煤矿掘进机监控系统设计与应用研究

郝 勇

（西山煤电股份有限公司马兰矿， 山西 古交 030205）

引言

煤炭资源需求量的增加也在推动着整个煤炭行业的飞速发展，尤其是掘进机械装备领域不断朝着自动化、智能化方向迈进[1]。掘进机作为煤炭行业开展煤炭开采的重要设备之一，其工作的安全性和可靠性不仅关系着井下作业人员的安全，还与煤炭企业的经济利益息息相关，现已引起了煤炭行业的高度重视[2-3]。掘进机工作在矿井内部，环境条件极为恶劣，包括高湿度、高瓦斯浓度等，极易出现操作人员触电或者瓦斯爆炸事故，威胁掘进机操作人员的生命安全，同时，一旦出现安全事故，将会导致煤炭掘进工作停滞，也会给煤炭企业带来巨大的经济损失[4-5]。目前传统煤炭掘进机大多还是使用的人工操作，故而存在较大的安全隐患，也保证不了掘进机的有效工作效率[6]。因此，针对某煤炭企业服役中的掘进机电控系统技术落后的现状，开展掘进机监控系统设计与应用研究具有重要的意义。

1 监控系统结构

基于企业服役掘进机控制系统现状，设计完成了基于PLC 技术的监控系统，结构组成如图1 所示。由图1 可以看出，监控系统中主要包括上位机部分、PLC 控制主站、多个PLC 从站、传感检测原件等，其中上位机主要作用是实时显示掘进机运行参数数据及控制指令的远程发送；PLC 主站用于收集各个从站采集得到的数据信息，汇总之后上传至上位机进行实时显示；PLC 从站的作用是收集传感器实时采集得到的掘进机运行参数数据，进行简单的分析处理后发送至PLC 主站；传感检测原件是监控系统获得实时数据的基础，实时采集掘进机的运行状态参数。监控系统中的总线网络采用的是PROFIBUS 技术，使用RS485 接口进行数据传输，安全可靠，满足监控系统设计要求。

图1 监控系统结构

2 硬件设计

2.1 硬件选型

监控系统涉及的硬件包括控制器、激光测距仪和油缸行程直线位移传感器，各个元器件的选型要求分别是控制器运行稳定，数据处理能力强；激光测距仪检测精度小于10 mm，满足掘进机监控系统的要求；油缸直线位移传感器的分辨率小于1 mm，要求工作可靠。

2.1.1 控制器

控制器作为掘进机监控系统重要组成部分，其选型工作至关重要。系统需要采集的信号数据包括3 台电机和10 支伸缩油缸，选择常用的PLC 即可实现监控系统功能要求。此处选择了西门子S7-200CN 系列的PLC，其具有功能强大、经济性好等优势，适用于中型监控系统使用，满足掘进机监控系统设计要求。

2.1.2 激光测距仪

掘进机工作环境条件极为恶劣，光线条件极差，因此需要选择测量精度较高的激光传感器检测掘进机机身与巷道间的距离。根据监控系统需要，选择了型号为DLS-E50 激光测距仪，数量为4 个，激光测距仪实物如下页图2 所示。工作过程中激光测距仪通过一束激光的反射实现精确、非接触、长距离的距离检测，各个工业领域的应用较为成熟。

图2 激光测距仪实物图

2.1.3 直线位移传感器

直线位移传感器的作用是检测掘进机油缸伸缩状态数据，若使用内置的位移传感器，服役环境较为恶劣，出现问题不易维修，故而选择外置位移传感器，此处选择拉线形式的位移传感器，根据需要选择1 个KS15 拉线传感器和3 个KS20 拉线传感器。

2.2 电气控制箱

监控系统电气控制箱选择矿用隔爆兼本质安全型电气控制箱，具有监测电动机的过载、过热、漏电等故障功能，保留原有瓦斯断电仪、急停按钮、各个照明灯正常工作功能，如图3 所示。掘进机配置液压控制系统，实现换向阀控制10 个直线油缸的运动控制。电控系统集成了PLC 控制器、电流检测器、电压检测器等，还有用于实时显示掘进机运行参数的液晶显示屏和通断控制的一次回路接触器、继电器等。

图3 电气控制箱布局图

2.3 功能控制箱

掘进机监控系统的功能控制箱主要功能是为传感器供电、实时接收传感器检测数据、之后传输至操作台主PLC-M1 处理。与此同时，控制信号输出给运动放大卡，对采集得到的数据信号进行方法处理，之后控制比例电磁阀驱动掘进机动作油缸运动实现煤炭掘进工作，如图4 所示。

图4 功能控制箱功能图

2.4 操作台

操作台作为掘进机监控系统另一组成部分，设置于远程监控室内部，其主要包括上位机、PLC-M1 控制组件、操作面板和显示器等，具有实时显示掘进机运行参数数据的功能，同时，也可以根据监控人员的要求，远程控制掘进机的运行。

3 软件设计

3.1 主程序

掘进机监控系统主程序设计依据的是硬件结构组成及功能要求，设计完成的主程序工作流程如图5所示。由图5 可以看出，监控系统首次运行时，需要进行子程序的初始化，确定监控系统的工作状态；之后依次调用电压、油泵、截割和转载子程序，按下警铃按钮启动警铃报警器和油泵启动按钮，瓦斯断电仪和油泵工作正常时启动油泵，按下油泵报警器之后按下截割启动按钮，在截割电机和油泵电机启动条件下开启截割电机，之后按下转载电机启动按钮和截割定时器，当转载电机无故障时，启动掘进机转载电机，完成整个运行过程之后再次进行下一次的循环。

图5 监控系统主程序控制流程

3.2 人机交互界面

人机交互界面作为掘进机监控系统的一部分，其主要的作用是实时显示掘进机的运行参数数据，供监控人员及时获取掘进机的运行情况，与此同时，监控人员能够根据需要远程控制掘进机的运行，实现掘进机的实时监测和远程控制功能。根据掘进机监控系统的设计要求，完成了人机交互界面设计。人机交互界面能够实时显示掘进机各运行参数的实测数据，包括油泵参数、电机参数、伸缩油缸位移、掘进机位置等，能够直观地将掘进机的运行情况展示给监控人员，实现了掘进机运行状态参数的实时显示功能，具有很好的人机交互性能。作时间，减少了2～3 名设备操作人员，与此同时，节约了近8%的设备故障排查时间，保证了掘进机安全、可靠工作，降低了煤炭生产成本，预计为煤炭企业新增经济效益近40 万元/年，取得了很好的应用效果。

4 应用效果评价

为了验证掘进机监测系统设计的可行性，将其应用于某煤炭企业服役中的掘进机进行试运行，跟踪记录监控系统的运行情况。结果表明，监控系统运行稳定可靠，实现了掘进机的远程监控功能。统计结果显示，监控系统的使用，提高了掘进机近12%的有效工