基于煤矿井下综采工作面机电设备集中控制系统的设计

基于煤矿井下综采工作面机电设备集中控制系统的设计

李华军

陕西陕煤澄合矿业有限公司董家河煤矿分公司，陕西澄城 715200

摘要：本文简单阐述矿井综采工作面机电设备对应的集中控制系统的设计要求与基本框架。进一步分析集中控制箱、传感装置、数据采集程序的设计，并探讨了系统上位机装载软件与画面等的功能。

关键词：煤矿；井下综采工作面；机电设备；集中控制

0引言

煤矿井下的综采工作面环境极为复杂，对于机电设备的控制如果只通过人工现场巡查监控，容易有遗漏与滞后等情况，这对煤矿生产有着不利影响。而通过集中控制系统，可在线完成设备监控。

1综采工作面机电设备集中控制系统总体设计

1.1设计要求

第一，实用性和可靠性。根据煤矿井下生产技术与特征，综采工作面机电设备运行信息采集控制系统的构建，需符合煤矿作业的要求，并且达到现场数据采集装置设计和安装所需强度与刚度标准，满足集中控制需要。而考虑到综采作业面环境复杂，井下分布着许多机电设备，所以设计集中控制系统时，需注意对数据采集环节的防护效果，保障系统能够长期可靠运转。

第二，先进性。近些年，煤矿井下的综采设备更新迭代频率较高，为保证集中控制系统的可用性，就不能忽略其先进性，适应未来机电设备升级后，对控制系统的要求，引入前沿信息化手段，保障采集信息与控制指令顺利传输。

第三，兼容性与开放性。当前煤矿井下综采中运用的机电设备来自不同厂家，通信方式会有差别，所以集中控制系统应当考虑到兼容性的问题，支持多种通信方式的接入。另外，在系统设计开发期间，运用的软件及数据库也应具备兼容性，适应机电设备控制的现实需要。而在煤矿井下生产技术发展中，“少人化”与“无人化”的作业观点提出与推行，使得在生产实践中，对综采机电设备控制的需求愈发明显。所以，在集中控制系统设计中，应当以通信协议、运行架构等层面为基础，保持系统运用的开放性，为系统未来升级留出空间。

1.2系统框架

集中控制系统上，可分出四层结构。一是数据采集层，通过在综采工作面合适位置安装PLC装置，实现长期采集各个机电设备的工作情况、有无故障、电压电流等，同时还包括一些传感装置的运行数据。二是数据传输层，该部分有两段路线，即综采机电设备和PLC采集装置、PLC与地面交换机。通过两段数据传输过程，把机电设备的运行数据由井下生产现场转移到地面控制处。三是应用层，通过地面上位机把采集到的井下机电设备数据自动比较分析，达到对综采工作面的动态化监测。四是网络应用层，数据经由环网发送给上位机，利用系统程序网络发布模块，把信息传送到服务器，支持对生产机电设备的控制操作。

2综采机电设备集中控制系统基本设计思路

2.1集中控制箱

一方面，PLC与具体选型。首先，CPU。在工业控制中的数据采集装置类型很多，各领域中常见类型有PLC与单片机等，考虑到PLC的稳定性与普遍性相对偏高，而且编程调整也比较便利。另外，在系统硬件设计中，数据采集选择PLC，但多种PLC在运算与通信上会有不同，在对比现有PLC类型后，考虑到综采机电设备通讯情况以及数据运算效率、可扩展性等，最终选定西门子的S7-1214C型号。其不仅支持8个信号模块以及3个通信模块，还有良好运算效率表现，输入与输出接口数量较多，并且能通过以太网，和井下交换机相连，基本符合对综采机电设备运行信息采集的要求。其次，数字量方面。根据所选CPU自带的输出与输入线路，但综采工作面的机电设备集中控制时，还涉及到开关联的问题，而CPU无法适应此项要求，还要额外增设数字量的扩展单元，该系统中装配了3#模块。再者，模拟量方面。在控制综采工作面机电设备中，涉及到采集电流信号，此部分搭配两个模块，其中1#模块拥有8路输入，而2#模块具有4路输出。最后，通信模块。在综采工作面中包含不同类型的机电设备，虽然采用了一样的通讯协议，但各自参数却有差异，或是奇校验，或是偶校验。因此，为使所有设备都在可控状态下运行，另外搭配了两个RS485模块，用于保持现场基本通信。

表 1 控制箱硬件选择

另一方面，控制设备。以井下双电机驱动结构带式输送机为例，其输入部分包含变频器工作、制动抱闸等；输出则有冷却风机与电机等，都要设置数字量以及模拟量。另外，I/Q分配部分要按照集中控制要求确认。单就带式输送机，便包含多个变量。其中，部分I/O配置可见表2。

表 2 I/O分配表（部分）

2.2传感装置

其一，采煤机传感装置。在井下工作的采煤机，运行体系较为复杂，对于其的监控要用到多类传感装置，如电机温度、瓦斯与冷却水流量等。其中，针对瓦斯变量参数，可通过甲烷传感装置，把采集到的甲烷浓度信号转化为电信号，发送至断电仪，在系统采集的甲烷浓度大于设置阈值，控制系统可随即下达切断信号的指令，使回路与整机断电。其二，输送机传感装置。按照机电运工作需要，设置跑偏、张力、堆煤、速度等多个传感装置。其三，刮板机传感装置。此部分主要获取电流信号，都能利用互感器完成，组合开关的接触器容量是400A，保护电流最高值是3200A。根据当前的互感器类型，分成有源与无源两类。前者要求额外供电，而且输出电流也有直流与交流两类。如果选择此类互感器，可提高系统设计的效率，输出信号无需经过二次处理，便可传送到主控系统。但是其缺陷也比较明显，其运行体系比较复杂，长期使用易损坏。而无源类的互感器，不用连接其他电源，有源类互感器的缺陷完全没有。但其在使用精度上相对偏弱，输出交流信号必须通过预处理，才能传送到控制系统。

2.3数据采集程序

结合综采工作面机电设备的工作特征，把采集数据发送到地面上位机。为保障集中控制系统运行合理，应当注重完善数据采集模块的运行框架。一是编程软件。考虑到集中控制系统对开放性以及兼容性的要求，适应未来系统升级扩容需要，此处直接选择全集成自动化程序完成编程，其可扩展性表现极为优异，便于开展组态编程，可以适应不同类型的煤矿公司生产处理。二是通讯协议。根据PLC，选择Modbus，实现自动化设备高效通讯。在该协议下，互联网用户可直接利用保留系统端口进行访问操作，适合多种行业、设备的应用。再加上其应用简便，在自动化方面的运用比较普遍。该协议在应用层运行，支持链接多种设备，实现服务器客户机之间的通信。在煤矿井下生产中，涉及到很多装置模块，如控制面板、驱动程序与输入输出装置等，均可利用此系统进行数据通信。

表 3 ISO/OSI模型与Modbus

三是定义变量。按照综采工作面的机电设备运行状态控制，构建数据采集的变量清单，方便进行程序设计。结合各个机电设备的具体编号，设置变量表，在集中控制系统投入使用后，可不断统计整理采集到的数据。例如，部分设备工作状态的统计变量表可参考表4。

表 4 设备工作状态统计变量表（部分）

3综采工作面机电设备集中控制系统上位机

3.1软件部分

3.1.1总体框架

在技术高速发展与工业控制手段持续发展中，实际生产中引入软件程序，使生产活动效率得到明显提升，尤其是HMI，可以高效、直接呈现出生产期间的实际状态。此处选择HMI中的WINCC软件进行上位机设计，同时依托于该软件自带网页发布功能，使机电设备监控可通过网页浏览。另外，上位机软件决定运用B/S和C/S搭配形式，这样有利于提高控制系统工作适用性。首先，数据库。由数据采集模块获取综采工作面机电设备的工作启停与故障等信息，最终全部保存到数据库中，支持和浏览器端、客户端进行信息交互。其次，客户端。其是地面客户端计算机上装载的WINCC软件系统，可呈现人机界面，连入数据库，输出综采机电设备的相关数据资料。最后，浏览器端。利用局域网，操作人员可借此随时监测综采工作面机电设备工作情况。

3.1.2主要技术

综采工作面机电设备的集中控制系统，同时支持客户端与浏览器端的使用，所以要求相关系统模块要有足够可靠性以及兼容性。此处主要通过双绞屏蔽线，保持采集机电设备信息环节的运行效果。应用软件利用C#语言进行开发，同时考虑到浏览器页面的输出效果，还运用了Visual Studio，其可和数据库、操作系统有效兼容。结合综采工作面机电设备的控制情况与实际生产需要，软件系统主要是信息现实，如井下机电设备实时画面、故障数据、用户权限与设备管理等。

3.2画面设计

为使集中控制系统可以顺利使用，避免由于网络环境波动，引起系统运转异常，所以对于上位机，通过WINCC解决画面设计的问题，由此达到对机电设备控制的基本功能要求。具体包含以下几个输出画面：

一是主画面，包含综采工作面机电设备与分布情况，利用颜色区分设备当前所处状态；二是电流和电压，实际控制操作中，相关人员可借助系统了解机电设备实时的电流与电压数值；三是运行记录，该画面输出的内容是机电设备启停与持续运行的时间数据，为方便查阅对比，系统自动生成图表；四是参数设置，操作人员可工作面供电情况以及机电设备的实际运量，结合不同工况，集中设置具体参数，以此达到灵活调控与监测综采机电设备的目的。

3.3浏览器端功能

综采工作面机电设备的工作状态，会影响到煤矿井下作业安全与产量，所有管理人员都要掌握机电设备工作状态，所以需对对此进行动态化监测，并利用WEB网络传输信息。浏览器相应功能有：

一是登录页面，管理人员输入用户名以及账号密码即可登录系统。二是机电设备工作监控。系统此项功能可全面输出各个综采机电设备配置和所在点位，同时还能动态生成设备工作的实时电流，管理人员若要了解某个时间点的设备状态，仅需直接在屏幕上点击，或者输入条件参数，系统便会弹出相应的设备工况数据，便于相关人员及时发现异常与调控。三是设备数据分析。为加强对机电设备的集中控制效果，该系统还提供了数据分析功能，比如采煤机的电流，通过查看其电流变化曲线，能判断其在运行中是否遇到矸石。考虑到井下综采工作面的环境比较差，容易对设备状态造成影响，此时就要通过降低牵引速度，亦或改用其他方法处理矸石。四是采集系统管理。这项功能主要包含：煤矿设备，保存设备名称、采集数据类型等资料，在操控人员要查看某台设备采集状态时，仅需按照名称筛选即可；设备类型，这主要依靠类型编码实现，操控人员可增减、修改设备记录；数据类型，该项管理操作是对机电设备运行信息实施定义与管理，保障相关信息可追溯；位置地点，也就是机电设备所在位置和安装时间等；数据采集记录，如矿井信息、机电设备名称以及采集项（故障、启停状态、频率等）。例如，查看某个时间段皮带机的运行电流情况，操作人员选中对应设备与时间段、“电流”项，系统自动输出统计值。

4结束语

集中控制系统引入综采机电设备管理中，依托于自动化的技术手段，把工作面区域内的全部机电设备整合起来，进行统一监控与保护管理。借助该种系统运行模式，有利于提升井下生产效率与安全性，控制人力资源的使用。

参考文献：

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[2]张文强,付涛,段友莲.一种新型煤矿综采工作面机电设备集中控制系统的研究[J].科技风,2014,No.238(04):21+23.DOI:10.19392/j.cnki.1671-7341.2014.04.014.

[3]马丽茹.煤矿井下综采工作面机电设备集中控制系统的设计探究[J].江西电力职业技术学院学报,2021,34(02):3-4.

作者简介：李华军（1991.07— ），男，汉族，陕西渭南人，大学本科学历，现就职于陕西陕煤澄合矿业有限公司董家河煤矿分公司；研究方向：煤矿机电技术。