煤礦機電設(shè)備工作狀態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)研究

楊耀杰

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團機電處， 山西 介休 032000）

引言

煤礦井下采掘作業(yè)面存在大量的機電設(shè)備，空間較為擁擠，同時作業(yè)面溫度、粉塵及瓦斯?jié)舛鹊染^高，在生產(chǎn)過程中極易出現(xiàn)安全事故[1-2]。為了提高井下生產(chǎn)安全保障能力，部分煤礦通過減少采掘作業(yè)面現(xiàn)場人員數(shù)量、使用智能化監(jiān)控設(shè)備、改進采掘設(shè)備性能等措施，在一定程度上改善了采掘作業(yè)面安全保障能力[3]。現(xiàn)階段煤礦井下采掘作業(yè)面大部分完成了自動化、數(shù)字化改造，部分礦井已進入智能化開采階段，僅在回采巷道內(nèi)布置一臺監(jiān)控設(shè)備即可完成采煤工作面綜采設(shè)備運行控制[4-5]。實現(xiàn)井下機電設(shè)備監(jiān)控是確保煤炭安全開采的重要方面，為此，本文基于冗余原則提出一種煤礦機電設(shè)備工作狀態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)，以期提高機電設(shè)備間通信能力及安全可靠性。

1 智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

機電設(shè)備工作狀態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成包括控制層、設(shè)備層及管理層三個層級，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在該智能監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場控制層、企業(yè)管理層等連接均使用現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)。工業(yè)以太網(wǎng)具有數(shù)據(jù)傳輸效率高、傳輸速度快的優(yōu)點，而且可滿足煤礦井下現(xiàn)場監(jiān)控需要，是現(xiàn)階段煤礦井下最為常用的一種數(shù)據(jù)傳輸方式?，F(xiàn)場控制層采用工業(yè)以太網(wǎng)對風(fēng)機PLC、排水泵PLC 等設(shè)備進行監(jiān)控，各PLC 間使用DP 通信方式。由于煤礦井下環(huán)境惡劣，對監(jiān)控系統(tǒng)有較高要求，為此本文基于冗余原則即配備雙PLC 控制系統(tǒng)來提高系統(tǒng)可靠性。由于通信網(wǎng)絡(luò)使用較為頻繁，為此使用可靠性較強的總線型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主PLC 可實現(xiàn)對井下液壓支架、破碎機、采煤機、刮板輸送機等機電設(shè)備的監(jiān)控，井下遠程視頻監(jiān)控使用工業(yè)以太網(wǎng)通信。主PLC 可獲取各類安全傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而掌握各機電設(shè)備運行情況；監(jiān)測獲取到的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)使用工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給控制層，現(xiàn)場視頻、語音等監(jiān)測數(shù)據(jù)也通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給控制層，從而實現(xiàn)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)、語音及視頻監(jiān)控信息的有效融合。設(shè)備層與監(jiān)控主站間使用工業(yè)以太網(wǎng)連接，可有效避免“信息孤島”問題發(fā)生。

管理層位于地面，主要通過監(jiān)控主機實現(xiàn)對井下各機電設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控、顯示及數(shù)據(jù)存儲?？刂茖硬贾迷诨夭上锏腊踩恢?，通過工業(yè)以太網(wǎng)與地面管理層進行數(shù)據(jù)交互。設(shè)備層主要功能是對井下布置的各類機電設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)進行采集并執(zhí)行決策指令，其中采集到的機電設(shè)備運行參數(shù)包括設(shè)備運行溫度、穩(wěn)定性等；執(zhí)行決策指令包括控制運輸、掘進及開采設(shè)備運行。

2 智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

具體構(gòu)建的機電設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)體系如圖2 所示，主PLC 的型號為S7-300，通過加裝以太網(wǎng)通信模塊實現(xiàn)與上位機間的數(shù)據(jù)通信。監(jiān)控系統(tǒng)中主PLC 作用是接收各個從站信息，并智能作出決策后將決策系統(tǒng)傳輸給各從站，對井下機電設(shè)備運行進行監(jiān)控，同時將回采工作面、掘進工作面機電設(shè)備監(jiān)測信息、傳感器監(jiān)測信息等傳輸給上級主站中。從站有非智能、智能兩種，非智能從站主要用以監(jiān)測系統(tǒng)傳輸；智能從站依據(jù)主站決策指令通過變頻器實現(xiàn)機電設(shè)備運轉(zhuǎn)速度、功率等的調(diào)控。

圖2 智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)體系

現(xiàn)以綜采工作面機電設(shè)備智能監(jiān)控為例，對現(xiàn)場布置的從站功能進行闡述。綜采工作面布置的從站包括液壓支架控制從站、災(zāi)害監(jiān)測及預(yù)警從站、采煤機從站、刮板輸送機從站、供液系統(tǒng)從站等。具體如下：

1）液壓支架控制從站。該從站的主要功能是對液壓支架狀態(tài)（包括傾角、工作阻力、支撐高度等）進行監(jiān)測，并依據(jù)主站指令對液壓支架運行進行控制。

2）災(zāi)害監(jiān)測及預(yù)警從站。該從站的主要功能是對現(xiàn)場溫度、瓦斯、粉塵等進行監(jiān)測，并獲取液壓支架護幫板、支架壓力參數(shù)，對潛在的安全災(zāi)害進行預(yù)警。

3）采煤機從站。該從站的主要功能是監(jiān)測采煤機運行并控制基本操作，如運行、啟動、停機等；并監(jiān)測采煤機割煤滾筒高度、傾斜角度等，完成采煤機記憶截割。

4）刮板輸送機從站。該從站內(nèi)置有EM277 通信模塊，并通過調(diào)整變頻器運行參數(shù)對轉(zhuǎn)載機、破碎機等設(shè)備運行進行監(jiān)控、調(diào)節(jié)。

5）供液系統(tǒng)從站。該從站可對供液系統(tǒng)泵站運行參數(shù)進行監(jiān)測，并智能控制變頻器運行。

3 智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

為了提高智能監(jiān)控系統(tǒng)可靠性，將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為主、備PLC 系統(tǒng)，在智能監(jiān)控系統(tǒng)工作過程中，主、備PLC 系統(tǒng)中的通信總線、CPU、電源等均獨立運行?？刂葡到y(tǒng)同時運行冗余、非冗余兩種控制程序，當(dāng)冗余程序運行時，僅有主PLC 系統(tǒng)運行，而備PLC 僅接受主PLC 數(shù)據(jù)。當(dāng)主PLC 系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，智能監(jiān)控系統(tǒng)智能跳轉(zhuǎn)至備PLC 系統(tǒng)，此時備PLC 系統(tǒng)將變成主PLC 系統(tǒng)實現(xiàn)井下機電設(shè)備智能監(jiān)控。主、備PLC 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換包括電源、通信總線及CPU 等部件。

現(xiàn)場工作人員可手動切換主、備PLC 系統(tǒng)，從而便于對PLC 系統(tǒng)進行硬件設(shè)備檢查及運行參數(shù)調(diào)整等操作。

4 結(jié)語

1）機電設(shè)備是煤礦井下采掘、運輸、通風(fēng)、排水等工作正常開展的基礎(chǔ)，確保機電設(shè)備安全、可靠運行，對提高煤礦安全生產(chǎn)保障能力具有顯著的促進意義。為此，提出一種機電設(shè)備運行狀態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)機電設(shè)備運行參數(shù)監(jiān)測及遠程控制。

2）經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用后，井下機電設(shè)備運行參數(shù)在地面監(jiān)控中心即可實時掌握，當(dāng)機電設(shè)備運行出現(xiàn)故障后，智能監(jiān)控系統(tǒng)會自動發(fā)出預(yù)警信息，從而顯著提升煤礦機電設(shè)備運行可靠性。