煤礦掘進(jìn)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

郝 勇

（西山煤電股份有限公司馬蘭礦， 山西 古交 030205）

引言

煤炭資源需求量的增加也在推動(dòng)著整個(gè)煤炭行業(yè)的飛速發(fā)展，尤其是掘進(jìn)機(jī)械裝備領(lǐng)域不斷朝著自動(dòng)化、智能化方向邁進(jìn)[1]。掘進(jìn)機(jī)作為煤炭行業(yè)開展煤炭開采的重要設(shè)備之一，其工作的安全性和可靠性不僅關(guān)系著井下作業(yè)人員的安全，還與煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益息息相關(guān)，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)的高度重視[2-3]。掘進(jìn)機(jī)工作在礦井內(nèi)部，環(huán)境條件極為惡劣，包括高濕度、高瓦斯?jié)舛鹊龋瑯O易出現(xiàn)操作人員觸電或者瓦斯爆炸事故，威脅掘進(jìn)機(jī)操作人員的生命安全，同時(shí)，一旦出現(xiàn)安全事故，將會(huì)導(dǎo)致煤炭掘進(jìn)工作停滯，也會(huì)給煤炭企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。目前傳統(tǒng)煤炭掘進(jìn)機(jī)大多還是使用的人工操作，故而存在較大的安全隱患，也保證不了掘進(jìn)機(jī)的有效工作效率[6]。因此，針對(duì)某煤炭企業(yè)服役中的掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)技術(shù)落后的現(xiàn)狀，開展掘進(jìn)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究具有重要的意義。

1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于企業(yè)服役掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)完成了基于PLC 技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。由圖1 可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)中主要包括上位機(jī)部分、PLC 控制主站、多個(gè)PLC 從站、傳感檢測(cè)原件等，其中上位機(jī)主要作用是實(shí)時(shí)顯示掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)及控制指令的遠(yuǎn)程發(fā)送；PLC 主站用于收集各個(gè)從站采集得到的數(shù)據(jù)信息，匯總之后上傳至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；PLC 從站的作用是收集傳感器實(shí)時(shí)采集得到的掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析處理后發(fā)送至PLC 主站；傳感檢測(cè)原件是監(jiān)控系統(tǒng)獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)采集掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。監(jiān)控系統(tǒng)中的總線網(wǎng)絡(luò)采用的是PROFIBUS 技術(shù)，使用RS485 接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，安全可靠，滿足監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型

監(jiān)控系統(tǒng)涉及的硬件包括控制器、激光測(cè)距儀和油缸行程直線位移傳感器，各個(gè)元器件的選型要求分別是控制器運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)；激光測(cè)距儀檢測(cè)精度小于10 mm，滿足掘進(jìn)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的要求；油缸直線位移傳感器的分辨率小于1 mm，要求工作可靠。

2.1.1 控制器

控制器作為掘進(jìn)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)重要組成部分，其選型工作至關(guān)重要。系統(tǒng)需要采集的信號(hào)數(shù)據(jù)包括3 臺(tái)電機(jī)和10 支伸縮油缸，選擇常用的PLC 即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)功能要求。此處選擇了西門子S7-200CN 系列的PLC，其具有功能強(qiáng)大、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢(shì)，適用于中型監(jiān)控系統(tǒng)使用，滿足掘進(jìn)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.1.2 激光測(cè)距儀

掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境條件極為惡劣，光線條件極差，因此需要選擇測(cè)量精度較高的激光傳感器檢測(cè)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身與巷道間的距離。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)需要，選擇了型號(hào)為DLS-E50 激光測(cè)距儀，數(shù)量為4 個(gè)，激光測(cè)距儀實(shí)物如下頁圖2 所示。工作過程中激光測(cè)距儀通過一束激光的反射實(shí)現(xiàn)精確、非接觸、長(zhǎng)距離的距離檢測(cè)，各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用較為成熟。

圖2 激光測(cè)距儀實(shí)物圖

2.1.3 直線位移傳感器

直線位移傳感器的作用是檢測(cè)掘進(jìn)機(jī)油缸伸縮狀態(tài)數(shù)據(jù)，若使用內(nèi)置的位移傳感器，服役環(huán)境較為惡劣，出現(xiàn)問題不易維修，故而選擇外置位移傳感器，此處選擇拉線形式的位移傳感器，根據(jù)需要選擇1 個(gè)KS15 拉線傳感器和3 個(gè)KS20 拉線傳感器。

2.2 電氣控制箱

監(jiān)控系統(tǒng)電氣控制箱選擇礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電氣控制箱，具有監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的過載、過熱、漏電等故障功能，保留原有瓦斯斷電儀、急停按鈕、各個(gè)照明燈正常工作功能，如圖3 所示。掘進(jìn)機(jī)配置液壓控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)換向閥控制10 個(gè)直線油缸的運(yùn)動(dòng)控制。電控系統(tǒng)集成了PLC 控制器、電流檢測(cè)器、電壓檢測(cè)器等，還有用于實(shí)時(shí)顯示掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的液晶顯示屏和通斷控制的一次回路接觸器、繼電器等。

圖3 電氣控制箱布局圖

2.3 功能控制箱

掘進(jìn)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能控制箱主要功能是為傳感器供電、實(shí)時(shí)接收傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)、之后傳輸至操作臺(tái)主PLC-M1 處理。與此同時(shí)，控制信號(hào)輸出給運(yùn)動(dòng)放大卡，對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行方法處理，之后控制比例電磁閥驅(qū)動(dòng)掘進(jìn)機(jī)動(dòng)作油缸運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)煤炭掘進(jìn)工作，如圖4 所示。

圖4 功能控制箱功能圖

2.4 操作臺(tái)

操作臺(tái)作為掘進(jìn)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)另一組成部分，設(shè)置于遠(yuǎn)程監(jiān)控室內(nèi)部，其主要包括上位機(jī)、PLC-M1 控制組件、操作面板和顯示器等，具有實(shí)時(shí)顯示掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)的功能，同時(shí)，也可以根據(jù)監(jiān)控人員的要求，遠(yuǎn)程控制掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

掘進(jìn)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)依據(jù)的是硬件結(jié)構(gòu)組成及功能要求，設(shè)計(jì)完成的主程序工作流程如圖5所示。由圖5 可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)首次運(yùn)行時(shí)，需要進(jìn)行子程序的初始化，確定監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)；之后依次調(diào)用電壓、油泵、截割和轉(zhuǎn)載子程序，按下警鈴按鈕啟動(dòng)警鈴報(bào)警器和油泵啟動(dòng)按鈕，瓦斯斷電儀和油泵工作正常時(shí)啟動(dòng)油泵，按下油泵報(bào)警器之后按下截割啟動(dòng)按鈕，在截割電機(jī)和油泵電機(jī)啟動(dòng)條件下開啟截割電機(jī)，之后按下轉(zhuǎn)載電機(jī)啟動(dòng)按鈕和截割定時(shí)器，當(dāng)轉(zhuǎn)載電機(jī)無故障時(shí)，啟動(dòng)掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)載電機(jī)，完成整個(gè)運(yùn)行過程之后再次進(jìn)行下一次的循環(huán)。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)主程序控制流程

3.2 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面作為掘進(jìn)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，其主要的作用是實(shí)時(shí)顯示掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)，供監(jiān)控人員及時(shí)獲取掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行情況，與此同時(shí)，監(jiān)控人員能夠根據(jù)需要遠(yuǎn)程控制掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制功能。根據(jù)掘進(jìn)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，完成了人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。人機(jī)交互界面能夠?qū)崟r(shí)顯示掘進(jìn)機(jī)各運(yùn)行參數(shù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，包括油泵參數(shù)、電機(jī)參數(shù)、伸縮油缸位移、掘進(jìn)機(jī)位置等，能夠直觀地將掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行情況展示給監(jiān)控人員，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示功能，具有很好的人機(jī)交互性能。作時(shí)間，減少了2～3 名設(shè)備操作人員，與此同時(shí)，節(jié)約了近8%的設(shè)備故障排查時(shí)間，保證了掘進(jìn)機(jī)安全、可靠工作，降低了煤炭生產(chǎn)成本，預(yù)計(jì)為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近40 萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證掘進(jìn)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，將其應(yīng)用于某煤炭企業(yè)服役中的掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行試運(yùn)行，跟蹤記錄監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況。結(jié)果表明，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，監(jiān)控系統(tǒng)的使用，提高了掘進(jìn)機(jī)近12%的有效工