矿井掘进机在线监测监控系统的设计与应用

郭鑫彤

(西山煤电股份有限公司 西铭矿，山西 太原 030052)

0 引言

掘进机是矿井巷道掘进的重要设备，目前，随着煤矿生产规模的不断扩大以及综采面掘进速度的不断加快，从而对掘进机的掘进效率和安全保障提出了更高的要求。煤矿井下生产环境复杂恶劣，作为核心的采掘设备，掘进机在采掘过程中会存在以下隐患：①采掘过程易受矿井环境干扰，加上掘进机运行时自身受强烈振动，极易损坏而造成事故；②目前，综采面大部分仍然采用人工手动的控制方式控制掘进机推进，工作人员必须常驻现场，其生命安全遭受诸多因素的威胁，如粉尘浓度过高、工作面瓦斯泄漏或者掘进机自身原因等[1，2]。因此，对掘进机进行全方位在线监测监控非常有必要，不仅可以保障井下工作人员的生命安全，还将会提高矿井生产自动化水平和生产效率。

本文针对悬臂式掘进机设计了一套基于PLC和CAN总线通信的在线监测监控系统，通过地面监控平台和井下上位机可对掘进机的工作过程进行全方位、全生命周期的动态监测监控，为工作人员掌握现场情况和实现远程遥控提供了数据参考。

1 掘进机在线监测监控系统架构

图1为矿井掘进机在线监测监控系统的整体架构。系统包括地面监控平台、以太环网、视频监控单元、传感器监测单元、井下监控主机、声光报警装置、液晶显示屏、微控制器和CAN总线通信模块等。地面监控平台由地面主机、地面监视器等组成，负责对井下上传的数据进行远程显示、存储、报表生成、打印等；视频监控单元由隔爆摄像机、视频光端机、隔爆监视器组成，隔爆摄像机需要安装在掘进机不同部位，以视频画面的方式对掘进机及相关设备的运行状态、周围环境状况进行监测，并通过视频光端机显示在隔爆监视器上供工作人员指挥调度；传感器监测单元由多种类型的矿用传感器组成，可以对掘进机的电机温度及电流、综采面瓦斯浓度、液压系统油温油压及油位、机身姿态等信息进行在线监测，为工作人员的远程控制提供信息参考；声光报警装置用于故障超限报警；液晶显示屏用于显示传感器监测数据；微控制器与井下上位机之间通过CAN总线方式进行通信；隔爆监视器、井下监控主机与地面监控平台之间通过工业以太网进行通信。

图1 掘进机在线监测监控系统整体架构

2 硬件方案设计与选型

2.1 微控制器选型

根据系统所要实现的功能要求，在满足监控功能的前提下，考虑扩展性、性价比，系统微控制器选用了SIEMENS公司的SI-PLUS S7-300系列PLC[3]。中央处理单元采用CPU312C，通信模块采用CP340-RS485模块。系统需要采集的模拟量信号皆来自于传感器，包括温度、压力、位移、倾角、振动等信号，系统采用模拟量输入模块SM331作为传感器与PLC对接的桥梁，其作用是将传感器模拟信号转换为PLC内部能处理的电平信号。

2.2 CAN总线通信电路设计

系统中PLC微控制器与井下监控主机之间通过CAN总线方式进行数据双向传输。由于PLC没有直接的CAN总线接口，故需要设计RS485转CAN总线电路[4]。图2为CAN总线通信电路构成示意图。井下上位机与CAN总线通信需要一个USB-CAN接口卡，系统选型为CANalyst-Ⅱ；同时PLC上需要接一个RS485通信用特殊用适配器，作为RS485通信通道，具体型号为FX3U-485ADP-MB，该适配器与FX系列PLC配套。最后，两者之间外接一个CAN-RS485转换器，即可实现PLC与井下上位机的CAN总线通信，CAN-RS485转换器具体型号为CANCOM-100IE。

图2 PLC与上位机之间CAN总线通信电路构成示意图

2.3 传感器监测单元设计与选型

掘进机上的传感器监测单元包括温度传感器、油压传感器、电流互感器、倾角传感器和位移传感器等。

(1) 倾角传感器：采用LE-60型倾角传感器对掘进机机身姿态进行监控，包括水平偏角、横滚角和俯仰角等。

(2) 位移传感器：采用WY-DC-800L型位移传感器，3只安装于截割臂伸缩油缸、截割臂升降油缸、水平回转油缸处，用于检测掘进头部的空间位置信息；2只安装于铲板油缸与后支撑油缸内，用于测量前铲板与后支撑的具体伸缩状况。

(3) 温度传感器：采用JCJ100TLB型温度传感器，3只安装于升降、水平回转、铲板处的油缸，对其温度状态信息进行检测，用于故障的分析与诊断；采用铂电阻PT100温度传感器安装于电机绕组的三个相位和轴承支座中，对电机温度进行测量。

(4) 电流传感器：采用GAV-200/1140型矿用隔爆型电流传感器，将其安装于掘进机的各类电机上，用来检测电机的电流状态。

(5) 油压传感器：采用KYB1018薄膜型压力传感器，用来进行油缸压力的检测。

(6) 振动传感器：采用KGS18型振动加速度传感器，将其安装于掘进机机身上，用来检测掘进机的振动频率。

2.4 视频监控系统设计与选型

视频监控单元由隔爆摄像机、视频光端机和隔爆监视器组成。其中，采用6台隔爆摄像机对掘进机进行全方位的视频监测。将4台摄像机安装于掘进机前方，负责对铲板和掘进头部的具体运行状态进行监控；将另外2台摄像机安装于机身上方和后下方，负责对掘进机整体和第一运输机的运行状态进行监控。6台摄像机均采用有线传输的方式，通过视频光端机将模拟视频信号转换为光信号，利用光纤将视频画面最终显示在隔爆监视器上[5]。

3 井下上位机监控软件方案设计

井下上位机组态软件是工作人员与PLC微控制器进行双向交互的媒介。本系统采用KingView 6.5组态软件对掘进机远程监控软件进行了全面开发。通过曲线控件可以对传感器数据进行曲线显示，通过“图库精灵”可快速搭建各个界面的组成内容[6]。图3为矿井掘进机在线监测监控系统监控平台架构图。整个监控平台由权限登录界面、监控主界面、参数设置界面、实时报警界面、历史报警界面、位姿纠正界面、查询设备故障界面、报表生成打印界面、历史曲线显示界面和实时曲线显示界面等组成。

图3 矿井掘进机在线监测监控系统监控平台架构

4 结论

对掘进机实现全面监控是保障工作人员和掘进机安全生产、实现掘进自动化、提高采掘效率的重要一步。本文设计的基于PLC和CAN总线通信的矿井掘进机在线监测监控系统通过传感器监测单元可对掘进机不同部位的运转参数实现监测，并以参数为基础进行实时故障诊断；通过视频监控系统可对掘进机整体、一运情况及机体周围的环境状况进行视频监控。系统监控信息以曲线、视频画面的形式呈现给工作人员，为实现掘进机的远程遥控奠定了基础。该系统不仅提高了掘进机的工作效率和安全系数，同时也是实现自动化掘进的前提条件。