基于PLC 的机电综采设备状态监测系统设计及安装调试技术

彭鸣

（上海筑东机电工程技术服务有限公司，上海 201206）

综采设备主要包括采煤机、破碎机、刮板运输机、带式传送机等，保证综采设备始终处于良好工况、维持稳定运行，是确保矿井作业安全、提升企业经济效益的关键。由于矿井作业环境恶劣，加上很多综采设备长时间高负荷运行，很容易出现故障。因此，必须要利用自动化和信息技术实现对综采设备状态的动态监测。设计一款基于PLC 的机电综采设备状态监测系统，利用传感器获取其运行工况、状态参数后，经通讯装置反馈至PLC 集中控制箱，再传送至地面工作站，让管理人员可以随时掌握各台综采设备的状态，为优化设备管理和减少设备故障提供了必要支持。

1 基于PLC 的机电综采设备状态监测系统设计

1.1 综采设备状态监测系统总体设计

该系统以PLC 作为数据采集核心，利用通信模块、传感器实现对综采面各设备运行参数的实时采集、在线监测。整个系统共包含综采设备状态监测装置和综采设备状态监测数据传输通道两大部分。其中，状态监测装置又分为4 层，分别是用于破碎机、刮板运输机、带式输送机等设备参数采集的现场采集层，将前端数据反馈给PLC 数据采集箱的数据传输层，用于显示设备状态和执行指令操作的客户应用层，以及用于网络数据发布的网络应用层。监测数据传输通道的网络布置采用混合模式，主干网络选择环型布置，各采区的支线网络选择星型布置。数据传输流程为：从PLC 控制箱上传至工作面交换机，用单模光纤将数据从工作面交换机传输到中央泵房交换机，再沿着井筒传输至地面交换机，最后经地面网络传输至上位机。

1.2 综采设备状态监测PLC 控制箱设计

集中控制箱的主要功能是将前端采集、反馈的数据进行统计、分析，并且将数据处理结果上传给主机，以便于主机自动生成调控指令，或管理人员手动编辑控制指令，实现了机电综采设备的闭环管理。在集中控制箱设计中，PLC 的选型尤其重要。本系统中选择西门子S7-1214C 型PLC，具有8 个信号模块、3 个通讯模块，自带16 路输入、12 路输出，以及2个数字量扩展模块，完全能够满足矿井综采工作面各类设备运行状态的监测需要。在PLC 控制箱的通讯模块，选用了2个RS485 模块，一主一备，确保现场通讯稳定。考虑到综采设备和传感器的种类多样，因此在PLC 的I/O 口分配上应当支持自定义分配。例如将I0.1 设定为烟雾传感器、IO.2 设定为堆煤传感器、IO.3 设定为温度传感器等。

1.3 传感器的选择

综采设备中应用到的传感器类型十分多样，常用的有采煤机传感器、带式输送机传感器、刮板机传感器等。以带式输送机为例，根据监测对象的不同，具体又包括跑偏传感器、堆煤传感器、速度传感器、温度传感器等若干类型。其中，堆煤传感器的核心单元是施密特触发器，其结构组成如图1 所示。

图1 堆煤传感器接线图

在图1 中，1 号线为接地极，2 号线为电极，4、5 号线为输出线，两者之间的电阻动态变化。当1、2 号线的电阻值＞临界值，则4、5 号的电阻值达到最大，约为60KΩ；反之，当1、2 号线的电阻值＜临界值，则4、5 号的电阻值达到最小，约为5KΩ。控制系统会根据输出电阻的变化，判断是否需要堆煤。

1.4 数据采集PLC 程序设计

本系统中使用TIA 博途软件编写PLC 程序，其程序框架如图2 所示。

图2 PLC 程序设计框架

在通讯程序设计中，执行Modbus 通信协议，可用于连接不同类型的网络设备，并且保证设备之间数据信号的兼容性。在完成串口初始化后，首先进行通讯程序的运行自检，判断通讯是否正常。如果存在异常，则反馈初始化程序；反之则进入下一步骤。从机处于待机状态，等到主机发送指令后，从机将接收到的指令做CRC 校验。若校验不正确，则生成一个故障码，主机重新发送一次指令。校验正确后，从机正常执行该指令，将主程序的控制指令分发到各个监测模块，完成数据统计、状态监测、故障识别。

1.5 上位机设计

上位机功能主要包括电流电压显示功能、画面展示功能、数据存储功能、故障记录功能等。本文基于WINCC 软件进行上位机设计，采用C/S 架构，可同时支持客户端访问和浏览器访问，以适应不同环境下的综采设备运行状态监测需求。上位机的软件架构如图3 所示。

图3 上位机软件架构

利用客户端上的人机界面，一方面能够实时展示前端采集到的状态信息（如电流曲线），方便管理人员随时了解综采设备的运行状态；另一方面还能在人机界面上编辑并发送调控指令。浏览器端基于Visual Studio 2018 平台使用C++开发，在保证网络连接畅通的情况下可动态监测综采设备。数据库采用SQL Server 2019 数据库，支持“数据库- 客户端”和“数据库- 浏览器端”的双向数据交换，可用于存储综采设备运行时的电流、电压、故障等数据。

1.6 Web 浏览器设计

考虑到矿井环境复杂，加上综采设备的分布比较零散，必须要通过联网方式实现对综采设备运行状态的实时监测、直观显示，以便于发生故障后能够第一时间处理。为满足上述要求，在系统设计中增加了Web 浏览器功能，具体内容如下：（1）登录界面。展示系统名称，提供用户登录选项，包括用户名、密码。登录成功后，进入到Web 浏览器的主页面，有设备运行监控、采集系统管理、基础系统管理等。（2）设备运行监控。该模块主要展示综采设备的空间配置和实时运行电流。将鼠标放到某个设备上，即可显示对应的电流、频率等参数。（3）采集系统管理。可以对采集到的数据按照采集时间、数据来源等进行自动分类。包括矿井名称、工作面名称、设备名称、采集日期等，如图4 所示。

图4 数据采集记录选择界面

2 综采设备状态监测系统的安装与调试

2.1 系统安装

在系统安装前要检查数据采集箱的防爆性能是否良好，传感器是否满足矿区使用要求。另外准备安装系统所需的材料，如总长度为120m 的1.5mm2双绞屏蔽线，以及总长度为50m 的工业用网线。另外还有笔记本电脑、万用表等工具，并且电脑中安装通讯测试软件Modscan。完成上述准备工作后安装综采设备状态监测系统。

2.2 现场通讯测试

考虑到矿区环境比较复杂，为保证综采设备与数据采集箱之间能够实现可靠、连续的数据传输，还需要进行现场通讯测试。测试内容主要包括三方面，即智能开关通讯测试、高压变频器通讯测试和皮带变频器测试。以智能组合开关通讯测试为例，具体操作方法为：按照综采设备状态监测系统的设计要求，由内置PLC 对智能组合开关的启停状态，以及温度、电压等基本参数进行调控。测试时首先设定通讯参数，例如将串行数据格式设定为“8,E,1”,即8 位数据位，偶校验模式，1 位停止位；波特率自定义为9600B，从机地址选择为1。智能组合开关的通讯参数设定完成，将该开关对应的上一级移动变电站停电，然后拆开组合开关，在两个通讯串口上分别接入COMB 和COMA 双绞线。检查线缆连接牢固后，将线缆的另一端接入转换器，再将转换器的输出端接入电脑。利用电脑上安装的Modscan 软件启动测试程序，进行组合开关的通讯测试。

2.3 现场程序调试及运行结果

使用Modsacn 调试软件依次对设备完成通讯测试并且测试结果显示通讯正常后，进行现场程序调试。调试流程如下：

2.3.1 参考矿区井下用电标准，选择127V 电源接入数据采集箱，同时将各传感器也接入到控制箱的对应端口上。在电脑上完成PLC 控制程序的编写，查看PLC 的IP 地址，然后从电脑的“控制面板”中查询IP 地址，检查电脑与PLC 的IP 地址是否在同一段内，如果不在则更改电脑IP 地址，完成连接后将程序下发至前端设备。

2.3.2 完成硬件组态、参数的设定，以及添加变量模块等操作后，利用下载的PLC 控制程序实现对设备运行状态的检测。利用电脑上的博途在线监测软件，可以直观地了解被监测设备的参数变化。

2.3.3 将采集到的数据与现场设备的实际数据进行对比，观察两组数据是否匹配。如果数据一致，说明该监测系统功能良好。完成程序调试后，把PLC 接入井下交换机，将监测数据经环网反馈给地面接收站。

2.3.4 位于地面接收站的上位机在接收井下PLC 反馈的数据后，根据矿井环网建设情况，对井下数据采集箱分配地址。在本系统中，上位机地址为192.168.0.115，数据采集箱的地址为192.168.0.113。调试结果表明，井下数据可以进环网顺利传输至地面，系统通讯正常，综采设备状态监测功能正常。

结束语

近年来矿井综采设备因为故障频发给企业打来了严重经济损失，加强综采设备状态监测，实现故障的及时处理，对保障矿区作业的正常进行，以及延长综采设备使用寿命有积极帮助。通过设计和应用基于PLC 的综采设备状态监测系统，代替人工实现了对各类综采设备的实时监测，并且将监测信息同步传输给地面上位机，方便管理人员直观了解各台设备的运行状态，对制定机电设备的维修计划、开展机电设备的故障排查，以及确保井下采矿作业的顺利进行提供了技术支持，具有较强的推广应用价值。