張德明

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司官地煤礦， 山西 太原 030022）

引言

煤礦井下綜采工作面監(jiān)控系統(tǒng)作為煤礦安全生產(chǎn)的一個(gè)子系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)綜采工作面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架、供液系統(tǒng)、轉(zhuǎn)載機(jī)等綜采設(shè)備的啟?？刂?、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、參數(shù)設(shè)置、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)以及急停閉鎖、故障預(yù)警等功能，為綜采工作面的安全生產(chǎn)提供穩(wěn)定、可靠的保障。隨著煤礦井下智能化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，研究并設(shè)計(jì)穩(wěn)定性高、抗擾能力強(qiáng)、智能化水平高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的煤礦井下綜采工作面監(jiān)控系統(tǒng)成為亟需解決的問題[1-2]。目前，煤礦井下綜采監(jiān)控系統(tǒng)面臨的主要問題有：設(shè)備之間缺乏統(tǒng)一的通訊標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備之間無法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，造成鋪線重復(fù)、系統(tǒng)復(fù)雜、維修困難；系統(tǒng)穩(wěn)定性差，由于綜采工作面環(huán)境惡劣、復(fù)雜，導(dǎo)致以單片機(jī)為控制器的監(jiān)控系統(tǒng)故障頻發(fā)，以RS485 為主的通訊網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性差；系統(tǒng)的兼容性、靈活性差，無法根據(jù)設(shè)備的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)配套情況進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)配置。為解決上述問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)CAN 總線通訊、TCP/IP 通訊相結(jié)合的以控制器為核心的煤礦井下綜采工作面監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦井下綜采工作面監(jiān)控系統(tǒng)方案框圖如圖1所示，由設(shè)備層、傳輸層、應(yīng)用層組成。設(shè)備層的核心為綜采工作面的機(jī)械設(shè)備，如采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、乳化液泵站、語音報(bào)警裝置、組合開關(guān)、視頻監(jiān)控設(shè)備以及采集、監(jiān)控各設(shè)備的外置傳感器、攝像儀、紅外檢測(cè)儀等智能I/O 接口設(shè)備。設(shè)備層還包括用于處理上述數(shù)據(jù)的控制器系統(tǒng)，負(fù)責(zé)采集、判斷、監(jiān)測(cè)所有設(shè)備的智能監(jiān)控裝置數(shù)據(jù)，并以CAN總線通訊模式傳送至傳輸層。傳輸層的設(shè)備主要包括防爆電腦、防爆交換機(jī)以及煤礦井下綜合環(huán)網(wǎng)[6]。設(shè)備層將設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳送至防爆電腦后，進(jìn)行存儲(chǔ)并以TCP/IP 通訊模式傳送至防爆交換機(jī)。防爆交換機(jī)收集并整理所屬防爆電腦的所有數(shù)據(jù)并以TCP/IP 通訊模式傳送至煤礦井下環(huán)網(wǎng)。應(yīng)用層的設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控頻臺(tái)以及綜合顯示屏。數(shù)據(jù)服務(wù)器以TCP/IP 通訊模式接收煤礦井下環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分類、存儲(chǔ)，然后轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控平臺(tái)在綜合顯示屏進(jìn)行顯示，同時(shí)通過監(jiān)控平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備層的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程急?？刂?、閉鎖控制。

圖1 煤礦井下綜采工作面監(jiān)控系統(tǒng)方案框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

煤礦井下綜采工作面監(jiān)控系統(tǒng)的硬件主要包括設(shè)備層的控制器、智能I/O 接口設(shè)備、語音報(bào)警裝置、傳感器以及觸摸屏等?？刂破鬟x用西門子CPU314C-2DP，該控制器集成了MPI、DP 通訊接口、24 點(diǎn)DI、16 點(diǎn)DO、5 點(diǎn)AI，且可擴(kuò)展CAN 總線通訊模塊和TCP/IP 通訊模塊；具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算、處理能力，數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性好；可進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，提高了對(duì)溫度、風(fēng)速、瓦斯?jié)舛鹊牟杉?；滿足對(duì)綜采設(shè)備的數(shù)據(jù)處理以及控制要求。下頁表1 所示為設(shè)備層控制器的部分I/O 地址分配表，表2 所示進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，控制器內(nèi)部寄存器區(qū)地址、變量對(duì)應(yīng)關(guān)系表。

表1 控制I/O 地址分配

表2 控制器寄存器區(qū)域分配

三機(jī)語音報(bào)警裝置選用WT588D 可編輯語音芯片，該語音報(bào)警裝置音質(zhì)好、性能穩(wěn)定、應(yīng)用范圍廣，支持MP3 控制模式、串口控制模式。智能I/O 接口設(shè)備可實(shí)時(shí)采集綜采工作面的瓦斯?jié)舛?、CO 濃度、溫度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)，同時(shí)還可采集安裝在設(shè)備上的電壓、電流、油溫、油壓、液位、車速、傾角等傳感器數(shù)據(jù)。該智能I/O 接口設(shè)備以光介質(zhì)傳輸信號(hào)，隔離效果好、絕緣和抗干擾能力強(qiáng)。選用KGF2 型風(fēng)速傳感器，可輸出200～1 000 Hz 頻率信號(hào)或4～20 mA 電流信號(hào)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)綜采工作面的風(fēng)速、風(fēng)量；選用KGW10 型溫度傳感器，測(cè)量范圍為0～100℃，可輸出CAN 總線信號(hào)，分辨率為0.1℃。選用KJ101-45B型瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，可?shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯?jié)舛鹊倪B續(xù)測(cè)量，輸出為頻率信號(hào)，抗擾能力強(qiáng)。觸摸屏選用西門子TP277，該觸摸屏基于Wincc flexible HMI 軟件平臺(tái)進(jìn)行組態(tài)軟件編程，達(dá)到監(jiān)視和操作綜采工作面設(shè)備的目的。

3 軟件設(shè)計(jì)

煤礦井下綜采工作面監(jiān)控系統(tǒng)軟件基于Wincc flexible HMI 軟件平臺(tái)進(jìn)行組態(tài)編程，可根據(jù)編程需要訪問圖形對(duì)象、工具箱、組態(tài)庫、對(duì)象模板、項(xiàng)目視圖等，完成對(duì)組態(tài)對(duì)象的顏色、字體、動(dòng)作、動(dòng)畫、格式等屬性的設(shè)計(jì)和控制?？刂破髋cWincc flexible HMI 平臺(tái)以CAN 總線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并HMI平臺(tái)變量定義區(qū)完成本地變量與通訊變量的映射，達(dá)到數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)的目的。根據(jù)綜采工作面監(jiān)控功能要求，設(shè)計(jì)的監(jiān)控平臺(tái)框圖見圖2 所示，由系統(tǒng)管理、界面管理、數(shù)據(jù)管理三部分組成，完成用戶登記管理、設(shè)備界面監(jiān)控、設(shè)備參數(shù)設(shè)置、設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等功能，實(shí)時(shí)、全面掌握綜采工作面設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 煤礦井下綜采工作面監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)框圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為檢測(cè)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的煤礦井下綜采工作面監(jiān)控系統(tǒng)的工作性能，在實(shí)驗(yàn)室搭建測(cè)試平臺(tái)并完成試驗(yàn)驗(yàn)證。利用西門子PLC CPU314C-2DP、筆記本電腦、以太網(wǎng)交換機(jī)、閉鎖控制板、智能I/O 接口設(shè)備搭建設(shè)備層、傳輸層系統(tǒng)；利用筆記本電腦、以太網(wǎng)交換機(jī)以及TP277 搭建應(yīng)用層監(jiān)控平臺(tái)。將編寫好的PLC 控制程序下載至控制器后與Wincc flexible HMI 軟件平臺(tái)進(jìn)行互聯(lián)，模擬監(jiān)測(cè)并控制綜采工作面設(shè)備。系統(tǒng)上電后，監(jiān)控平臺(tái)登錄界面，如圖3 所示，輸入正確的用戶名和密碼后才可以對(duì)設(shè)備完成參數(shù)設(shè)置。對(duì)綜采工作面的設(shè)備完成參數(shù)設(shè)置后，可通過控制按鈕完成模擬設(shè)備的啟停，進(jìn)入設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)界面，如圖4 所示。

圖3 參數(shù)設(shè)置界面

由圖4 可查看采煤機(jī)、破碎機(jī)等設(shè)備的啟停狀態(tài)以及溫度、風(fēng)速等傳感器數(shù)據(jù)。另外，還可以模擬并驗(yàn)證故障報(bào)警、閉鎖停車等功能。

圖4 設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)界面