基于PLC 控制的采煤机运行状态监控系统应用研究

薛佳皓

（晋能控股煤业集团草垛沟煤业有限公司， 山西 大同 037102）

引言

采煤机是综采工作面的关键设备，采煤机的工作可靠性直接影响到矿井的经济效益和安全生产，对采煤机进行远程监控是实现综采工作面自动化的必要条件。在采煤机实际作业过程中，作业环境存在通风效果较差、粉尘集中、散热性能较差等问题，致使设备出现了作业温度较高、作业功率超限运转、电机烧坏、滚筒磨损严重等问题，若无法采用更加有效的技术对采煤机运行故障进行排除，将严重影响着采煤机的作业效率[1]。

结合采煤机当前通信原理，设计一套更加智能化的监控系统十分必要。为此，在充分利用工业控制技术基础上，通过对采煤机结构进行分析，开展了基于PLC 控制技术的采煤机监控系统研究和关键模块设计，通过对远程监控系统的应用测试，验证了此系统的准确性及可靠性，在采煤机中具有重要的应用价值。

1 采煤机结构组成分析

目前，煤矿中应用较多的双滚筒式采煤机，可根据煤层的高度和厚度进行不同姿态的调整。采煤机结构主要由牵引部、截割部、滚筒、动力电机、电气控制系统等部分组成。牵引电机通过主动链轮将动力传输至减速箱中，并将动力传输至滚筒中，以此驱动滚筒对煤层进行开采[2]。其中，滚筒是整个采煤机中的关键部件，包括了截齿、螺旋叶及端盘等零件，在使用过程中经常会出现截齿断裂问题。同时，滚筒及截齿在运行过程中也会因散热效果较差、作业环境通风效果较差、供水冷却系统较弱等问题导致局部温度增加，粉尘的聚集也对采煤机设备的正常运行造成了重要影响。因此，为保证采煤机正常的开采作业，需要在采煤机中增加一套监控系统，以实现对设备运行状态的实时监控。

2 采煤机监控系统设计

结合采煤机的作业需求，开展了针对采煤机作业状态的监控系统设计研究。所设计的系统包括现场设备层、控制层、本地控制管理层、远程诊断管理层。其中，现场设备层主要包括底层的瓦斯传感器、粉尘传感器、电流互感器、温度传感器等，主要实现对采煤机运行状态及工控环境的数据采集[3]。本地控制管理层的上机位采用了研华工控机，并与西门子的PLC 及WinCC 组态软件监控平台进行通信连接，利用远程访问组件对采煤机作业状态及下机位状态进行远程控制，有效防止事故的发生，利用内部的存储模块，实现对数据的整理归档及报表生成[4]。远程诊断管理层则主要通过IE 浏览器和监控平台来实现对采煤机运行状态的监控，当采煤机作业温度、电机等出现异常现象时，可通过监控平台上的显示图标进行故障类型显示及故障报警，人员可根据此报警信息故障排除。另外，利用监控系统可对采煤机运行状态的大量数据进行数据归档，并对数据进行分析，形成柱状图，以便后期对设备运行状态进行综合分析。整体监控系统具有更全面的监控功能，系统稳定性大大提升，设备的故障率也有效降低。采煤机作业状态监控系统的总体框架图如图1 所示。

图1 采煤机作业状态监控系统的总体框架图

3 监控系统关键分系统设计

3.1 PLC 控制模块设计

由于需对采煤机作业状态进行实时检测，控制程序及逻辑相对复杂，故采用了PLC 控制器对整个系统进行控制。所选用的PLC 为西门子的S3-700 型，主要设计在直接控制层，可实现对采煤机动作控制、运行数据检测、逻辑计算等，并实时接收上机位传输的控制命令，利用通信线传输至工控机中[5]。PLC 控制程序采用STEP7 进行梯形图程序编写，输入模块采用AI8×12bit 模块，配备了10 个温度输入信号，经AI 模块采集后存入至IW368 映像的存储器中。在此控制程序中设计了OB1 主控程序、OB37 循环中断、OB100 暖启动等组成，通过各模块的信号转化及匹配，最终传入至DB1/DBD0 的数据模块中，整个PLC控制程序的流程图如图2 所示。

图2 整个PLC 控制程序的流程图

3.2 PLC 与变频器通信设计

为保证整个监控系统的稳定性，采用了ABB-ACS800 系列的变频器， 网络则基于Profibus-DP 网络，最终与西门子的PLC 进行通信设计。其中，Profibus-DP 网络协议可满足分布式I/O 控制单元，利用高速数据传输方式进行设计[6]。同时，变频器设计了主变频器和从变频器，配备了一台工控机，在网络上设计了一个主站和若干个从站，主站利用站发点根据站号进行信号传输，通信传输速率最大可达12 Mbit/s，Profibus-DP 网络协议可将信号传至PLC 控制器中的CPU、AI、AO 等接口中，实现传动单元发出启动、停止、运行等相应控制命令。另外，利用传输线理论原理，配备了一个终端电阻来实现对信号中发射波的吸收，有效增强信号强度。PLC 与变频器的网络配置图如图3 所示。

图3 PLC 与变频器的网络配置图

3.3 温度检测及保护模块设计

为进一步实现对采煤机作业温度的实时检测，在此监控系统中设计了温度检测及保护模块。此模块主要利用铂电阻的高电阻率、高稳定灵敏性等特点对采煤机电机温度进行检测，通过铂电阻形成一个温度传感器，可实现对采煤机-70～600 ℃范围的检测。所设计的模块电路采用了5 V 直流供电，利用LM324 差分放大器进行电源电压调节。WR2 为120 Ω 的滑动变阻器，可实现对电桥电压的平衡调节。此温度检测及保护模块的电路原理图如图4 所示。

图4 温度检测及保护模块电路图

4 系统应用测试

结合所设计的新型采煤机运行状态监控系统，将其集成在现有采煤机中进行了实际应用测试，测试周期将近3 个月。在测试过程中，整个监控系统运行正常，监控界面更加清晰，监控数据更加准确，能通过界面中的数据分析、图形显示等不同形式对采煤机作业状态进行显示，人员可更强清晰、直观地对设备进行观察分析。同时，前端的各类传感器采集精度更高，能对采煤机作业温度、滚筒切割高度、环境瓦斯浓度及氧气浓度等参数进行实时监测，通过监控界面显示。当设备出现故障问题时，能通过监控界面对故障类型及故障发生位置进行实时显示，人员可根据此显示内容快速进行故障排除。据现场对此监控系统进行评估，该监控系统应用后，能使采煤机设备的故障率降低60%以上，设备的维修及作业人员劳动强度大大降低，人员数量减少，提高了采煤机的作业效率，整个运行情况达到了预期效果。

5 结语

采煤机作为影响煤矿开采效率的重要设备，保证其作业效率及较低的故障率对提高企业的经济效益具有重要作用。为此，在分析采煤机结构组成基础上，开展了基于PLC 控制器的采煤机监控系统总体设计及关键分系统的研究，通过将该系统进行实际应用测试，得出：该系统运行良好，监控精度更高，采集功能更加全面，能通过显示界面更加直观、智能化地对采煤机运行状态进行参数检测及故障诊断，大大降低了采煤机的故障发生率，减轻了人员的劳动强度，这对提高采煤机的作业效率及智能化程度具有重要意义，应用价值较大。