煤矿机电设备工作状态智能监控系统研究

2022-01-27杨耀杰

机械管理开发 2021年12期

杨耀杰

（山西焦煤汾西矿业集团机电处，山西介休 032000）

引言

煤矿井下采掘作业面存在大量的机电设备，空间较为拥挤，同时作业面温度、粉尘及瓦斯浓度等均较高，在生产过程中极易出现安全事故[1-2]。为了提高井下生产安全保障能力，部分煤矿通过减少采掘作业面现场人员数量、使用智能化监控设备、改进采掘设备性能等措施，在一定程度上改善了采掘作业面安全保障能力[3]。现阶段煤矿井下采掘作业面大部分完成了自动化、数字化改造，部分矿井已进入智能化开采阶段，仅在回采巷道内布置一台监控设备即可完成采煤工作面综采设备运行控制[4-5]。实现井下机电设备监控是确保煤炭安全开采的重要方面，为此，本文基于冗余原则提出一种煤矿机电设备工作状态智能监控系统，以期提高机电设备间通信能力及安全可靠性。

1 智能监控系统结构组成

机电设备工作状态智能监控系统结构组成包括控制层、设备层及管理层三个层级，具体结构如图1 所示。

图1 智能监控系统结构

在该智能监控系统中，现场控制层、企业管理层等连接均使用现有的工业以太网实现。工业以太网具有数据传输效率高、传输速度快的优点，而且可满足煤矿井下现场监控需要，是现阶段煤矿井下最为常用的一种数据传输方式。现场控制层采用工业以太网对风机PLC、排水泵PLC 等设备进行监控，各PLC 间使用DP 通信方式。由于煤矿井下环境恶劣，对监控系统有较高要求，为此本文基于冗余原则即配备双PLC 控制系统来提高系统可靠性。由于通信网络使用较为频繁，为此使用可靠性较强的总线型系统结构，主PLC 可实现对井下液压支架、破碎机、采煤机、刮板输送机等机电设备的监控，井下远程视频监控使用工业以太网通信。主PLC 可获取各类安全传感器监测数据，从而掌握各机电设备运行情况；监测获取到的传感器监测数据使用工业以太网传输给控制层，现场视频、语音等监测数据也通过工业以太网传输给控制层，从而实现传感器监测数据、语音及视频监控信息的有效融合。设备层与监控主站间使用工业以太网连接，可有效避免“信息孤岛”问题发生。

管理层位于地面，主要通过监控主机实现对井下各机电设备运行状态监控、显示及数据存储。控制层布置在回采巷道安全位置，通过工业以太网与地面管理层进行数据交互。设备层主要功能是对井下布置的各类机电设备运行状态参数进行采集并执行决策指令，其中采集到的机电设备运行参数包括设备运行温度、稳定性等；执行决策指令包括控制运输、掘进及开采设备运行。

2 智能监控系统硬件结构

具体构建的机电设备智能监控系统硬件结构体系如图2 所示，主PLC 的型号为S7-300，通过加装以太网通信模块实现与上位机间的数据通信。监控系统中主PLC 作用是接收各个从站信息，并智能作出决策后将决策系统传输给各从站，对井下机电设备运行进行监控，同时将回采工作面、掘进工作面机电设备监测信息、传感器监测信息等传输给上级主站中。从站有非智能、智能两种，非智能从站主要用以监测系统传输；智能从站依据主站决策指令通过变频器实现机电设备运转速度、功率等的调控。

图2 智能监控系统硬件结构体系

现以综采工作面机电设备智能监控为例，对现场布置的从站功能进行阐述。综采工作面布置的从站包括液压支架控制从站、灾害监测及预警从站、采煤机从站、刮板输送机从站、供液系统从站等。具体如下：

1）液压支架控制从站。该从站的主要功能是对液压支架状态（包括倾角、工作阻力、支撑高度等）进行监测，并依据主站指令对液压支架运行进行控制。

2）灾害监测及预警从站。该从站的主要功能是对现场温度、瓦斯、粉尘等进行监测，并获取液压支架护帮板、支架压力参数，对潜在的安全灾害进行预警。

3）采煤机从站。该从站的主要功能是监测采煤机运行并控制基本操作，如运行、启动、停机等；并监测采煤机割煤滚筒高度、倾斜角度等，完成采煤机记忆截割。

4）刮板输送机从站。该从站内置有EM277 通信模块，并通过调整变频器运行参数对转载机、破碎机等设备运行进行监控、调节。

5）供液系统从站。该从站可对供液系统泵站运行参数进行监测，并智能控制变频器运行。

3 智能监控系统软件结构

为了提高智能监控系统可靠性，将系统结构分为主、备PLC 系统，在智能监控系统工作过程中，主、备PLC 系统中的通信总线、CPU、电源等均独立运行。控制系统同时运行冗余、非冗余两种控制程序，当冗余程序运行时，仅有主PLC 系统运行，而备PLC 仅接受主PLC 数据。当主PLC 系统出现故障后，智能监控系统智能跳转至备PLC 系统，此时备PLC 系统将变成主PLC 系统实现井下机电设备智能监控。主、备PLC 系统转换包括电源、通信总线及CPU 等部件。

现场工作人员可手动切换主、备PLC 系统，从而便于对PLC 系统进行硬件设备检查及运行参数调整等操作。