煤矿综采工作面智能监控系统设计.pdf

收稿日期2019－10－13 煤矿综采工作面智能监控系统设计 刘章敏 （山西煤炭运销集团 阳城四侯煤业有限公司， 山西晋城048000） 摘要为促进综采工作面实现智能化、无人化采煤，在综合考虑了综采工作面作业环境较恶劣，易发生各类安全事故的基础上，设计了一种综 采工作面智能监控系统。介绍了该系统的构成，所用到的主要设备及工作原理，并设计了该系统的硬件部分与软件部分，借助冗余控制技术， 可对综采工作面采煤情况进行在线监测。实际应用结果表明，通过应用该系统可显著提高综采工作面采煤工作的安全性，更好地促进煤矿开采 的智能化。 关键词工作面；智能监控系统；冗余技术；智能化 中图分类号TD67文献标志码A文章编号1009－9492 2020 05－0106－02 Design of Intelligent Monitoring System for Fully Mechanized Mining Face in Coal Mine LIU Zhangmin （Yangcheng Sihou Coal Industry Co., Ltd., Shanxi Coal Transportation and Marketing Group, Jincheng, Shanxi 048000, China） AbstractIn order to promote the intelligentization of fully mechanized mining face and unmanned coal mining, based on the comprehensive consideration of the bad working environment and various kinds of accidents, an intelligent monitoring system was designed, the structure, main equipment and working principle of the system were introduced, and the hardware part and software part of the system were designed. With the help of redundancy control technology, the system can carry out on-line monitoring of the mining situation in the fully mechanized working face. The practical application results show that the system can improve the safety of coal mining in fully mechanized coal face, and promote the intelligent and unmanned coal mining in fully mechanized coal face. Key wordswork surface; intelligent monitoring system; redundancy technology; intelligent DOI 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 05. 038 第49卷第05期Vol.49No.05 机电工程技术 MECHANICAL ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY 刘章敏. 煤矿综采工作面智能监控系统设计［J］. 机电工程技术，2020，49（05） 106-107. 0 引言 在煤炭生产的过程中，综采工作面属于第一现场，由于 采煤现场存在较高的温度、较多的设备、较大的粉尘，且空 间极为拥挤，因此极易产生安全事故，对煤炭的安全生产造 成了严重的影响。为了有效地避免安全事故的发生，煤矿企 业应当提升煤炭生产的智能化水平，减少综采作业面的人员 数量。目前，我国综采作业面的各个设备均通过了数字化、 自动化改良，已经进入到了智能化时代，一些企业的智能化 无人技术开始应用，只需要一台监控设备就可以实现所有设 备的控制工作，从而对煤炭进行有效地开采。 综采工作面所开展的作业若要具备智能化，就必须与环 境、设备等相关参数相结合，因开采作业不具备较好的环 境，因此其控制系统必须具备高效、安全的特点，通过实施 有效的冗余控制，控制系统的高效性将会得到极大提升。本 文以冗余控制技术为基础，对综采作业面的智能化监控体系 进行研究。在设计的过程中，必须对现场所使用的设备状 况、作业环境等产生的影响进行充分的考虑，通过运用软冗 余的方法来加强各个设备之间的通讯。 1 监控系统的构成 该智能化监控体系的构成主要分为3部分，分别为现场 控制层、应用设备层和企业管理层，如图1所示，作为煤矿智 能化监控体系，综采工作面智能化监控体系已使用虚线标 出。在该系统中，企业管理层与现场控制层的连接是利用工 业以太网所实现的，不仅要具备较快的传输速度，而且要具 备较长的传输距离，必须与煤矿企业的生产需求相适应。现 场控制层对各个 PLC 主站的监控是利用工业以太网所实现 的，各个PLC主站运用PROFIBUS-DP来实现各个从站设备的 控制，该工作面不具备较好的环境，且对通信要求较高，因 此必须采用冗余控制的方法来配置主、备双PLC控制体系[1]。 一般情况下，若冗余网络构造有着较频繁的使用率，其所具 有的总线型就较为可靠，因此该作业面可以运用总线型来设 置冗余系统的构造。作为DP主站，主PLC中对综采工作面进 行监控的各个设备，如破碎机、采煤机、液压支架等，三机 图1智能监控系统组成 106 语言通信体系、视频监控体系等与现场控制层的通信都是利 用工业以太网所实现的。主PLC控制体系所发挥的主要功能 是对传感器的各种数据信息进行收集，对各个设备，加以控 制，使其顺利完成煤炭开采及运输的工作，并利用工业以太 网将数据传递到现场控制层，综采工作面的三机语言通信体 系和视频监控体系也是利用工业以太网来将信息传输到现场 控制层的，促使视频、语音和数据实现了完美的融合。应用 设备层与上级监控主站间的信息连接是利用工业以太网实现 的，可以极大规避信息孤岛的产生。 企业管理层位于地面之上，通过使用地面上面的主机来 严格监控开采作业的进度，同时配置相应的数据库来进行储 存和记录。对于作业的进度状况，服务器可以将其及时传输 到集团内部，就算集团与开采现场之间存在着较远的距离， 也可以确保总部及时充分地掌握工作面的开采状况。 现场控制层处于矿井下巷道之内，其与企业管理层所进 行的通信主要依靠工业以太网所实现。现场控制层与综采工 作面相隔离，作业人员对矿井开采状况的监控可以通过控制 层的工作人员来实现，利用相关的网络系统来改善主站PLC的 程序。利用以太网来完成主站及备站的PLC之间的通讯工作。 应用设备层所发挥的功能主要是对该工作面的各个数据 信息进行收集及认真落实各个决策信息。其中所需要采集的 数据主要有作业面环境的监测、作业安全性的监测等等；决策 信息的实施需要对开采、运输、掘进及探测等设备进行控制。 2 冗余系统的硬件设计 综采工作面所构建的冗余控制体系的框架如图2所示。 在DPZ主站所建立的冗余系统中，主要采用57-300型PLC作 为主PLC，同时加设相关型号的以太网通信板块，利用该板 块来完成其与上位机的连接[2]。DP主站中PLC所发挥的作用 是接收各个从站向其传输的传感器信息，并做出有效的决 策，之后再将与决策相关的信息传递至各个DP从站中，以严 格控制现场的开采设备；同时将煤炭开采状况传输到上级主 站中，例如现场设备的监控信息、传感器的信息等等，并对 其进行有效地监控与记录。DP从站主要存在两种形式，分别 为非智能和智能，智能从站的作用是对作业进行有效控制； 非智能从站所发挥的功能是向主站传递各个信息数据，同时 依据主站内部的决策信息来实施传输。非智能从站对信息加 以控制的方式为分布式I/O输入及输出；智能从站可以基于主 站的相关参数利用变频器来对电机所具有的功率和速度进行 调整。各个从站的构成板块主要有 1 个电源板块、2 个 IM153-2接口板块及许多I/O板块。在实际生产及冗余控制系 统正常运作的过程中，备PLC将会对主PLC的运行状态加以 实时监测，当主PLC及其从站板块产生故障的时候，备PLC 将会取代主PLC来继续运行[3]。 在冗余系统中，各个从站所进行的组态工作主要是依靠 自身控制及检测的对象来完成，针对生产中所运用的核心设 备，该监控系统中所安装的从站主要包括以下几种。 （1）液压支架控制从站，该从站所发挥的作用主要是对 电液进行有效控制，对其所处姿态进行有效调整，同时开展 精确检测。 （2）灾害检测预警从站，该从站的功能是对液压支架及 护帮板所具有的压力进行监测，对其中存在的一些灾害问题 进行及时预警。 （3）采煤机从站，主要是对采煤机的一些基本性操作进 行有效的控制，如启动、运行等，同时也可以对采煤机的倾 斜角度、滚筒的高度进行有效地监测[4]，完成采煤机的数字及 记忆截割。 （4）刮板输送机从站，在该从站中设置有EM277通讯扩 展单元，将变频器作为总线的智能从站，对破碎机、转载机 等设备的转速及功率进行调节。 （5）综合供液系统从站，该从站可以对泵站进行智能及 变频控制，同时对其运转的实际状况进行检测。 （6）在开采工作的实际进展中，安全检测从站中工作面 极易发生危险事故，例如瓦斯的爆炸、煤炭的自燃等，应当 与矿井下实际生产条件相结合，配置多个非智能化从站来检 测开采作业所处的环境，必要之时需要配备相应的防火装置。 3 冗余系统的软件设计 （1）软冗余系统的工作过程 软冗余系统的构成主要分为两类，分别为主、备PLC系 统。在工作的过程中，CPU、通信总线与电源三者彼此独 立，互不干涉。当主、备PLC同时运作的过程中，这个程序 将同时具备冗余和非冗余两种程序，当运行至冗余程序的时 候，此时仅仅有主PLC会运行该程序，而备PLC则直接越过 该程序，同时将主PLC中形成的各个数据进行接收[5]。图3所 示为主、备PLC系统中的实际运行过程。当主PLC系统中的 某个部件出现故障，控制工作将会自行转换到备 PLC 系统 中，并对监测状况加以备份，此时，备 PLC 将会升级为主 图2冗余系统组成图3冗余系统运行过程 （下转第126页） 莫之剑，等基于3D机器视觉动力电池焊缝质量检测方法 107 [3] 朱志胜.民用飞机着陆灯与机场助航灯光在飞机夜航中的作 用[J]. 民用飞机设计与研究, 20142 88-92. 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