庫、MQTT等關鍵技術與工具，測試煤礦綜采工作面設備群自動啟停程序。

經測試，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程啟動程序，并將邊側設備的狀態(tài)顯示在云端的Web頁面。

5 結束語

隨著技術的不斷進步，尤其是云計算和邊緣計算的蓬勃發(fā)展，邊云協(xié)同控制技術為多模態(tài)作業(yè)協(xié)同調度帶來了新的可能性和機會[5]。本研究設計開發(fā)了煤礦綜采工作面設備群自動啟停程序，并設計了一套煤礦綜采工作面邊云協(xié)同控制系統(tǒng)來測試編寫的程序。

預計在將來，隨著技術的發(fā)展以及適用機會的增加，該平臺將更好地滿足復雜、大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理需求，并可增加其他程序，如液壓支架自動跟機、采煤機自動調高、刮板輸送機自動找直，為煤礦自動化、智能化做出貢獻。

[參考文獻]

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[3] 錢承山，戴仁天，成錫平，等.基于邊云協(xié)同的消防設施智慧感知系統(tǒng)[J].電子器件，2024，47（1）：232-240.

[4] 鄧玉良.基于MCGS組態(tài)軟件的板材雕刻機控制系統(tǒng)設計[J].科技創(chuàng)新與應用，2024，14（11）：135-138.

[5] 顧三林，王科祖，王世亮.基于云邊協(xié)同控制技術的多模態(tài)作業(yè)協(xié)同調度系統(tǒng)[J].產業(yè)創(chuàng)新研究，2023（22）：123-125.

收稿日期：2024-05-16

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