综采工作面液压支架远程智能监控系统的设计_孙尚华.pdf

综采工作面液压支架远程智能监控系统的设计孙尚华（山西古县西山鸿兴煤业公司，山西临汾041000）摘要：针对当前鸿兴矿业综采工作面液压支架协同控制及远程监控方面的发展瓶颈，按照电液控液压支架远程监控系统的功能要求，基于 CAN 网络通信结构和 PLC 通信中继电器和控制器，设计出液压支架远程监控系统总体方案，并完成系统硬件及平台搭建，成功应用于矿井综采工作面，具有很好的推广意义。关键词：液压支架；远程控制；监控系统；PLC中图分类号：TP393.1文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0209-020引言液压支架是实现井工矿用综合机械化开采的关键设备，与采煤机、刮板输送机合并称为“三机”。成套液压支架作为重要的采场支护设备，通常需要几十套甚至上百套液压支架相互配合，从而达到有效的顶板支护作用，当前我国大多数井工矿井仍然采用传统的手动独立控制方式，没有实现液压支架的协同作业和远程监控，严重制约了矿井的自动化和减人化作业，不利于矿井安全生产系数的提高。针对液压支架远程控制及监控方面的发展瓶颈，有必要设计一套远程集约化控制系统，搭建起合理的软、硬件平台，实现液压支架的远程监控，从而实现远程控制与远程监控，优化“三机”配套管理，改善工人劳动环境，实现安全高效作业。针对鸿兴煤业 2210 工作面 ZDYZ-Z 型液压支架的远程监控系统进行设计研究，从而实现液压支架工况的远程监控，为采场支护及故障快速排除提供指导，从而保障设备长期稳定运行，保障安全高效生产1-2。1液压支架远程监控系统功能要求液压支架是综采重要的设备，其在采煤过程中承担着支撑顶板的作用，为刮板输送机、采煤机及工作人员提供必要的安全空间。液压支架远程监控系统是综采工作面“三机”配套的重要控制系统之一，需要实现与液压泵站控制系统、采煤机电控系统、运输控制系统的协同作用，根据具体的操作控制要求，液压支架远程监控系统应实现如下功能：1）工况实时监测。基于安装在每台液压支架的支架控制器、各类传感器、音视频采集器等设备，实时搜集并上传支架工况参数，并以图形和数字的形式进行显现3。2）支架远程控制。同样需要传感器搜集的工况数据，通过通信线路上传至控制中心，再进行判断及指令生成，并向电液控制阀发出指令，实现对液压支架的控制操作。3）故障快速诊断。液压支架工况恶劣，电气故障、液压故障频发，人工很难快速排查以及精准定位故障点，需要一个可靠的系统对支架工作状况进行监控，快速排查并处置故障。4）良好的人机交互。通过控制中心的人机交互程序，应能实现实时监控、人工干预、参数调整、历史数据分析等功能。2液压支架远程监控系统总体方案设计远程监控系统功能的实现要求其设计必须监控功能强大、人机交互优良，必须使其体系架构尽可能合理化，配置可靠的软硬件系统。结合鸿兴矿 2210 工作面的具体地质生产条件，远程监控系统的整体设计思路是三级系统设计：一是地面控制中心；二是工作面顺槽设备控制中心；三是液压支架本地控制层。三级架构设计思路如图 1 所示4。地面控制中心的设计是远程监控实现的直接体现，与顺槽设备控制中心通过工业以太环网联通，便于地面监控中心人员的操控和掌握，起到数据采集、收稿日期：2022-04-22作者简介：孙尚华（1970），男，本科，毕业于北京理工大学机械电子工程专业，工程师，任山西古县西山鸿兴煤业公司机电副经理，研究方向为煤矿生产技术管理。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.084图 1远程监控系统三级架构设计示意图电液控液压支架远程监控系统视频监控主机3DVR 数字化平台WinCC 监控主机OPC ServerSQL ServerWeb ServerSIMATIC WinCC Scrver地面网络地面远程监控层双环工业以太环网无线 Mesh 交换网络顺槽远程监控层顺槽运程监控层中心本地控制层支架控制器 1（推溜模糊控制系统）支架控制器 2（推溜模糊控制系统）支架控制器 3（推溜模糊控制系统）支架控制器 131（推溜模糊控制系统）传感器传感器传感器传感器电磁控制阀组电磁控制阀组电磁控制阀组电磁控制阀组隔爆型矿用摄像机隔爆型矿用摄像机隔爆型矿用摄像机隔爆型矿用摄像机无线 Mesh 交换网络传感器与执行机构自动化系统设计机械管理开发第 38 卷远程操作、指令收发、故障报警等功能；顺槽设备控制中心是本系统的核心中间层，起到上传下达的作用，是实现工作面的远程控制的操控中心，是无人化工作面实现的最重要一环；液压支架本地控制层是整个系统的基础，设备多、工况差，必须进行重点管理。而对于远程监控系统，其核心结构是数据的采集和数字信号的转换模块（见图 2），这就需要借助可编程逻辑控制器即 PLC 来实现。本系统设计采用西门子S7-1200 型 PLC 作为主控制器，主要功能就是实现参数转换，控制液压支架的升、降、推、拉等动作，同时对液压支架各油缸的压力参数、各阀组的工作状态等进行监控。3通信网络结构及人机交互平台设计整个远程监控系统设计采用双 CAN 总线结构的通信网络，在整个无线 Mesh 交换网络的辅助下，两条CAN 总线共同作用，一条 CAN 总线作为支架操作指令传递的专线，只有对支架进行动作操作或进行参数调整时才会通信，无支架操作指令时处于空闲状态；另一条 CAN 总线负责除支架操作之外其他数据的传递，处于持续的工作状态，从而保证数据的实时传递。这种通信结构的设计有利于提高信号传递速率和精度，从而提高系统的可靠性。在 CAN 总线架构下，液压支架机组的 CAN 从站电路结构至关重要，由于液压支架与 PLC 之间是通过 CAN 总线来通信，为了摒除信号干扰，从站电路中设计了滤波器及隔离器等装置，如图 3 所示。良好的人机交互性能是系统功能实现的关键，研发人员基于西门子的 WinCC 七代系统开发了远程监控系统的操作软件，将数据采集、程序语言、组态监控技术进行集成，并以熟悉的 Windows操作界面进行显示，主体功能是实现对液压支架七个运行状态进行监控，包括准备、运行、故障、报警、脱机、急停、闭锁，实时监控液压支架的运行状态，便于监控工作人员对工作面安全生产情况进行总调度，遇到突发事件能够第一时间摸清情况并进行处置。除此之外，系统还集成了采煤机、运输系统、液压泵站等远程监控系统，实现了对综采工作面主要生产系统及设备的实时远程监控。4应用效果分析基于相关基础研究设计出综采成套液压支架远程监控系统，并应用于鸿兴矿 2210 工作面 ZDYZ型液压支架的远程监控，成功通过了工业性试验，各项技术指标表现良好，达到数据采集、数据传输、故障报警、数据储存等功能，实现了工作面液压支架的顺槽集中控制，对于工作面的自动化和减人化作业至关重要，大大减轻了采矿工人的劳动强度，改善了工作环境，提高了井下作业的安全系数，是我国井工采矿的重要发展方向。5结语本文对综采工作面液压支架远程监控控制系统进行设计，首先给出了远程监控系统的整体结构图，并对结构图中结构功能进行分析，后对液压支架远程监控系统核心部件支架控制器进行研究，分别给出了软件、硬件选型和通信网络结构及人机交互平台设计方案，为综采工作面液压支架远程监控系统设计提供一定的参考，为矿井高效开采提供依据。参考文献1孙立辉.基于 PLC 的煤矿柴油发电机组远程监控系统设计J.煤矿机械，2014，35（4）：12-13.2罗成名，张权.液压支架远程智能监控系统的设计J.煤矿机械，2010，31（4）：35-36.3姜岗.综采工作面液压支架计算机分布式监控系统的设计J.机械管理开发，2016（9）：13-14.4王海荣，郝立果.基于 PLC 的煤矿液压支架远程监控系统设计J.煤矿机械，2020（5）：29-30.5贺小平.凉水井煤矿薄煤层综采面监控系统设计与应用J.陕西煤炭，2015，34（1）：47-48.（编辑：王婧）图 2数字信号转换模块设计示意图图 3监控系统 CAN 从站电路结构S7-1200上位机触摸屏CAN 从站 1PLCCAN 从站 n执行机构执行机构传感器组 1传感器组 n立柱压力千斤顶位移操作阀驱动立柱压力千斤顶位移操作阀驱动光耦隔离器（FL817C）串行模数转换器 ADC（AX1270）液压支架机组 CAN 从站（STM3F103 最小系统）信号调理电路（RC 滤波+放大）共模滤波器（B82790）电磁阀传感器CAN 收发器（PCA82C251）（下转第 213 页）2102023 年第 6 期2）针对矿井中的 3 台带式输送机，为每台设备配备 1 台 ET-200SP 采样控制站，将所有控制站采样数据均传入 S7-1200 型 PLC 控制器中进行分析与处理；3）对监控系统中使用的主要传感器和开关选型情况进行了详细介绍，这些传感器或开关均具有防爆功能，性能良好；4）将设计的监控系统部署到 DTL120 型带式输送机中，现场使用后发现各项功能都能实现，为设备的稳定可靠运行奠定了坚实基础，为企业创造了良好的经济效益。参考文献1吴涛.煤矿带式输送机智能化关键技术浅析J.中国设备工程，2022（5）：36-37.2剧江涛.煤矿伸缩式钢架带式输送机换向滚筒优化设计J.机械研究与应用，2022，35（1）：151-152.3元江博，李雪方.变频节能技术在煤矿机电设备中的应用J.能源与节能，2022（2）：146-149.4许建红.基于 CAN 总线通讯的煤矿用带式输送机控制系统设计J.江西煤炭科技，2022（1）：186-188.5付彤.矿用带式输送机智能集中控制系统设计J.机械管理开发，2021，36（9）：283-285.6姬魁.煤矿胶带输送机综合保护控制系统硬件设计研究J.能源与环保，2020，42（5）：109-112.（编辑：李俊慧）Design and Application Research of Mining Belt Conveyor Monitoring SystemWu Jinhua（Shanxi Xinyuan Coal Co.,Ltd.,Jinzhong Shanxi 045300）Abstract:In order to improve the operational stability and reliability of mining belt conveyors,a monitoring system was designed andstudied.Three belt conveyors are used in a coal mine for long-distance transportation.The monitoring system sets up equipment monitoringpoints,protection monitoring points and environmental monitoring points,which can grasp the operating status of the equipment and itsenvironment in real time and accurately,and provide data support for the control and protection of the equipment.For each conveyor set upa sampling control station,the selected model ET-200SP,the entire conveyor line set up a control master station,the selected processormodel for the Siemens S7-1200 PLC programmable controller,the main sensors and switches used in the system selection situation isintroduced.The monitoring system was applied to engineering practice and the analysis after use concluded that it could create an annualeconomic benefit of 1 million RMB for the enterprise.Key words:coal mine;belt conveyor;monitoring system;sampling control stationDesign of Remote Intelligent Monitoring System for Hydraulic Support in Fully MechanizedMining FaceSun Shanghua（Shanxi Guxian Xishan Hongxing Coal Industry Company,Linfen Shanxi 041000）Abstract:In response to the current bottleneck in the development of collaborative control and remote monitoring of hydraulic supports inthe comprehensive mining face of Hongxing Mining,according to the functional requirements of the electro-hydraulic control hydraulicsupport remote monitoring system,based on the CAN network communication structure and the relay and controller in PLC communication,the overall scheme of the hydraulic support remote monitoring system is designed,and the system hardware and platform are built,successfully applied to the comprehensive mining face of the mine.It has great promotional significance.Key words:hydraulic support;remote control;monitoring system;PLC（上接第 210 页）10杨帆，程建忠，马俊波，王海波.动力线载波模块在采煤机控制中的应用J.煤，2015，24（12）：46-47.11李方健.基于 DSP 的采煤机控制系统通信方式改造J.煤矿机械，2014，35（8）：189-190.（编辑：王慧芳）Design of Distributed Automatic Safety Control System for Coal Mining MachinesWang Xinyu（Jinneng Holdings Coal Industry Group Sitai Mine,Datong Shanxi 037001）Abstract:The shearer is an important equipment for automated comprehensive mining,and distributed design of the electrical controlsystem of the shearer is carried out using CAN bus communication.The distributed control system is divided into 8 modules,and the maincontrol module is the core of the control system.It sends instructions to other modules,which act based on the received instructions toachieve automatic control of the coal mining machine.Further detailed design has been carried out for the main modules of the distributedcontrol system,including the CAN drive circuit,main control module,and traction module,to ensure the stable operation of the distributedcontrol system.Key words:coal mining machine;distributed control;automation;CAN bus（上接第 208 页）武晋华：矿用带式输送机监控系统的设计与应用研究213