采煤机信息系统设计实现
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摘要：为进一步提升综采工作面煤炭资源的开采率和资源利用率，提出基于PLC控制器和Wincc组态软件设计采煤机信息系统的思路，并详细完成了采煤机信息系统中现场采集系统、本地控制管理系统以及监控系统的设计，为提升采煤机控制的自动化水平奠定基础。
关键词：Wincc;组态软件;变频器;自动化
引言
采煤机为综采工作面关键综采设备，其从结构、牵引系统、驱动调速系统等方面得到了飞速的发展和进步。如今，在大力倡导提高煤炭资源开采率和资源利用率的背景下，对采煤技术和采煤机的性能提出了更高的要求和挑战[1]。随着网络计算机控制技术的发展，采煤机将逐渐朝着可视化的方向发展，最终实现采煤机在综采工作面的少人或者无人值守的工作目标，以实现全自动化生产的目的。本文将着重研究采煤机信息系统的设计及其功能的实现。
1采煤机信息系统的总体设计
采煤机信息系统设计的基础为实现采煤机在综采工作面的在线监测功能。结合当前工业在线监控系统的设计经验，拟定采煤机在线监控系统的总体结构如图1所示。如图1所示，针对采煤机在线监控功能的实现，本方案采用分布式结构的设计思路，其功能实现的核心控制器为PLC控制器和Wincc组态控制软件，上位机与下位机的通信通过Intenet实现。采煤机在线监测系统包括现场设备层、控制层、本地控制管理层和远程诊断管理层。其中：现场设备层主要包括对采煤机运行状态监测的各种传感器和检测设备等；控制层为采煤机运行状态参数控制的核心设备，包括PLC控制器和变频器等，主要对现场设备采集到的数据进行处理；本地控制管理层是基于通信技术、计算机控制技术和自动化技术所实现对下位机控制过程的集中管理系统，其可对采煤机运行参数进行存储并对采煤机的运行状态进行控制；远程诊断管理层主要基于IE浏览器实现对采煤机运行状态的实时显示，可远程实现对采煤机的故障诊断，并对相关数据进行访问[2]。
2采煤机信息系统的设计
2.1采煤机现场采集系统的设计
针对采煤机的工作特点，采煤机现场采集系统包括有对采煤机各电机运行温度的检测和保护、采煤机各电机电压的检测和控制、采煤机的漏电检测和控制、采煤机液压系统油压的检测和控制、采煤机机身位置的检测和控制以及工作面瓦斯含量的检测及保护等[3]。本方案采用铂电阻作为温度传感器实现对采煤机电机温度的检测，其可检测电机温度的范围为-70~630℃；针对采煤机的电压检测本方案为其设计专用的电压检测回路，如下页图2所示。采煤机漏电检测只针对其电机控制变压器和牵引变压器二次漏电现象，其主要通过漏电检测装置产生的信号对主控器进行控制，进而发出报警；采煤机压力检测通过液压回路中的安全阀所实现；采煤机机身位置的检测通过在其行走机构上安装旋转编码器，通过检测编码器输出的脉冲个数达到测量距离的目的；瓦斯含量的检测通过在采煤机不同机身位置安装瓦斯传感器实现，并为采煤机的运行设置瓦斯报警保护电路，即当工作面瓦斯浓度超标时采煤机无法启动。
2.2采煤机本地控制系统的设计
采煤机本地控制系统的主要功能为对采煤机现场相关设备运行状态的集中监测和控制。鉴于当前采煤机的电气控制核心为PLC控制器与变频调速控制的结合[4]。因此，采煤机本地控制系统主要包括PLC控制器、变频器、上位机以及各类检测电路等，其对应的控制原理图如图3所示。采煤机本地控制系统的核心为变频器和PLC控制器。其中，针对采煤机牵引部及滚筒调高部电机的控制，本方案采用ACS800-175变频器，该变频器的容量为175kV，额定输出功率为135kW。根据控制需求，为采煤机牵引部配置两套变频器，并采用一拖一的工作方式，其中主变频器受PLC控制器的控制；对应PLC控制器选用可靠性更高的S7-300系列，并基于Profibus-DP网络实现变频器与PLC控制器之间的通信功能。针对PLC控制器为其配置其他功能的模块如表1所示。本地控制系统的控制流程为PLC通过对采煤机截割、牵引部以及泵电机电流值、油箱液位、润滑泵压力、实际牵引速度、工作面瓦斯浓度等参数进行处理后得出相应的控制指令，通过变频器实现对采煤机牵引部液压阀及截割部左右摇臂的升降控制。
2.3采煤机监控系统的设计
本方案基于Wincc组态软件实现对采煤机数据采集监控系统的设计。根据采煤机信息系统的要求，采煤机监控系统需对其运行状态参数的实时显示、各种故障的实时报警以及运行参数的存储并以趋势图的形式呈现于用户。其中，采煤机信息系统的主界面可对采煤机进行手动或自动控制功能的实现，对采煤机运行动画、电机运行参数及左右摇臂等运行参数的显示；采煤机信息系统的实时趋势在对现场数据采集、处理及归档的基础上将重要参数的变化趋势实时呈现于用户界面，并且用户可对关键参数的历史数据及发展趋势进行打印；采煤机报警与故障显示画面可实时显示设备出现故障的日期、时间以及具体位置、故障类型等[5]。为实时呈现采煤机的运行状态，需实现PLC控制器与Wincc组态软件的通信，由PLC控制器对现场传感器所采集到的数据进行处理后传递至Wincc组态软件并将数据信息实时呈现于用户界面。
3结论
采煤机为综采工作面的关键设备，为提高工作面的采煤效率和开采率需实现对采煤机的在线监测控制，为此本文基于PLC控制器和Wincc组态软件完成对采煤机信息系统的设计，其具体功能如下：1）基于采煤机信息系统可实现对采煤机自动/手动控制的选择，并实时显示采煤机截割电机、机身位置、摇臂以及滚筒截割速度等运行参数；2）采煤机信息系统可对设备运行参数的历史数据进行存储打印，并对现场采集到的数据以趋势图的形式呈现于用户；3）基于采煤机信息系统，用户可获取采煤机的故障信息包括故障类型、故障发生位置以及故障发生时间等。参考文献[1]张旭辉，姚闯，刘志明，等.面向自动化工作面的电牵引采煤机控制系统设计[J].工矿自动化，2017，43（4）：1-5.[2]葛帅帅，秦大同，胡明辉.突变工况下滚筒式采煤机调速控制策略研究[J].煤炭学报，2015，40（11）：2569-2578.[3]李骏，林福严.跟机自动化中采煤机自动控制方法研究[J].工矿自动化，2014（2）：1-4.[4]邱锦波，刘振坚，芮国洪，等.PLC在交流电牵引采煤机电气控站之间信号的稳定传输，该传输器结构安全可靠，被广泛应用煤矿开采环境。
5安全监控系统功能测试
系统搭建完成后对其各项性能进行了测试，包括瓦斯气体浓度的监测能力、数据分析能力、数据记录能力等。系统实现了对井下环境中甲烷、CO、CO2等气体浓度的实时监测与预警，软件系统具备数据记录、查询功能。详细记录了井下环境各项参数随时间的变化情况，并可以将其绘制为历史曲线，方便分析与查阅。在为期半年的系统测试中，系统各项指标正常，具备实际应用能力，为煤矿企业提供了安全保障。
参考文献
[1]赵俊.基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统[D].镇江：江苏大学，2007．
[2]刘斌.基于无线网络的煤矿井下环境监测系统[D].北京：北京交通大学，2010．
[3]石玉芳.特征选择在矿山监测监控系统数据处理中的研究应用[D].西安：西安科技大学，2006．
[4]胡义.基于事件驱动的无线传感器网络路由研究[D].长沙：湖南大学，2009．
[5]何思远.基于无线传感器网络的瓦斯监测系统的研究[D].昆明：昆明理工大学，2007．
[6]徐海,刘启录.KJ90监控系统在里彦煤矿的应用[J].山东煤炭科技，2005（1）：2-4.
作者：王振宇 单位：大同煤矿集团有限公司煤峪口矿测量科