采煤機信息系統設計實現
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摘要：為進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組態軟件設計采煤機信息系統的思路，并詳細完成了采煤機信息系統中現場采集系統、本地控制管理系統以及監控系統的設計，為提升采煤機控制的自動化水平奠定基礎。
關鍵詞：Wincc;組態軟件;變頻器;自動化
引言
采煤機為綜采工作面關鍵綜采設備，其從結構、牽引系統、驅動調速系統等方面得到了飛速的發展和進步。如今，在大力倡導提高煤炭資源開采率和資源利用率的背景下，對采煤技術和采煤機的性能提出了更高的要求和挑戰[1]。隨著網絡計算機控制技術的發展，采煤機將逐漸朝著可視化的方向發展，最終實現采煤機在綜采工作面的少人或者無人值守的工作目標，以實現全自動化生產的目的。本文將著重研究采煤機信息系統的設計及其功能的實現。
1采煤機信息系統的總體設計
采煤機信息系統設計的基礎為實現采煤機在綜采工作面的在線監測功能。結合當前工業在線監控系統的設計經驗，擬定采煤機在線監控系統的總體結構如圖1所示。如圖1所示，針對采煤機在線監控功能的實現，本方案采用分布式結構的設計思路，其功能實現的核心控制器為PLC控制器和Wincc組態控制軟件，上位機與下位機的通信通過Intenet實現。采煤機在線監測系統包括現場設備層、控制層、本地控制管理層和遠程診斷管理層。其中：現場設備層主要包括對采煤機運行狀態監測的各種傳感器和檢測設備等；控制層為采煤機運行狀態參數控制的核心設備，包括PLC控制器和變頻器等，主要對現場設備采集到的數據進行處理；本地控制管理層是基于通信技術、計算機控制技術和自動化技術所實現對下位機控制過程的集中管理系統，其可對采煤機運行參數進行存儲并對采煤機的運行狀態進行控制；遠程診斷管理層主要基于IE瀏覽器實現對采煤機運行狀態的實時顯示，可遠程實現對采煤機的故障診斷，并對相關數據進行訪問[2]。
2采煤機信息系統的設計
2.1采煤機現場采集系統的設計
針對采煤機的工作特點，采煤機現場采集系統包括有對采煤機各電機運行溫度的檢測和保護、采煤機各電機電壓的檢測和控制、采煤機的漏電檢測和控制、采煤機液壓系統油壓的檢測和控制、采煤機機身位置的檢測和控制以及工作面瓦斯含量的檢測及保護等[3]。本方案采用鉑電阻作為溫度傳感器實現對采煤機電機溫度的檢測，其可檢測電機溫度的范圍為-70~630℃；針對采煤機的電壓檢測本方案為其設計專用的電壓檢測回路，如下頁圖2所示。采煤機漏電檢測只針對其電機控制變壓器和牽引變壓器二次漏電現象，其主要通過漏電檢測裝置產生的信號對主控器進行控制，進而發出報警；采煤機壓力檢測通過液壓回路中的安全閥所實現；采煤機機身位置的檢測通過在其行走機構上安裝旋轉編碼器，通過檢測編碼器輸出的脈沖個數達到測量距離的目的；瓦斯含量的檢測通過在采煤機不同機身位置安裝瓦斯傳感器實現，并為采煤機的運行設置瓦斯報警保護電路，即當工作面瓦斯濃度超標時采煤機無法啟動。
2.2采煤機本地控制系統的設計
采煤機本地控制系統的主要功能為對采煤機現場相關設備運行狀態的集中監測和控制。鑒于當前采煤機的電氣控制核心為PLC控制器與變頻調速控制的結合[4]。因此，采煤機本地控制系統主要包括PLC控制器、變頻器、上位機以及各類檢測電路等，其對應的控制原理圖如圖3所示。采煤機本地控制系統的核心為變頻器和PLC控制器。其中，針對采煤機牽引部及滾筒調高部電機的控制，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。根據控制需求，為采煤機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PLC控制器選用可靠性更高的S7-300系列，并基于Profibus-DP網絡實現變頻器與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。本地控制系統的控制流程為PLC通過對采煤機截割、牽引部以及泵電機電流值、油箱液位、潤滑泵壓力、實際牽引速度、工作面瓦斯濃度等參數進行處理后得出相應的控制指令，通過變頻器實現對采煤機牽引部液壓閥及截割部左右搖臂的升降控制。
2.3采煤機監控系統的設計
本方案基于Wincc組態軟件實現對采煤機數據采集監控系統的設計。根據采煤機信息系統的要求，采煤機監控系統需對其運行狀態參數的實時顯示、各種故障的實時報警以及運行參數的存儲并以趨勢圖的形式呈現于用戶。其中，采煤機信息系統的主界面可對采煤機進行手動或自動控制功能的實現，對采煤機運行動畫、電機運行參數及左右搖臂等運行參數的顯示；采煤機信息系統的實時趨勢在對現場數據采集、處理及歸檔的基礎上將重要參數的變化趨勢實時呈現于用戶界面，并且用戶可對關鍵參數的歷史數據及發展趨勢進行打印；采煤機報警與故障顯示畫面可實時顯示設備出現故障的日期、時間以及具體位置、故障類型等[5]。為實時呈現采煤機的運行狀態，需實現PLC控制器與Wincc組態軟件的通信，由PLC控制器對現場傳感器所采集到的數據進行處理后傳遞至Wincc組態軟件并將數據信息實時呈現于用戶界面。
3結論
采煤機為綜采工作面的關鍵設備，為提高工作面的采煤效率和開采率需實現對采煤機的在線監測控制，為此本文基于PLC控制器和Wincc組態軟件完成對采煤機信息系統的設計，其具體功能如下：1）基于采煤機信息系統可實現對采煤機自動/手動控制的選擇，并實時顯示采煤機截割電機、機身位置、搖臂以及滾筒截割速度等運行參數；2）采煤機信息系統可對設備運行參數的歷史數據進行存儲打印，并對現場采集到的數據以趨勢圖的形式呈現于用戶；3）基于采煤機信息系統，用戶可獲取采煤機的故障信息包括故障類型、故障發生位置以及故障發生時間等。參考文獻[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控制系統設計[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調速控制策略研究[J].煤炭學報，2015，40（11）：2569-2578.[3]李駿，林福嚴.跟機自動化中采煤機自動控制方法研究[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電氣控站之間信號的穩定傳輸，該傳輸器結構安全可靠，被廣泛應用煤礦開采環境。
5安全監控系統功能測試
系統搭建完成后對其各項性能進行了測試，包括瓦斯氣體濃度的監測能力、數據分析能力、數據記錄能力等。系統實現了對井下環境中甲烷、CO、CO2等氣體濃度的實時監測與預警，軟件系統具備數據記錄、查詢功能。詳細記錄了井下環境各項參數隨時間的變化情況，并可以將其繪制為歷史曲線，方便分析與查閱。在為期半年的系統測試中，系統各項指標正常，具備實際應用能力，為煤礦企業提供了安全保障。
參考文獻
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[2]劉斌.基于無線網絡的煤礦井下環境監測系統[D].北京：北京交通大學，2010．
[3]石玉芳.特征選擇在礦山監測監控系統數據處理中的研究應用[D].西安：西安科技大學，2006．
[4]胡義.基于事件驅動的無線傳感器網絡路由研究[D].長沙：湖南大學，2009．
[5]何思遠.基于無線傳感器網絡的瓦斯監測系統的研究[D].昆明：昆明理工大學，2007．
[6]徐海,劉啟錄.KJ90監控系統在里彥煤礦的應用[J].山東煤炭科技，2005（1）：2-4.
作者：王振宇 單位：大同煤礦集團有限公司煤峪口礦測量科