煤矿井下综采工作面监控系统方案设计

2022-01-27张德明

机械管理开发 2021年12期

张德明

（西山煤电集团有限责任公司官地煤矿，山西太原 030022）

引言

煤矿井下综采工作面监控系统作为煤矿安全生产的一个子系统，主要负责实现综采工作面采煤机、刮板输送机、液压支架、供液系统、转载机等综采设备的启停控制、运行状态监测、参数设置、环境参数监测以及急停闭锁、故障预警等功能，为综采工作面的安全生产提供稳定、可靠的保障。随着煤矿井下智能化进程的不断推进，研究并设计稳定性高、抗扰能力强、智能化水平高、实时性强的煤矿井下综采工作面监控系统成为亟需解决的问题[1-2]。目前，煤矿井下综采监控系统面临的主要问题有：设备之间缺乏统一的通讯标准，设备之间无法实现互联互通，造成铺线重复、系统复杂、维修困难；系统稳定性差，由于综采工作面环境恶劣、复杂，导致以单片机为控制器的监控系统故障频发，以RS485 为主的通讯网络的稳定性差；系统的兼容性、灵活性差，无法根据设备的实际现场配套情况进行监控系统配置。为解决上述问题，设计并实现CAN 总线通讯、TCP/IP 通讯相结合的以控制器为核心的煤矿井下综采工作面监控系统。

1 系统设计

煤矿井下综采工作面监控系统方案框图如图1所示，由设备层、传输层、应用层组成。设备层的核心为综采工作面的机械设备，如采煤机、液压支架、刮板输送机、乳化液泵站、语音报警装置、组合开关、视频监控设备以及采集、监控各设备的外置传感器、摄像仪、红外检测仪等智能I/O 接口设备。设备层还包括用于处理上述数据的控制器系统，负责采集、判断、监测所有设备的智能监控装置数据，并以CAN总线通讯模式传送至传输层。传输层的设备主要包括防爆电脑、防爆交换机以及煤矿井下综合环网[6]。设备层将设备监控数据传送至防爆电脑后，进行存储并以TCP/IP 通讯模式传送至防爆交换机。防爆交换机收集并整理所属防爆电脑的所有数据并以TCP/IP 通讯模式传送至煤矿井下环网。应用层的设备主要包括数据服务器、监控频台以及综合显示屏。数据服务器以TCP/IP 通讯模式接收煤矿井下环网数据并进行分类、存储，然后转发至监控平台在综合显示屏进行显示，同时通过监控平台可实现对设备层的采煤机、刮板输送机、转载机进行远程急停控制、闭锁控制。

图1 煤矿井下综采工作面监控系统方案框图

2 硬件设计

煤矿井下综采工作面监控系统的硬件主要包括设备层的控制器、智能I/O 接口设备、语音报警装置、传感器以及触摸屏等。控制器选用西门子CPU314C-2DP，该控制器集成了MPI、DP 通讯接口、24 点DI、16 点DO、5 点AI，且可扩展CAN 总线通讯模块和TCP/IP 通讯模块；具有较强的数据运算、处理能力，数据处理的实时性好；可进行浮点运算，提高了对温度、风速、瓦斯浓度的采集精度；满足对综采设备的数据处理以及控制要求。下页表1 所示为设备层控制器的部分I/O 地址分配表，表2 所示进行软件设计时，控制器内部寄存器区地址、变量对应关系表。

表1 控制I/O 地址分配

表2 控制器寄存器区域分配

三机语音报警装置选用WT588D 可编辑语音芯片，该语音报警装置音质好、性能稳定、应用范围广，支持MP3 控制模式、串口控制模式。智能I/O 接口设备可实时采集综采工作面的瓦斯浓度、CO 浓度、温度、风速等环境参数，同时还可采集安装在设备上的电压、电流、油温、油压、液位、车速、倾角等传感器数据。该智能I/O 接口设备以光介质传输信号，隔离效果好、绝缘和抗干扰能力强。选用KGF2 型风速传感器，可输出200～1 000 Hz 频率信号或4～20 mA 电流信号，可实时监测综采工作面的风速、风量；选用KGW10 型温度传感器，测量范围为0～100℃，可输出CAN 总线信号，分辨率为0.1℃。选用KJ101-45B型瓦斯浓度传感器，可实现对瓦斯浓度的连续测量，输出为频率信号，抗扰能力强。触摸屏选用西门子TP277，该触摸屏基于Wincc flexible HMI 软件平台进行组态软件编程，达到监视和操作综采工作面设备的目的。

3 软件设计

煤矿井下综采工作面监控系统软件基于Wincc flexible HMI 软件平台进行组态编程，可根据编程需要访问图形对象、工具箱、组态库、对象模板、项目视图等，完成对组态对象的颜色、字体、动作、动画、格式等属性的设计和控制。控制器与Wincc flexible HMI 平台以CAN 总线通信进行数据交互，并HMI平台变量定义区完成本地变量与通讯变量的映射，达到数据联动的目的。根据综采工作面监控功能要求，设计的监控平台框图见图2 所示，由系统管理、界面管理、数据管理三部分组成，完成用户登记管理、设备界面监控、设备参数设置、设备数据统计分析等功能，实时、全面掌握综采工作面设备的运行状态。

图2 煤矿井下综采工作面监控平台设计框图

4 试验验证

为检测设计并实现的煤矿井下综采工作面监控系统的工作性能，在实验室搭建测试平台并完成试验验证。利用西门子PLC CPU314C-2DP、笔记本电脑、以太网交换机、闭锁控制板、智能I/O 接口设备搭建设备层、传输层系统；利用笔记本电脑、以太网交换机以及TP277 搭建应用层监控平台。将编写好的PLC 控制程序下载至控制器后与Wincc flexible HMI 软件平台进行互联，模拟监测并控制综采工作面设备。系统上电后，监控平台登录界面，如图3 所示，输入正确的用户名和密码后才可以对设备完成参数设置。对综采工作面的设备完成参数设置后，可通过控制按钮完成模拟设备的启停，进入设备运行监测界面，如图4 所示。