采煤機(jī)信息系統(tǒng)設(shè)計實(shí)現(xiàn)

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摘要：為進(jìn)一步提升綜采工作面煤炭資源的開采率和資源利用率，提出基于PLC控制器和Wincc組態(tài)軟件設(shè)計采煤機(jī)信息系統(tǒng)的思路，并詳細(xì)完成了采煤機(jī)信息系統(tǒng)中現(xiàn)場采集系統(tǒng)、本地控制管理系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，為提升采煤機(jī)控制的自動化水平奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：Wincc;組態(tài)軟件;變頻器;自動化

引言

采煤機(jī)為綜采工作面關(guān)鍵綜采設(shè)備，其從結(jié)構(gòu)、牽引系統(tǒng)、驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)等方面得到了飛速的發(fā)展和進(jìn)步。如今，在大力倡導(dǎo)提高煤炭資源開采率和資源利用率的背景下，對采煤技術(shù)和采煤機(jī)的性能提出了更高的要求和挑戰(zhàn)[1]。隨著網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，采煤機(jī)將逐漸朝著可視化的方向發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在綜采工作面的少人或者無人值守的工作目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)全自動化生產(chǎn)的目的。本文將著重研究采煤機(jī)信息系統(tǒng)的設(shè)計及其功能的實(shí)現(xiàn)。

1采煤機(jī)信息系統(tǒng)的總體設(shè)計

采煤機(jī)信息系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在綜采工作面的在線監(jiān)測功能。結(jié)合當(dāng)前工業(yè)在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，擬定采煤機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。如圖1所示，針對采煤機(jī)在線監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)，本方案采用分布式結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路，其功能實(shí)現(xiàn)的核心控制器為PLC控制器和Wincc組態(tài)控制軟件，上位機(jī)與下位機(jī)的通信通過Intenet實(shí)現(xiàn)。采煤機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)包括現(xiàn)場設(shè)備層、控制層、本地控制管理層和遠(yuǎn)程診斷管理層。其中：現(xiàn)場設(shè)備層主要包括對采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的各種傳感器和檢測設(shè)備等；控制層為采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)控制的核心設(shè)備，包括PLC控制器和變頻器等，主要對現(xiàn)場設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；本地控制管理層是基于通信技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)和自動化技術(shù)所實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)控制過程的集中管理系統(tǒng)，其可對采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行存儲并對采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制；遠(yuǎn)程診斷管理層主要基于IE瀏覽器實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時顯示，可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)的故障診斷，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問[2]。

2采煤機(jī)信息系統(tǒng)的設(shè)計

2.1采煤機(jī)現(xiàn)場采集系統(tǒng)的設(shè)計

針對采煤機(jī)的工作特點(diǎn)，采煤機(jī)現(xiàn)場采集系統(tǒng)包括有對采煤機(jī)各電機(jī)運(yùn)行溫度的檢測和保護(hù)、采煤機(jī)各電機(jī)電壓的檢測和控制、采煤機(jī)的漏電檢測和控制、采煤機(jī)液壓系統(tǒng)油壓的檢測和控制、采煤機(jī)機(jī)身位置的檢測和控制以及工作面瓦斯含量的檢測及保護(hù)等[3]。本方案采用鉑電阻作為溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)電機(jī)溫度的檢測，其可檢測電機(jī)溫度的范圍為-70~630℃；針對采煤機(jī)的電壓檢測本方案為其設(shè)計專用的電壓檢測回路，如下頁圖2所示。采煤機(jī)漏電檢測只針對其電機(jī)控制變壓器和牽引變壓器二次漏電現(xiàn)象，其主要通過漏電檢測裝置產(chǎn)生的信號對主控器進(jìn)行控制，進(jìn)而發(fā)出報警；采煤機(jī)壓力檢測通過液壓回路中的安全閥所實(shí)現(xiàn)；采煤機(jī)機(jī)身位置的檢測通過在其行走機(jī)構(gòu)上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，通過檢測編碼器輸出的脈沖個數(shù)達(dá)到測量距離的目的；瓦斯含量的檢測通過在采煤機(jī)不同機(jī)身位置安裝瓦斯傳感器實(shí)現(xiàn)，并為采煤機(jī)的運(yùn)行設(shè)置瓦斯報警保護(hù)電路，即當(dāng)工作面瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時采煤機(jī)無法啟動。

2.2采煤機(jī)本地控制系統(tǒng)的設(shè)計

采煤機(jī)本地控制系統(tǒng)的主要功能為對采煤機(jī)現(xiàn)場相關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的集中監(jiān)測和控制。鑒于當(dāng)前采煤機(jī)的電氣控制核心為PLC控制器與變頻調(diào)速控制的結(jié)合[4]。因此，采煤機(jī)本地控制系統(tǒng)主要包括PLC控制器、變頻器、上位機(jī)以及各類檢測電路等，其對應(yīng)的控制原理圖如圖3所示。采煤機(jī)本地控制系統(tǒng)的核心為變頻器和PLC控制器。其中，針對采煤機(jī)牽引部及滾筒調(diào)高部電機(jī)的控制，本方案采用ACS800-175變頻器，該變頻器的容量為175kV，額定輸出功率為135kW。根據(jù)控制需求，為采煤機(jī)牽引部配置兩套變頻器，并采用一拖一的工作方式，其中主變頻器受PLC控制器的控制；對應(yīng)PLC控制器選用可靠性更高的S7-300系列，并基于Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)變頻器與PLC控制器之間的通信功能。針對PLC控制器為其配置其他功能的模塊如表1所示。本地控制系統(tǒng)的控制流程為PLC通過對采煤機(jī)截割、牽引部以及泵電機(jī)電流值、油箱液位、潤滑泵壓力、實(shí)際牽引速度、工作面瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)進(jìn)行處理后得出相應(yīng)的控制指令，通過變頻器實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)牽引部液壓閥及截割部左右搖臂的升降控制。

2.3采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

本方案基于Wincc組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù)采煤機(jī)信息系統(tǒng)的要求，采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)需對其運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時顯示、各種故障的實(shí)時報警以及運(yùn)行參數(shù)的存儲并以趨勢圖的形式呈現(xiàn)于用戶。其中，采煤機(jī)信息系統(tǒng)的主界面可對采煤機(jī)進(jìn)行手動或自動控制功能的實(shí)現(xiàn)，對采煤機(jī)運(yùn)行動畫、電機(jī)運(yùn)行參數(shù)及左右搖臂等運(yùn)行參數(shù)的顯示；采煤機(jī)信息系統(tǒng)的實(shí)時趨勢在對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、處理及歸檔的基礎(chǔ)上將重要參數(shù)的變化趨勢實(shí)時呈現(xiàn)于用戶界面，并且用戶可對關(guān)鍵參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)及發(fā)展趨勢進(jìn)行打??；采煤機(jī)報警與故障顯示畫面可實(shí)時顯示設(shè)備出現(xiàn)故障的日期、時間以及具體位置、故障類型等[5]。為實(shí)時呈現(xiàn)采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，需實(shí)現(xiàn)PLC控制器與Wincc組態(tài)軟件的通信，由PLC控制器對現(xiàn)場傳感器所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳遞至Wincc組態(tài)軟件并將數(shù)據(jù)信息實(shí)時呈現(xiàn)于用戶界面。

3結(jié)論

采煤機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，為提高工作面的采煤效率和開采率需實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)的在線監(jiān)測控制，為此本文基于PLC控制器和Wincc組態(tài)軟件完成對采煤機(jī)信息系統(tǒng)的設(shè)計，其具體功能如下：1）基于采煤機(jī)信息系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)自動/手動控制的選擇，并實(shí)時顯示采煤機(jī)截割電機(jī)、機(jī)身位置、搖臂以及滾筒截割速度等運(yùn)行參數(shù)；2）采煤機(jī)信息系統(tǒng)可對設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲打印，并對現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)以趨勢圖的形式呈現(xiàn)于用戶；3）基于采煤機(jī)信息系統(tǒng)，用戶可獲取采煤機(jī)的故障信息包括故障類型、故障發(fā)生位置以及故障發(fā)生時間等。參考文獻(xiàn)[1]張旭輝，姚闖，劉志明，等.面向自動化工作面的電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].工礦自動化，2017，43（4）：1-5.[2]葛帥帥，秦大同，胡明輝.突變工況下滾筒式采煤機(jī)調(diào)速控制策略研究[J].煤炭學(xué)報，2015，40（11）：2569-2578.[3]李駿，林福嚴(yán).跟機(jī)自動化中采煤機(jī)自動控制方法研究[J].工礦自動化，2014（2）：1-4.[4]邱錦波，劉振堅，芮國洪，等.PLC在交流電牽引采煤機(jī)電氣控站之間信號的穩(wěn)定傳輸，該傳輸器結(jié)構(gòu)安全可靠，被廣泛應(yīng)用煤礦開采環(huán)境。

5安全監(jiān)控系統(tǒng)功能測試

系統(tǒng)搭建完成后對其各項(xiàng)性能進(jìn)行了測試，包括瓦斯氣體濃度的監(jiān)測能力、數(shù)據(jù)分析能力、數(shù)據(jù)記錄能力等。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對井下環(huán)境中甲烷、CO、CO2等氣體濃度的實(shí)時監(jiān)測與預(yù)警，軟件系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)記錄、查詢功能。詳細(xì)記錄了井下環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)隨時間的變化情況，并可以將其繪制為歷史曲線，方便分析與查閱。在為期半年的系統(tǒng)測試中，系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)正常，具備實(shí)際應(yīng)用能力，為煤礦企業(yè)提供了安全保障。

參考文獻(xiàn)

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作者：王振宇 單位：大同煤礦集團(tuán)有限公司煤峪口礦測量科