采煤工作面裝備智能化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其實(shí)踐應(yīng)用 *

張二平

(霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司 方山店坪煤礦，山西 呂梁 033102)

0 引 言

煤炭資源是我國(guó)整個(gè)能源結(jié)構(gòu)體系中的重要構(gòu)成部分，我國(guó)是名副其實(shí)的煤礦大國(guó)，每年都要開(kāi)采大量的煤炭資源，以順應(yīng)人們生產(chǎn)生活的基本需要[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，煤炭領(lǐng)域的科技水平也有了顯著提升，當(dāng)前階段煤礦綜采工作面中的裝備基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和自動(dòng)化[2-3]，但距離裝備的智能化控制仍有很大的差距。當(dāng)前階段，礦井中每個(gè)采煤裝備相當(dāng)于一個(gè)信息孤島，裝備之間并沒(méi)有建立聯(lián)系，幾乎沒(méi)有數(shù)據(jù)信息的交互，裝備之間工作狀態(tài)的協(xié)調(diào)性較差，這在一定程度上制約了采煤效率的進(jìn)一步提升[4-5]。因此，采取措施建立采煤工作面裝備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)工作面裝備的聯(lián)動(dòng)控制是采煤行業(yè)面臨的重大問(wèn)題[6]。筆者結(jié)合煤礦工作面裝備的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)研究了工作面裝備智能化控制系統(tǒng)，并分析了系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用效果。

1 裝備智能化控制系統(tǒng)整體方案

如圖1所示為采煤工作面裝備智能化控制系統(tǒng)整體框圖。由圖可知，整個(gè)智能化控制系統(tǒng)涉及到多方面的內(nèi)容，但最為重要的部分是PLC智能控制柜、各類傳感器、變頻器及采煤裝備控制箱或控制器等，此外還包括移動(dòng)終端、PC客戶端和服務(wù)器等。各個(gè)硬件設(shè)施與PLC控制柜之間通過(guò)RS485通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互，而PLC控制柜與數(shù)據(jù)服務(wù)器、各個(gè)終端之間則通過(guò)煤礦環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交換。為適應(yīng)不同的工作場(chǎng)景，控制系統(tǒng)共有三種控制模式，分別為遠(yuǎn)程控制、就地控制和檢修控制，正常工作時(shí)主要使用遠(yuǎn)程控制。

圖1 采煤工作面裝備智能化控制系統(tǒng)整體框圖

利用智能化控制系統(tǒng)對(duì)采煤裝備進(jìn)行控制時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)與各裝備之間的數(shù)據(jù)通訊。在建立通訊連接時(shí)有兩種方式可供選擇：其一，通過(guò)搭接數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；其二，通過(guò)通訊協(xié)議，直接基于設(shè)備的通訊地址來(lái)讀取相關(guān)數(shù)據(jù)信息。具體選擇何種通訊方式需要充分結(jié)合實(shí)際情況來(lái)確定。通過(guò)建立與各裝備的通訊，可以對(duì)裝備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并控制裝備的啟動(dòng)與停止操作。對(duì)于部分重要的裝備，比如采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、皮帶機(jī)等目前都實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速控制，因此還需要對(duì)其運(yùn)行過(guò)程中的電流和電壓值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體操作時(shí)只需要對(duì)變頻器、組合開(kāi)關(guān)柜等元器件的電力參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)即可。所有傳感器檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)信息，全部傳輸?shù)絇LC智能控制柜中進(jìn)行分析與處理，是實(shí)現(xiàn)工作面裝備智能化控制的基礎(chǔ)。

2 PLC智能控制柜的設(shè)計(jì)研究

對(duì)于智能化控制系統(tǒng)而言，PLC智能控制柜是最為關(guān)鍵的部分，其運(yùn)行過(guò)程的質(zhì)量和效率對(duì)整個(gè)智能化控制系統(tǒng)有決定性的影響，因此以下針對(duì)該部分內(nèi)容，從硬件和軟件兩個(gè)層面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 PLC智能控制柜硬件設(shè)計(jì)

圖2所示為PLC智能控制柜的現(xiàn)場(chǎng)圖。從圖中可以看出，智能控制柜內(nèi)部包含有多個(gè)部分的內(nèi)容。CPU是PLC智能控制柜的“大腦”，選用的是西門子公司生產(chǎn)研制的S7-1200型，該型號(hào)控制器具有體積小、組合方便、操作簡(jiǎn)單等綜合優(yōu)勢(shì)，且性能優(yōu)越，完全能夠滿足智能化控制系統(tǒng)的實(shí)際使用需要；I/O模塊的作用是實(shí)現(xiàn)控制柜數(shù)據(jù)的輸入和輸出，結(jié)合實(shí)際需要，智能控制柜中選用的I/O模塊主要包括AI 8×13BIT和AI 8×RTD，數(shù)量分別為2個(gè)，后期也根據(jù)需要再添加；井下可以提供的電源為AC 127V，但PLC智能控制柜中主要元器件的供電電壓絕大部分為DC 24V及以下。選用西門子公司生產(chǎn)的PS307-5A電源模塊對(duì)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，利用該模塊可以將AC 127V的電壓轉(zhuǎn)換成為DC 24V、DC 12V和DC 3.3V的電壓以供各元器件使用。此外，該電源模塊還有斷路、短路保護(hù)以及防爆功能。

圖2 PLC智能控制柜現(xiàn)場(chǎng)圖片

2.2 PLC智能控制柜軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于PLC智能控制柜而言，硬件是實(shí)現(xiàn)各種功能的基礎(chǔ)，而軟件則是實(shí)現(xiàn)這些功能的靈魂。由于系統(tǒng)中選用的是西門子公司的S7-1200型控制器，所以在編寫軟件程序時(shí)，同樣需要使用西門子公司旗下的STEP7平臺(tái)。在該平臺(tái)上可以編寫實(shí)現(xiàn)智能控制柜各項(xiàng)功能的程序，在該平臺(tái)上還可以對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，以便發(fā)現(xiàn)程序中存在的問(wèn)題并及時(shí)進(jìn)行改正。如圖3所示為軟件程序中對(duì)數(shù)據(jù)處理的大致流程圖。PLC控制器對(duì)各類傳感器傳入的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析后，可以判斷工作面裝備的運(yùn)行狀態(tài)，比如可以知道裝備是否空載、帶載、過(guò)載、故障等。軟件程序還可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，繪制各個(gè)裝備關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的變化過(guò)程，并將其傳入數(shù)據(jù)服務(wù)器中，PC終端和移動(dòng)終端可以實(shí)時(shí)查看。

3 本安型就地操作箱的選型與設(shè)計(jì)

采煤工作面裝備智能化控制系統(tǒng)除了能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程控制外，還可以進(jìn)行就地控制、檢修控制。因此系統(tǒng)中還設(shè)置了就地操作箱，由于操作箱是在礦井內(nèi)部使用，因此相關(guān)的元器件都必須是本質(zhì)安全型。操作箱中設(shè)置有1個(gè)控制模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，可以在遠(yuǎn)程控制、就地控制、檢修控制三種模式之間進(jìn)行切換。還設(shè)置有多個(gè)控制按鈕，主要是對(duì)工作面采煤裝備的運(yùn)行情況進(jìn)行手動(dòng)操作控制。另外，還配備有1個(gè)7寸的觸摸顯示屏，作用是對(duì)各個(gè)裝備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息等進(jìn)行顯示，還可以指示通訊狀態(tài)、電源狀態(tài)等。觸摸顯示屏的具體型號(hào)為KC01-70T，該型號(hào)觸摸屏在煤礦中有很多應(yīng)用，具有很好的防爆性能，需要通過(guò)DC 12V的電源對(duì)其進(jìn)行供電。

4 智能化控制系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用效果分析

將設(shè)計(jì)的采煤工作面裝備智能化控制系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用效果顯著。主要從兩個(gè)方面對(duì)其實(shí)踐應(yīng)用效果進(jìn)行中重點(diǎn)闡述：

(1) 提升了采煤工作面的智能化水平。建立了基于采煤工作面主要裝備的信息化平臺(tái)，平臺(tái)可以對(duì)采煤裝備的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行收集、存儲(chǔ)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采煤裝備的智能化控制。裝備智能化控制系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用顯著提升了工作面的智能化水平，提升了礦井的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

(2) 促進(jìn)了采煤效率的提升。智能化控制系統(tǒng)建立了工作面主要裝備之間的良性聯(lián)系，裝備之間的數(shù)字信息可以實(shí)現(xiàn)共享，突破了以往的裝備數(shù)據(jù)孤島問(wèn)題。在智能化控制系統(tǒng)的作用下，各裝備之間能夠更加協(xié)調(diào)的工作，從而促進(jìn)工作面采煤效率的提升。另外，系統(tǒng)還可以對(duì)裝備的過(guò)載問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，顯著降低了裝備的故障率，為煤礦企業(yè)節(jié)省大量的維護(hù)保養(yǎng)成本。同時(shí)也提升了采煤工作面的安全水平。

總而言之，工作面采煤裝備智能化控制系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用，為礦井創(chuàng)造了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，可以為其他煤礦企業(yè)提供很好的借鑒。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著采煤技術(shù)的不斷發(fā)展，采煤工作面裝備的智能化控制是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在充分結(jié)合煤礦實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，對(duì)工作面裝備的智能化控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。該系統(tǒng)可以通過(guò)各類傳感器對(duì)工作面中的主要裝備，比如采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并利用PLC智能控制柜進(jìn)行綜合分析。打破了傳統(tǒng)的裝備之間的數(shù)據(jù)壁壘，實(shí)現(xiàn)了裝備數(shù)據(jù)的共享與互聯(lián)互通?；谥悄芑刂葡到y(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)裝備工作狀態(tài)的協(xié)調(diào)控制。系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用不僅提升了工作面的智能化水平，還為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。