采煤機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

黃 強(qiáng)

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 霍州 031400）

引言

煤炭綜采工作面的作業(yè)環(huán)境極為惡劣，“少人化”及“無(wú)人化”現(xiàn)已成為影響煤礦安全、高效生產(chǎn)的關(guān)鍵[1-2]。采煤機(jī)作為煤炭掘進(jìn)的重要設(shè)備，其自動(dòng)化水平的高低關(guān)乎煤炭企業(yè)的煤炭產(chǎn)量和效率，必須引起高度重視。智能控制技術(shù)的發(fā)展，使得遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用較為廣泛，并且在應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)取得了很好的應(yīng)用效果，得到了各界的認(rèn)可[3-5]。智能監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)某設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制功能[6]。因此，針對(duì)某煤炭企業(yè)采煤機(jī)對(duì)于智能控制系統(tǒng)的需求，開(kāi)展采煤機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究工作具有重要的意義。

1 采煤機(jī)的工作機(jī)理

近年來(lái)采煤機(jī)械設(shè)備更新?lián)Q代極為迅速，大部分煤炭均實(shí)現(xiàn)了綜合機(jī)械化水平。采煤機(jī)作為綜采工作面的重要組成設(shè)備，其與液壓支架和刮板輸送機(jī)一起實(shí)現(xiàn)煤炭的掘進(jìn)工作，如圖1 所示為采煤機(jī)的工況。采煤機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)牽引部分的左右輪和刮板輸送機(jī)的銷(xiāo)軌嚙合，使得采煤機(jī)具有往復(fù)運(yùn)行的功能，左右油缸伸縮配合工作實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒高度的實(shí)時(shí)調(diào)整，以適應(yīng)煤層的波動(dòng)。進(jìn)行煤炭掘進(jìn)時(shí)，采煤機(jī)前后滾筒分別截割頂煤和底煤，經(jīng)滾筒上的螺旋葉片將截割之后的煤炭裝入刮板輸送機(jī)。之后刮板輸送機(jī)將煤炭輸送至轉(zhuǎn)載機(jī)中，經(jīng)破碎機(jī)由橋式轉(zhuǎn)載機(jī)將煤輸送到帶式輸送機(jī)上，完成綜采工作面的采煤、轉(zhuǎn)運(yùn)和輸送工作。

圖1 采煤機(jī)工作環(huán)境

2 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

采煤機(jī)長(zhǎng)期工作于潮濕、振動(dòng)、腐蝕氣體等復(fù)雜環(huán)境中，其監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求極高，基于此，監(jiān)控系統(tǒng)劃分為包括機(jī)載系統(tǒng)和遠(yuǎn)程系統(tǒng)兩部分組成，監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)、順槽監(jiān)控系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)組成，三者之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互傳輸。機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)交換網(wǎng)絡(luò)向順槽監(jiān)控系統(tǒng)傳輸控制信號(hào)，順槽控制器與地面調(diào)度室控制器之間采用光纖以太網(wǎng)連接。監(jiān)控系統(tǒng)方案技術(shù)先進(jìn)，涉及分層構(gòu)造、功能成組、數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

3 監(jiān)控系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)

3.1.1 控制器

采煤機(jī)機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心是控制器，為了滿(mǎn)足監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求，控制器內(nèi)部設(shè)計(jì)了信號(hào)輸入、數(shù)據(jù)處理、邊界預(yù)測(cè)、路徑優(yōu)化、狀態(tài)監(jiān)視、故障處理等模塊。為了適應(yīng)采煤機(jī)控制系統(tǒng)惡劣的工作環(huán)境，控制器選擇至關(guān)重要，本系統(tǒng)采用技術(shù)較為成熟的PLC，其具有很好的擴(kuò)展性能和工作穩(wěn)定性，結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際需求，選擇了SIMATIC S7-300 系列PLC。

3.1.2 傳感器

監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息來(lái)源于采煤機(jī)對(duì)應(yīng)位置的各種傳感器，由各種傳感器融合成為完整的傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為監(jiān)控系統(tǒng)提供采煤機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)涉及的傳感器包括位移傳感器和傾角傳感器，用于采集采煤機(jī)行走箱和機(jī)身，實(shí)現(xiàn)機(jī)身的定位；各種電流互感器用于監(jiān)控采煤機(jī)左、右截割電機(jī)和牽引電機(jī)等的電流；各種溫度傳感器用于監(jiān)控采煤機(jī)左、右截割電機(jī)和牽引電機(jī)等的溫度。

3.1.3 交換機(jī)

采煤機(jī)工作環(huán)境惡劣，涉及潮濕、易燃易爆等，光纜鋪設(shè)極為困難，為了確保采煤機(jī)信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，采用MESH 技術(shù)，設(shè)計(jì)本安型無(wú)線(xiàn)交換機(jī)。本安型無(wú)線(xiàn)交換機(jī)安裝于液壓支架和順槽頂板的間隔位置，實(shí)現(xiàn)兩者之間的信息通訊。新設(shè)計(jì)的交換機(jī)既能夠?qū)崿F(xiàn)相鄰接點(diǎn)之間的通訊，也能夠跳過(guò)實(shí)現(xiàn)間隔節(jié)點(diǎn)之間的通訊，交換機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，即便某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)通訊故障，也不會(huì)危及其他無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，具有很好的冗余性，大大提高了監(jiān)控系統(tǒng)通訊的可靠性。

3.2 順槽監(jiān)控系統(tǒng)

采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的順槽監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)與地面監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸，順槽監(jiān)控系統(tǒng)需要布置于煤礦井下工作面中的運(yùn)輸巷中，既能夠接收采煤機(jī)機(jī)載控制器及傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，還能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理之后在機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)與地面監(jiān)控系統(tǒng)之間進(jìn)行傳輸通訊，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)地面監(jiān)控中心遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制井下采煤機(jī)的功能。

3.2.1 集控中心

順槽監(jiān)控系統(tǒng)集控中心包括WinCC 監(jiān)控、虛擬數(shù)字化監(jiān)控、視頻監(jiān)視和無(wú)線(xiàn)信息傳輸?shù)饶K，共同完成采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集處理。WinCC 監(jiān)控模塊讀取順槽控制器數(shù)據(jù)使用的是S7 協(xié)議，以便于監(jiān)控人員及時(shí)獲取采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息；虛擬數(shù)字化監(jiān)控模塊能夠使用OPC 訪(fǎng)問(wèn)順槽監(jiān)控系統(tǒng)控制器PLC 獲取的采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)，基于此虛擬出采煤機(jī)的運(yùn)行動(dòng)畫(huà)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)遠(yuǎn)程動(dòng)作的監(jiān)視；相較于傳統(tǒng)的數(shù)字顯示，三維動(dòng)畫(huà)顯示具有很好的直觀效果。

3.2.2 視頻監(jiān)視平臺(tái)

采煤機(jī)順槽監(jiān)控系統(tǒng)中的視頻監(jiān)視模塊作為智能監(jiān)控系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，借助井下采煤機(jī)攝像儀實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)工作狀態(tài)及環(huán)境的畫(huà)面監(jiān)視，并顯示于順槽監(jiān)控系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)中。監(jiān)控界面具有很好的位置切換性能，根據(jù)監(jiān)控人員的要求獲得采煤機(jī)各個(gè)位置的運(yùn)行環(huán)境工況。無(wú)線(xiàn)信息傳輸模塊的主要功能是實(shí)時(shí)輸送采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的無(wú)線(xiàn)傳輸，包括采煤機(jī)的工況信息和視頻信息兩部分內(nèi)容。采煤機(jī)視頻監(jiān)測(cè)界面如圖3 所示。

圖3 采煤機(jī)視頻監(jiān)測(cè)界面

3.3 地面監(jiān)控系統(tǒng)

采煤機(jī)地面監(jiān)控中心是智能監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，能夠存儲(chǔ)井下采煤機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)的功能。監(jiān)控系統(tǒng)地面監(jiān)控中心配置4 臺(tái)工控機(jī)，使用以太網(wǎng)實(shí)時(shí)采集采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息。4 臺(tái)工控機(jī)分別用于監(jiān)控系統(tǒng)的WinCC 監(jiān)控、虛擬數(shù)字化監(jiān)控、視頻監(jiān)視和無(wú)線(xiàn)信息傳輸?shù)饶K的正常運(yùn)行，實(shí)時(shí)顯示井下采煤機(jī)的運(yùn)行工況。采煤機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行界面如圖4 所示。

圖4 地面監(jiān)控系統(tǒng)主界面

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證采煤機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，將其應(yīng)用于某煤礦企業(yè)服役的采煤機(jī)中進(jìn)行試運(yùn)行，進(jìn)行為期4 個(gè)月的跟蹤記錄。結(jié)果表明，智能監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制功能。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，智能監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，采煤機(jī)故障次數(shù)降低了近30%，提高了采煤機(jī)近15%的有效工作時(shí)間，節(jié)約了綜采工作面設(shè)備運(yùn)行維護(hù)人員2～3 名，降低了煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)開(kāi)支和煤炭掘進(jìn)成本，預(yù)計(jì)為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近100萬(wàn)元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。