摘 要： 采煤機(jī)工作環(huán)境的復(fù)雜性對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)提出更高要求，為提高其可靠性與實(shí)時(shí)性，采用了分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)PROFIBUS-DP總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置，設(shè)計(jì)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(tái)的采煤機(jī)遠(yuǎn)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程在線監(jiān)控設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)工況數(shù)據(jù)的在線顯示、故障報(bào)警和遠(yuǎn)程控制。
關(guān)鍵詞： 采煤機(jī)；WinCC組態(tài)；PLC；遠(yuǎn)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(jī)作為重要的綜采設(shè)備之一，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜惡劣，它的運(yùn)行狀況正常與否直接影響著整個(gè)煤礦的安全及經(jīng)濟(jì)效益。因此要求采煤機(jī)具有很好的調(diào)速性能，使其高效運(yùn)行，還要求具有高可靠性和較長(zhǎng)的使用壽命，需要工況監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)保障被監(jiān)控設(shè)備可靠運(yùn)行。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高智能化監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)已開(kāi)始在各類大型機(jī)械設(shè)備上應(yīng)用。近年來(lái)引進(jìn)的新型采煤機(jī)均配備有工況監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，但目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的采煤機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)普遍使用的采煤機(jī)，僅配備部分的過(guò)載保護(hù)及電氣系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)置。采煤機(jī)在使用中故障頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響了采煤機(jī)的高效工作，因此本文對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行情況的在線監(jiān)控作了進(jìn)一步的研究。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)象，如電機(jī)等，還包括各種數(shù)據(jù)檢測(cè)設(shè)備，如電流互感器、瓦斯檢測(cè)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(hào)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(duì)下位機(jī)控制過(guò)程的集中管理系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)對(duì)工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的控制器發(fā)送指令，設(shè)置系統(tǒng)、修改參數(shù)，確保現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。第4層為遠(yuǎn)程診斷管理層，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)前端的設(shè)備進(jìn)行診斷，形成決策指導(dǎo)；甚至可通過(guò)視頻、語(yǔ)音等方式與前端生產(chǎn)工人進(jìn)行直接對(duì)話，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)而專家卻不用到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。
2 PLC控制單元
PLC控制單元是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)（包括模擬量和數(shù)字量）的采集和處理、報(bào)警故障的生成、啟停聯(lián)鎖保護(hù)、控制命令保護(hù)、與遠(yuǎn)程控制器通信、控制繼電器輸出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整。
2.1 控制功能分析
（1）采煤機(jī)的牽引電機(jī)由ABB ACS800變頻器驅(qū)動(dòng)，牽引電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速對(duì)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。
（2）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(jī)向左加速或者按下右加速按鈕電機(jī)向右加速。松開(kāi)按鈕，電機(jī)保持當(dāng)前速度。按下停機(jī)按鈕，采煤機(jī)停止運(yùn)行。停止順序?yàn)閱?dòng)順序的反向即左右牽引電機(jī)、左、右截割電機(jī)、油泵電機(jī)的順序。
（3）按下“復(fù)位”按鈕時(shí)，牽引速度降為“0”并抱閘。
（4）牽引電機(jī)采用DTC（直接轉(zhuǎn)矩控制），當(dāng)截割電機(jī)超過(guò)額定功率時(shí)，阻力矩增加，牽引電機(jī)速度降低。
（5）截割電機(jī)采用恒功率控制，在截割純煤層時(shí)阻力小，轉(zhuǎn)速增加；在截割包裹體或巖石層時(shí)阻力大，轉(zhuǎn)速減小。
（6）對(duì)各個(gè)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并超溫預(yù)警，對(duì)變頻器電流和截割電機(jī)電流實(shí)施過(guò)流保護(hù)，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控瓦斯?jié)舛取?br />
2.2 變頻器設(shè)計(jì)
牽引部采用兩臺(tái)型號(hào)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(shí)受主控PLC控制，主變頻器與從變頻器通過(guò)CH2交換數(shù)據(jù)，牽引部電路如圖2所示。
PROFIBUS是一種國(guó)際化、開(kāi)放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS傳送速度可在9.6 Kb~12 Mb范圍內(nèi)選擇且當(dāng)總線系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，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(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(jī)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)置，由于設(shè)置項(xiàng)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(jì)
德國(guó)西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的可編程控制器在我國(guó)應(yīng)用相當(dāng)廣泛，其生產(chǎn)的S7系列PLC具備體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，且網(wǎng)絡(luò)通信能力功能更強(qiáng)，可靠性更高。
根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)器模塊CP340。可擴(kuò)展的機(jī)架設(shè)計(jì)滿足PLC硬件擴(kuò)充需求，其中CPU模塊CPU315-2PN/DP支持PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線通信，有集成的PN端口，無(wú)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(shí)現(xiàn)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。PLC程序采用STEP7的LAD梯形圖編程語(yǔ)言進(jìn)行模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shí)時(shí)性，并使程序的后期升級(jí)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(jì)
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(shí)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(jī)/服務(wù)器系統(tǒng)，包括所有的SCADA功能。可以通過(guò)最基本的WinCC系統(tǒng)的組件和函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜可視化任務(wù)，并且可以完成畫(huà)面創(chuàng)建、過(guò)程歸檔、報(bào)警顯示、趨勢(shì)和報(bào)表打印。WinCC 6.0采用標(biāo)準(zhǔn)Microsoft SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)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(wèn)歸檔數(shù)據(jù)。WinCC提供強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換）和OPC（用于過(guò)程控制的OLE）等非專用通道，因?yàn)榭刂破魃a(chǎn)商都為其硬件提供相應(yīng)的OPC服務(wù)器，所以都可以實(shí)現(xiàn)與WinCC的連接[3]，很好地保證了系統(tǒng)的兼容性和擴(kuò)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(jì)、報(bào)警、故障事件信息響應(yīng)、數(shù)據(jù)歸檔、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。
3.1 WinCC與S7-300的通信實(shí)現(xiàn)
上位機(jī)通過(guò)PROFIBUS-DP總線與PLC進(jìn)行通信，獲取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)，系統(tǒng)組態(tài)軟件選用WinCC 6.0，WinCC項(xiàng)目管理器是組態(tài)軟件的核心，全面管理整個(gè)工程項(xiàng)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(dòng)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(guò)PROFIBUS協(xié)議鏈接到SIMATIC S7-300自動(dòng)化系統(tǒng)[4]，通過(guò)通信模板（通信卡/CP5611）進(jìn)行通信。完成通信卡硬件和驅(qū)動(dòng)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(chǔ)器、輸入、輸出中的位或字連接起來(lái)。通過(guò)WinCC內(nèi)部函數(shù)GetTag、SetTag實(shí)現(xiàn)WinCC與PLC交換數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了界面顯示、控制PLC動(dòng)作的功能。
3.2 監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
根據(jù)系統(tǒng)需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)工作情況的監(jiān)控，包括其牽引電機(jī)、截割電機(jī)、油泵電機(jī)等各部分實(shí)時(shí)的狀態(tài)，以及系統(tǒng)故障的報(bào)警信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表。監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
3.2.2 故障報(bào)警的實(shí)現(xiàn)
WinCC中的報(bào)警編輯器負(fù)責(zé)消息的采集與歸檔。在系統(tǒng)組態(tài)時(shí)，首先需要組態(tài)報(bào)警消息和報(bào)警消息文本，之后在圖形編輯器中創(chuàng)建報(bào)警畫(huà)面，添加報(bào)警控件，在Horn報(bào)警器中的Message assignment選項(xiàng)頁(yè)選定Message Class為Error，定義一個(gè)bool型的Tag；在Signal assignment選項(xiàng)頁(yè)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(yùn)行時(shí)，只要Error類別的報(bào)警觸發(fā)，則bool型的Tag置位，1.wav循環(huán)播放；在報(bào)警控件中確認(rèn)報(bào)警，聲音中止，也可以將bool型的Tag復(fù)位，1.wav聲音中止，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音報(bào)警。
3.2.3 Web Navigator功能的實(shí)現(xiàn)
作為整個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)重點(diǎn)之一的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要依據(jù)西門子WinCC Web Navigator遠(yuǎn)程控制解決方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了用戶遠(yuǎn)程登錄，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控操作。
在設(shè)計(jì)Web Server時(shí)，必須考慮安全性和系統(tǒng)條件。可以采用在WinCC 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(tái)機(jī)器上。WinCC Web Navigator Client可以通過(guò)Internet/Intranet來(lái)控制運(yùn)行的WinCC項(xiàng)目。使用WinCC Web Navigator Client可以擴(kuò)展Client-Server結(jié)構(gòu)。為了免受Internet攻擊，必須采用防火墻，第一個(gè)防火墻保護(hù)WinCC Web Navigator Server免受Internet攻擊，第二個(gè)防火墻為Intranet提高額外安全保障。
該系統(tǒng)構(gòu)建了采煤機(jī)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(dòng)牽引電機(jī)工作，通過(guò)程序設(shè)計(jì)對(duì)采煤機(jī)截割部進(jìn)行恒功率控制。實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤機(jī)工況參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，運(yùn)用Web Navigator功能使遠(yuǎn)程操作人員直觀地掌控井下采煤機(jī)的狀態(tài)，并根據(jù)其工作狀態(tài)進(jìn)行采煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)調(diào)度，保證采煤生產(chǎn)安全的同時(shí)也保證了生產(chǎn)效率。
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