采煤机顺槽控制系统的研究与设计

刘艳芳 谭 超

(中国矿业大学机电学院，江苏 徐州 221008)

0 引言

采煤机是综采机电装备的关键设备之一，其运行的可靠性直接影响整个煤矿的安全生产和经济效益。为了提高采煤机运行的可靠性，不但需要不断改进采煤机本身的制造水平，还需要对采煤机的工况进行实时监控[1]。即根据采煤机运行情况，对采煤机进行实时调度，使其处于最佳工作状态，从而大大提高采煤机工作的可靠性。

目前，国内采煤机主要采用本地控制方式，采煤机通过驾驶员跟机操作或使用遥控器来控制采煤机的运行。采用本地控制方式在顺槽和地面均无法实时获取采煤机的工作状态，更无法远程控制采煤机的运行[2－3]。

为了使远程操作人员能够在顺槽中对采煤机的工作状态进行实时监控，需要研发采煤机顺槽控制系统。本文在研究本安型无线交换机和采煤机机载控制器的基础上，根据采煤机远程监控系统的功能需求，设计了采煤机顺槽控制系统，具体研究了顺槽控制系统的功能、结构及其网络通信的关键技术。该系统实现了采煤机工况参数和控制指令的远程传输。

1 顺槽控制系统的功能设计

目前，国内大型矿井的井下通信网络已经延伸至顺槽。由于在顺槽中，无论是与工作面还是地面的电话通信都十分方便，这有利于了解工作面采煤机的工况。因此，在顺槽放置的顺槽控制系统可以作为连接综采面与地面的中心枢纽，处理、存储并转发来自地面和工作面的数据。

顺槽控制系统设定在顺槽操作室内，它由PLC控制器、三维虚拟现实(3D virtual reality，3DVR)数字化平台、人机交互平台(human machine interface，HMI)、控制面板和数字视频服务器集成。在采煤机工作过程中，顺槽控制系统需要完成的工作和需要提供的功能如下。

①采用无线Mesh网络与有线工业以太网和机载控制器进行数据交互，为地面WinCC远程监控平台、3DVR数字化平台等提供数据交互接口[4]。

②具有对采煤机工况实时监测和报警的功能。

③采用3DVR数字化平台，真实再现采煤机的工作过程。

④具有远程过程控制功能。

2 顺槽控制系统的结构设计

为了实现上述顺槽控制系统的功能，将顺槽控制系统结构分为变压器腔、接线腔、画面显示腔和控制面板四部分。其中，画面显示腔包括3DVR界面和HMI界面两部分。系统结构示意图如图1所示。

图1 顺槽控制系统结构示意图Fig.1 Structure of the crossheading control system

变压器腔内置变压器，用于将外界输入的660 V高压转化成PLC、工控机等设备所需要的低压。接线腔是为了满足防爆的要求，顺槽控制系统内部和外部的连接需要经过过线柱。画面显示腔的3DVR界面虚拟显示了采煤机的工作动作，并将滚筒高度、行走速度、电机电流、变频器电流、电机温度等运行数据以数字的形式加以显示，并及时对异常数据发出警报;HMI界面包括正常运行画面、变频器参数画面、故障报警画面等。控制面板的功能是控制采煤机的启动、停止、左牵、右牵、左升、右降等动作。

数字视频服务器通过过线柱与顺槽控制系统的交换机连接，用来监视综采面的工况。

在顺槽控制系统内部，设置有光电转换模块、Simatic S7-300 PLC、工控机等工作设备。顺槽控制系统的逻辑结构如图2所示。

图2 顺槽控制系统逻辑结构Fig.2 Logical structure of the crossheading control system

3 顺槽控制系统的通信网络设计

顺槽控制系统作为地面调度中心和采煤机控制中心的纽带，接入井下光纤环网，与地面监控系统进行通信;同时通过无线Mesh网络与机载控制器进行通信。在无线Mesh网络中，系统采用本安型无线交换机发送和接收信息，每个节点的交换机可以与附近几个节点的交换机同时通信，形成了网状的通信链路。为了保证通信的可靠性，相邻三个无线交换机之间可以相互通信，即每个节点的交换机既可以与相邻节点的交换机进行通信，同时也可以跳过相邻节点与下一节点的交换机进行通信。这样，即使个别交换机出现故障，仍可以保证整个无线网络正常通信，从而实现无线通信网络的冗余性，提高无线网络的可靠性[5]。

顺槽控制系统通信图如图3所示。顺槽控制系统、地面监控系统以及机载控制器之间的通信采用S7通信协议。另外，顺槽控制系统内部的PLC 300和采煤机控制中心的机载PLC 300、WinCC通过网络组态进行通信，而顺槽控制系统中的3DVR数字化平台则需要采用OPC通信协议访问顺槽控制系统PLC的数据[6－7]。

图3 顺槽控制系统通信图Fig.3 Communication of the crossheading control system

3.1 S7 通信协议

S7通信主要用于S7-400/400、S7-400/300 PLC之间的通信，是S7系列PLC基于MPI、Profibus和工业以太网的一种优化的通信协议[8]。

系统采用S7通信协议实现了顺槽控制系统和机载控制器之间的数据交换，并对通信的DB块进行了定义，如图4所示。

图4 数据交换数据块定义Fig.4 Definition of the data block of data exchange

图4中，DB100主要存储控制命令，包括采煤机的启动、停止、左牵引、右牵引以及摇臂的升降等;DB101主要存储采煤机左右变频器的工作状态，包括变频器的温度、电源电压、转矩等;DB115主要存储故障报警数据，包括过载电流、超限温度、超标瓦斯浓度等;DB200主要存储采煤机工况数据，包括采煤机的位置、摇臂角度、机身俯仰角等。另外，系统通过监控化参数平台，实时显示采煤机的姿态。

3.2 OPC 通信协议

OPC通信协议是解决应用程序和设备间通信的理想手段。在实际应用的控制系统中，它可作为监控PC与下位设备之间的信息传输通道，使得现场设备与控制系统的连接更为简单、方便和灵活[9]。

将OPC技术引入到采煤机远程监控系统中，解决了现有采煤机监控系统底层硬件设备通信接口不一致的问题，实现了C#开发的3DVR数字化平台与S7-300 PLC的数据交互，避免了驱动程序的重复开发[10－11]。

4 结束语

针对顺槽控制系统的功能需求，研究和设计了顺槽控制系统的功能、结构和网络通信，实现了采煤机工况参数和控制指令的远程传输;采用S7通信协议、OPC通信、无线Mesh网络，满足通信的实时性和可靠性要求。采煤机顺槽控制系统实现了远程操作人员对采煤机工作状态的实时监控;同时，通过对采煤机工况的实时监控，真实再现采煤机的工作状态，提高了经济效益。

[1]刘温暖.综采工作面的自动化技术是煤矿安全生产的保障[J].煤矿安全，2009(414)：78 －79.

[2]许立华.国内外采煤机远程通讯和集中控制技术的现状分析[J].煤炭科技，2005，24(5)：59 －60.

[3]徐小粤.采煤机械的技术现状与发展趋势[J].中州煤炭，2005(4)：15 －16.

[4]冯小龙.矿井无线Mesh网络关键技术及应用[D].徐州：中国矿业大学，2011.

[5]李建峰.认知无线电网络路由协议研究[D].徐州：中国矿业大学，2010.

[6]尹伟伟.OPC技术在工业控制网络集成中的应用研究[J].应用科技，2009，36(3)：42 － 43.

[7]李善宣.OPC技术在工业控制系统中的应用[D].成都：西南交通大学，2006.

[8]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2011：311 －344.

[9]王平.OPC服务器开发工具包软件的设计与实现[J].计算机工程，2009，35(22)：275 － 277.

[10]常辉.OPC技术在机组监控过程中的应用研究[D].西安：西安理工大学，2008.

[11]罗刚.基于OPC技术的工业控制系统的研究与开发[D].南京：南京工业大学，2005.