摘 要： 采煤機工作環(huán)境的復雜性對監(jiān)控系統(tǒng)提出更高要求，為提高其可靠性與實時性，采用了分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過PROFIBUS-DP總線技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置，設(shè)計搭建了以SIMATIC S7-300 PLC為控制核心和以WinCC組態(tài)技術(shù)為平臺的采煤機遠程監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的監(jiān)控要求，完成了PLC硬件配置、上位機監(jiān)控系統(tǒng)以及遠程在線監(jiān)控設(shè)計，實現(xiàn)了采煤機工況數(shù)據(jù)的在線顯示、故障報警和遠程控制。
關(guān)鍵詞： 采煤機；WinCC組態(tài)；PLC；遠程監(jiān)控
煤礦綜采設(shè)備向高產(chǎn)高效方向發(fā)展，要求大功率、高可靠性和智能化。采煤機作為重要的綜采設(shè)備之一，運行環(huán)境復雜惡劣，它的運行狀況正常與否直接影響著整個煤礦的安全及經(jīng)濟效益。因此要求采煤機具有很好的調(diào)速性能，使其高效運行，還要求具有高可靠性和較長的使用壽命，需要工況監(jiān)控系統(tǒng)來保障被監(jiān)控設(shè)備可靠運行。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，高智能化監(jiān)測控制系統(tǒng)已開始在各類大型機械設(shè)備上應(yīng)用。近年來引進的新型采煤機均配備有工況監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，但目前國內(nèi)生產(chǎn)的采煤機和現(xiàn)場普遍使用的采煤機，僅配備部分的過載保護及電氣系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)置。采煤機在使用中故障頻繁發(fā)生，嚴重影響了采煤機的高效工作，因此本文對采煤機運行情況的在線監(jiān)控作了進一步的研究。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
采煤機監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。
本監(jiān)控系統(tǒng)采用4層架構(gòu)，第1層為設(shè)備層，是控制系統(tǒng)最底層，主要包括被控制對象，如電機等，還包括各種數(shù)據(jù)檢測設(shè)備，如電流互感器、瓦斯檢測儀、溫度傳感器等。第2層為控制層，包括可編程控制器、變頻器等智能控制設(shè)備，功能是采集傳感器的數(shù)據(jù)、本地操作信號的響應(yīng)、邏輯控制單元的操控、數(shù)據(jù)通信等功能[1]。第3層為本地控制管理層，是對下位機控制過程的集中管理系統(tǒng)，主要負責對工業(yè)控制現(xiàn)場的控制器發(fā)送指令，設(shè)置系統(tǒng)、修改參數(shù)，確?，F(xiàn)場控制系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。第4層為遠程診斷管理層，通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)遠程的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，根據(jù)數(shù)據(jù)對前端的設(shè)備進行診斷，形成決策指導；甚至可通過視頻、語音等方式與前端生產(chǎn)工人進行直接對話，進行現(xiàn)場指導而專家卻不用到達現(xiàn)場。
2 PLC控制單元
PLC控制單元是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負責對采煤機運行數(shù)據(jù)（包括模擬量和數(shù)字量）的采集和處理、報警故障的生成、啟停聯(lián)鎖保護、控制命令保護、與遠程控制器通信、控制繼電器輸出，以實現(xiàn)對采煤機運行狀態(tài)的調(diào)整。
2.1 控制功能分析
?。?）采煤機的牽引電機由ABB ACS800變頻器驅(qū)動，牽引電機的額定轉(zhuǎn)速對應(yīng)變頻器的輸出頻率，且其值為50 Hz。變頻器輸出0~50 Hz為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；50~83 Hz為恒功率調(diào)速。
?。?）牽引方向和速度由左加速、右加速按鈕控制，按下左加速按鈕電機向左加速或者按下右加速按鈕電機向右加速。松開按鈕，電機保持當前速度。按下停機按鈕，采煤機停止運行。停止順序為啟動順序的反向即左右牽引電機、左、右截割電機、油泵電機的順序。
?。?）按下“復位”按鈕時，牽引速度降為“0”并抱閘。
（4）牽引電機采用DTC（直接轉(zhuǎn)矩控制），當截割電機超過額定功率時，阻力矩增加，牽引電機速度降低。
?。?）截割電機采用恒功率控制，在截割純煤層時阻力小，轉(zhuǎn)速增加；在截割包裹體或巖石層時阻力大，轉(zhuǎn)速減小。
?。?）對各個電機進行實時監(jiān)測并超溫預警，對變頻器電流和截割電機電流實施過流保護，同時實時監(jiān)控瓦斯?jié)舛取?br />
2.2 變頻器設(shè)計
牽引部采用兩臺型號為ACS800-175的變頻器，參數(shù)如下：
額定容量：175 kVA
輸出功率：135 kW
輸入電壓：380 V
輸出電壓：0~380 V
牽引部采用一拖一方式，主從方式牽引，右牽引變頻器為主，左牽引變頻器為從，主從控制接口使用CH2，主變頻器正常工作時受主控PLC控制，主變頻器與從變頻器通過CH2交換數(shù)據(jù)，牽引部電路如圖2所示。
PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。PROFIBUS傳送速度可在9.6 Kb~12 Mb范圍內(nèi)選擇且當總線系統(tǒng)啟動時，所有連接到總線上的裝置應(yīng)該被設(shè)成相同的速度。廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動化。PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。
主變頻器與S7-300之間采用PROFIBUS-DP通信協(xié)議，通過RPBA-01適配器模塊連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。變頻器在工作前應(yīng)根據(jù)采煤機的設(shè)計要求進行設(shè)置，由于設(shè)置項目多，這里只給出一些基本的設(shè)置。變頻器設(shè)置如表1所示。
2.3 PLC配置與程序設(shè)計
德國西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的可編程控制器在我國應(yīng)用相當廣泛，其生產(chǎn)的S7系列PLC具備體積小、速度快、標準化的特點，且網(wǎng)絡(luò)通信能力功能更強，可靠性更高。
根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計要求，該系統(tǒng)集中控制部分采用S7-300可編程控制器PLC，其關(guān)鍵功能模塊包括：電源模塊PS307、CPU模塊CPU315-2PN/DP、2塊16路DI模塊SM321、1塊16路DO模塊SM322、2塊8路A1模塊SM331、1塊2路AO模塊SM332，高速計數(shù)器模塊CP340?？蓴U展的機架設(shè)計滿足PLC硬件擴充需求，其中CPU模塊CPU315-2PN/DP支持PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通信，有集成的PN端口，無須以太網(wǎng)模塊可以建立以太網(wǎng)通信，提供最大傳輸速率為100 Mb/s的全雙工通信，實現(xiàn)通過工業(yè)以太網(wǎng)進行遠程監(jiān)控。PLC程序采用STEP7的LAD梯形圖編程語言進行模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，縮短了主程序OB1的循環(huán)掃描周期，有效增加了系統(tǒng)的實時性，并使程序的后期升級效率大幅提高[2]。PLC程序的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
3 WinCC組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計
西門子視窗控制中心SIMATIC WinCC（Windows Control Center）是HMI/SCADA軟件中的后起之秀，以最短的時間發(fā)展成為世界范圍內(nèi)最成功的SCADA系統(tǒng)之一。
WinCC客戶機/服務(wù)器系統(tǒng)，包括所有的SCADA功能。可以通過最基本的WinCC系統(tǒng)的組件和函數(shù)來實現(xiàn)復雜可視化任務(wù)，并且可以完成畫面創(chuàng)建、過程歸檔、報警顯示、趨勢和報表打印。WinCC 6.0采用標準Microsoft SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的歸檔，可以使用ODBC、DAO、OLE-DB和ADO方便地訪問歸檔數(shù)據(jù)。WinCC提供強大的標準接口，如OLE、ActiveX和OPC，可以很方便地與其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)。
WinCC提供了主要PLC系統(tǒng)的通信通道，直接連接到SIMATIC S7控制器的通信通道，還提供了PROFIBUS-DP/FMS、DDE（動態(tài)數(shù)據(jù)交換）和OPC（用于過程控制的OLE）等非專用通道，因為控制器生產(chǎn)商都為其硬件提供相應(yīng)的OPC服務(wù)器，所以都可以實現(xiàn)與WinCC的連接[3]，很好地保證了系統(tǒng)的兼容性和擴展性。
該監(jiān)控系統(tǒng)采用SIMATIC WinCC作為組態(tài)軟件，提供HMI界面設(shè)計、報警、故障事件信息響應(yīng)、數(shù)據(jù)歸檔、遠程監(jiān)控等功能。
3.1 WinCC與S7-300的通信實現(xiàn)
上位機通過PROFIBUS-DP總線與PLC進行通信，獲取現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)，系統(tǒng)組態(tài)軟件選用WinCC 6.0，WinCC項目管理器是組態(tài)軟件的核心，全面管理整個工程項目的數(shù)據(jù)組態(tài)和參數(shù)設(shè)置。SIMATIC S7 Protocol Suite通道支持WinCC站和SIMATIC S7自動化系統(tǒng)之間的多種通信方式，該系統(tǒng)選擇組態(tài)軟件通過PROFIBUS協(xié)議鏈接到SIMATIC S7-300自動化系統(tǒng)[4]，通過通信模板（通信卡/CP5611）進行通信。完成通信卡硬件和驅(qū)動后，組態(tài)SIMATIC S7 Protocol Suite通道單元，并分別設(shè)置新建變量（Tag），將外部變量與PLC的DB塊、位存儲器、輸入、輸出中的位或字連接起來。通過WinCC內(nèi)部函數(shù)GetTag、SetTag實現(xiàn)WinCC與PLC交換數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了界面顯示、控制PLC動作的功能。
3.2 監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)
根據(jù)系統(tǒng)需求，實現(xiàn)對采煤機工作情況的監(jiān)控，包括其牽引電機、截割電機、油泵電機等各部分實時的狀態(tài)，以及系統(tǒng)故障的報警信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表。監(jiān)控系統(tǒng)上位機設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
3.2.2 故障報警的實現(xiàn)
WinCC中的報警編輯器負責消息的采集與歸檔。在系統(tǒng)組態(tài)時，首先需要組態(tài)報警消息和報警消息文本，之后在圖形編輯器中創(chuàng)建報警畫面，添加報警控件，在Horn報警器中的Message assignment選項頁選定Message Class為Error，定義一個bool型的Tag；在Signal assignment選項頁選定Tag為之前定義的bool型的Tag，在Sound中選擇要播放的1.wav聲音文件[5]。運行時，只要Error類別的報警觸發(fā)，則bool型的Tag置位，1.wav循環(huán)播放；在報警控件中確認報警，聲音中止，也可以將bool型的Tag復位，1.wav聲音中止，實現(xiàn)了語音報警。
3.2.3 Web Navigator功能的實現(xiàn)
作為整個遠程監(jiān)控系統(tǒng)重點之一的遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要依據(jù)西門子WinCC Web Navigator遠程控制解決方案設(shè)計，實現(xiàn)了用戶遠程登錄，進行遠程監(jiān)控操作。
在設(shè)計Web Server時，必須考慮安全性和系統(tǒng)條件?？梢圆捎迷赪inCC Server上建立WinCC Web Navigator Server的方法。具體為WinCC Server和WinCC Web Navigator Server組件安裝在一臺機器上。WinCC Web Navigator Client可以通過Internet/Intranet來控制運行的WinCC項目。使用WinCC Web Navigator Client可以擴展Client-Server結(jié)構(gòu)。為了免受Internet攻擊，必須采用防火墻，第一個防火墻保護WinCC Web Navigator Server免受Internet攻擊，第二個防火墻為Intranet提高額外安全保障。
該系統(tǒng)構(gòu)建了采煤機的監(jiān)控系統(tǒng)的層次模型，采用了變頻器直接轉(zhuǎn)矩方式驅(qū)動牽引電機工作，通過程序設(shè)計對采煤機截割部進行恒功率控制。實現(xiàn)了對采煤機工況參數(shù)的實時監(jiān)測，運用Web Navigator功能使遠程操作人員直觀地掌控井下采煤機的狀態(tài)，并根據(jù)其工作狀態(tài)進行采煤機的遠程控制和實時調(diào)度，保證采煤生產(chǎn)安全的同時也保證了生產(chǎn)效率。
參考文獻
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