基于PLC 的综采设备状态监测系统设计研究

郭甘霖

（西山煤电集团设备租赁分公司， 山西 太原 030053）

引言

目前，随着我国能源产业结构的调整，煤炭产业结构也在不断地发生着变化。煤炭开采的方式主要是以井下开采为主，其中综采设备的应用也发生了重大的变化。近几年出现了大型、智能化的设备外[1-2]，也研制出了不少关于提升煤矿井下安全性能的硬件和软件设备[3]。

由于随着开采深度的不断加深，煤矿井下开采的温度、湿度和环境都不断地发生着变化，设备长期处于潮湿、高温的环境中，在开采过程中经常会出现故障停机的现象，为了及时发现设备故障停机位置和故障原因，需要对综采设备加设信号检测和状态的显示等装置，保证煤矿井下设备开采的效率的提升[4]。

1 综采设备的组成

根据目前煤矿企业的发展情况，我国大部分煤矿都实现了机械化采煤，综采设备成为了每座煤矿的基本配置。并且根据每座煤矿的煤层厚度、人员数量以及安全生产的要求都会选用相匹配的综采设备。综采设备一般都是由采煤机。刮板输送机、转载机、破碎机以及带式输送机和液压支架共同组成整个煤矿井下开采的整个系统。根据不同的开采方式一般采用的开采方法也不同，但是各设备的主要作用是相同的。采煤机主要负责对煤壁煤炭的截割，利用其截割部将煤炭从煤壁上破碎成小块，并且能够实现左右移动来调整对整个煤壁的截割。刮板输送机主要是将采煤机从煤壁上截割下来的煤进行收集，利用刮板链将煤块输送至后端的破碎机。破碎机将煤块进一步进行破碎，破碎成体积更小的状态，经过转载机来实现煤块从刮板输送及和带式输送机上的转载。带式输送机是煤矿中的主要运输工具，将煤炭从井下直接运输到井上的原煤仓中。煤矿井下综采工作面的布置图如图1所示。

图1 综采工作面的设备布置图

2 综采设备状态监测系统

2.1 监测对象及参数的选择

通过对煤矿井下综采设备的布置情况和使用的作用，能够得出综采设备在实际使用过程中主要都是电牵引设备，电力设备的状态监测主要是通过对其电压和电流进行监测就能够实现对整机的状态进行监测。据此可以确定综采设备的状态监测主要是采煤机、刮板输送机、破碎机、转载机、带式输送机和液压支架主要的综采设备进行状态的监测。根据对综采设备的日常使用过程中出现的故障的情况进行分析能够发现故障的类型主要是可以分为两种，一种是机械本身出现的故障，机械本身结构出现故障大多是由于零件在长时间的恶劣环境或者是由于设备长期使用的磨损产生机械失效，导致机械结构的失效，从而引起故障，此类故障在实际操作过程中相对比较容易发现，也比较容易迅速更换。另一种是电子电路的故障，电子电路的故障大多是由于电流电压不稳定造成电气设备故障，其主要表现为过压、欠压或者是短路等故障，这类型的故障往往是导致设备长时间停机的主要原因，针对此类故障进行预先的监测和防范是保证综采设备高效运行的基础。基于此在对综采设备状态检测系统的参数进行选择是主要是针对综采设备的电压和电流进行监测，同时为了保证更加准确和稳定，还需要对变频器的参数进行监测，实现综采设备启停状态、频率以及故障状态和原因的准确及时监测。

2.2 综采设备状态监测架构

为了保证综采设备的高效稳定运行，就需要对综采设备进行全方位的状态监测。综采设备状态监测系统主要是通过数据采集、数据传输、客户应用以及网络应用四层共同组成的，以达到实现整个系统对综采设备的状态的整体监测。首先是先通过对各个设备的电流、电压、启停状态和故障状态进行现场信号的采集。数据的传输层主要是指两层的数据传送，一层是现场信号传递给西门子S7-1214C 型的PLC 的集中控制箱内，另一层是西门子S7-1214C 型的PLC 的集中控制箱将信号传递到井下的环网，并通过交换机等将信息输送至地面的过程。客户应用层是指用户能够在上位机的画面上进行设备的状态显示和相关信息的存储，客户能够利用这些信息进行判断设备的实时状态。并且操作人员能够根据不同的状态对井下的设备进行远程调控，保证综采设备处于正常稳定的状态。网络应用层主要是利用WINCC 软件的网络发布作用，将数据发布至服务器，从而实现局域网内对设备的监测。

2.3 综采设备状态监测系统的上位机设计

利用WINCC 软件对上位机组态画面进行设计其主要的功能为显示画面、存取数据、显示状态参数、分析数据以及基础权限等的管理功能。画面显示主要是对各设备的布置情况进行模拟，然后在模拟的画面上对数据的采集进行画面的显示，这样状态就能够直观地显示出各大综采设备的运行状态。存取数据是为了将井下综采设备采集到的数据进行历史数据的存储和记录，方便以后工作人员的对设备历史状态和目前工作状态的结合判断。数据分析功能是为了将方便操作人员对设备状态分析有着更好的数据支持，数据分析主要是为了实现将采集到的时刻参数自动绘制成曲线图，方便操作人员观察和分析。基础权限主要是指管理系统内部的用户的使用和系统模块参数的设备等辅助功能的实现。上位机的功能图如图2 所示。

图2 上位机的功能组成图

3 结语

为了使煤炭的开采更加高效、安全，对煤矿井下的综采设备进行自动化和智能化改造。根据对煤矿井下综采设备的布置和各设备的主要作用的深入认识，进而提出了综采设备状态监测系统，综采设备监测系统主要是由数据采集、数据传输、客户应用以及网络应用四层架构组成，实现了以西门子S7-1214C 型的PLC 为核心的状态监测系统。通过利用WINCC 软件对上位机组态画面进行设计，实现了人机交互的功能设计。基于综采设备的状态监测系统能够有效地提升设备的运行效率，降低设备故障率，提高煤炭的开采效率，增加煤矿的经济效益。