煤矿综采工作面设备群自动启停程序设计与开发

0引言

随着科技的飞速进步和煤矿智能化的持续发展,煤矿综采工作面的安全生产与高效运行已成为煤矿企业发展面临的重难点问题。传统的煤矿综采方式存在着诸多不足,如生产效率低下、安全隐患大、管理手段单一等,这些不足严重制约了煤矿企业的可持续发展。

在这一背景下,本文针对井下设备群的自动控制没有良好的控制系统,开发了一种能够实现综采工作面边云协同控制的智能化平台,设计底层逻辑控制程序应用其中,对于保障煤矿安全高效开采具有极其重要的意义。

新一代信息技术的快速发展,为煤矿综采工作面的智能化改造提供了有力支持。本文旨在利用新一代信息技术手段,构建一个集数据采集、传输、处理、分析于一体的智能化平台。通过实时监测综采工作面的各项参数,平台能够及时发现生产过程中的异常情况,并对采集到的数据进行处理和分析,更好地应用底层逻辑程序,为管理人员提供科学、准确的数据支持。边云协同系统还能实现设备间的协同作业,优化生产流程,提高生产效率,为企业的生产规划提供有力支撑^[1]。

1 煤矿综采工作面边云协同控制系统总体设计

1.1 系统架构设计

井下设备设施众多,布点分散,程序的应用更需要在一个合适的系统中体现,因此首先设计了一套稳定的煤矿综采工作面边云协同控制系统承载程序。该系统通过布置井下工业互联网方式采集井下各设备的实时参数,感知层中的PLC和边缘计算主机采集设备层中产生的数据,并通过传输层的井下环网实现数据传输和数据上云,同时将各设备参数通过Web可视化页面呈现出来^[2]。系统设计架构如图1所示。

1.2 系统功能设计

1.2.1 边侧

边侧为图1的应用层和设备层,由布置在井下的大量设备组成,如顺槽集控中心、采煤机、掘进机、刮板输送机、液压支架、皮带输送机、转载机、破碎机等,以SIMATIC S7—1200控制器做底层逻辑程序控制。

针对监控区域,部署边缘计算主机,通过图像识别进行边缘侧的图像处理,当发生违规事故、机器故障时第一时间识别并上报系统,展示在Web页面。

1.2.2 云侧

云侧为图1的云基础设施层,使用物联网成熟的 MQTT数据传输协议实现数据上云,因此需要配置服务器为MQTT服务器来解析数据,本系统通过FinalShell软件的SSH(Secure Shell)服务登录ECS,部署EMQ X Broker开源物联网MQTT消息服务器。

本系统后端数据库选用成熟的MySQL关系型数据库,为便于系统开发,需将数据库部署在云端,因此选用阿里云RDS(Relational Database Service)云数据库,云数据库经过阿里云内网加密、IP (Internet Protocol)地址白名单授权,具有良好的安全性^[3]。

2自动启停程序设计

2.1依托设备及I/O分配

西门子S7—1200是西门子推出的一款中小型可编程逻辑控制器(PLC),主要用于工业自动化控制系统中。S7—1200系列PLC具有高性能、高可靠性和灵活的特点,适用于各种自动化控制应用场景。

本次借助于实验室的西门子S7—1200 PLC完成各设备自动控制,使用了一个CPU 1214C DC/DC/DC 和四个扩展模块DI 16x24VDC_1、AQ 4x14BIT_1、AI 8x13BIT_1、AI 8x13BIT_2。该自动启停程序I/O分配如表1所示。

2.2程序设计

综采工作面所有设备应“逆煤流启动”,即从胶带输送机、破碎机、转载机、刮板运输机到采煤机按顺序启动。工作面的一键启停控制普遍采用设定固定时间间隔的方法来完成,即 自动启动过程是生产设备按照“逆煤流启动”的原则,前一设备启动后,后一设备进入启动预警,当启动预警时间结束后,该设备自动启动,直到所有设备启动完成,启动正式生产作业状态。

为保证煤炭正常生产和井下工作人员安全,同理,综采工作面设备一键关闭过程是生产设备按照“顺煤流停止”的原则停运,依次为刮板输送机、转载机、破碎机、胶带输送机,最后是泵站。前一设备停机后,后一设备进入停机倒计时阶段,当倒计时时间结束,该设备自动停机。梯形图如图2和图3所示,特别需要注意的是,在启动和关闭中设计了一个Python后端程序,可以由Web页面上的点击实现远程控制PLC 程序的启动。

3 MCGS人机界面及Web可视化界面展示

3.1 MCGS人机界面设计

3.1.1依托设备

在边侧部分,使用了昆仑通态的触摸屏MCGS,它具有友好的人机界面,使得操作人员能够方便地监控系统的运行。其次,MCGS具有强大的数据处理能力,能够对大量数据进行实时分析和处理,为控制系统提供重要的决策依据^[4]。

3.1.2画面布局

此项 目的画面布局总体分为5部分,包括首页、采煤机控制、一键启动控制、截割数据、报警与检修。 首页负责切换各个页面;采煤机控制页面实现了采煤机摇臂以及运行速度的控制;一键启动控制实现了顺序启动和逆序停止的显示;截割数据负责截割深度和运行速度的反馈;报警与检修实现了系统运行错误报警和往期截割深度、运行速度历史曲线的显示。

3.1.3背景建模

在工控屏的背景设计上,使用三维建模软件 Sketchup进行了工作面、运输顺槽和回风顺槽的建模,其中主要包括实体煤、采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、胶带输送机和设备列车。在设计好工作面后,导出jpg图片作为控制画面的主要背景,如图4所示。

3.1.4实时数据库

建立实时数据库是与PLC进行通信的必要条件,本项 目的实时数据库中主要包括一键启动、截割深度、运行速度、上下摇臂的角度及各个设备的启停状态。其中对上下摇臂的角度、运行速度和截割深度进行了限制,上摇臂区间为0°~90°,下摇臂区间为180°~270°,运行速度最大不超过2 m/s,截割深度不超过100 cm,当超出设定区间时,便会进行报警警告。

3.1.5元素效果设置

元素动态效果设置是提升画面交互性和用户体验的关键。利用昆仑通态软件提供的丰富的动态效果设置选项,如渐变、闪烁、滑动和脚本运行策略,实现画面的丰富性和可操作性。通过合理设置这些效果,可使画面更加生动和吸引人。下面阐述画面设置过程中的关键步骤:

1)时间的显示: 日期需要关联实时数据库中的$Data和$Time变量进行显示,运行时间需要关联数据库中的$Runtime变量进行显示。

2)一键启动的按钮设计:需要将想要的图形放置于面板上,并将按钮放置于一键启动图形上方(需要注意上下层关系),调整为透明色并且关联一键启动变量(布尔类型)用于改变变量值。

3)报警信息编辑:首先需要选择根据实时报警数据还是历史报警数据;其次选择需要报警的变量和显示格式;最后,在报警条编辑中,如若不关联任何变量,则表示显示所有变量的报警信息。

4)实时/历史曲线设计:需要关联曲线所显示的变量(最多可以关联6个变量);编辑显示属性;清除曲线需要用到脚本程序ClearData()来清除数据。在历史曲线中修改起始时间需要用到脚本程序showTimeDialog( )来实现。

3.2Web可视化界面展示

3.2.1页面设计

综采工作面边云协同决策平台大屏由工作面数据表、各阶段用时统计表、综采工作面示意图、日采煤量统计图、总采煤量、设备状态表六个部分(图5)和液压支架模块、采煤机模块、刮板运输机模块三个二级页面组成,通过对导航按钮的点击可以调出所选设备的二级页面,进而获取设备的具体信息。

在综采工作面边云协同决策平台大屏中使用HTML制作网页的骨架,定义页面的结构和内容,使用CSS控制HTML元素的布局、颜色、字体和其他视觉表现,使用JavaScript为页面添加了交互性和动态功能,并引入了jQuery、ECharts等的JavaScript代码库。jQuery代码库(框架)增强了事件处理能力并减少了浏览器兼容性问题,通过使用ECharts制作的相关图表可直观清晰地将数据可视化。

3.2.2液压支架模块设计

液压支架是用来控制工作面矿山压力的重要设 备。该模块主要展示了支架支护强度(支架对单位控顶面积顶板所提供的工作阻力)、支架高度、底板载荷集度(又称底板比压,支架底座对单位面积底板所造成的压力)、矿山压力曲线。直观展示液压支架工作状态(图6),便于监测矿山压力,能大大提高液压支架的可靠性、可维护性和使用寿命,降低维护成本。

3.2.3采煤机模块设计

采煤机是重要的综采三机设备之一。该模块展示了电动机功率、截割速度、牵引力、过煤高度、采煤机左右滚筒的电流曲线,能实时获取和更新采煤机的数据,监控采煤机的运行状态(图7),及时发现潜在问题,从而大大提高采煤机的可维护性和可靠性,降低维护成本,进一步提升煤炭开采的生产效率。

3.2.4刮板运输机模块设计

刮板输送机是一种专门用于运送煤、矸石或各种物料的关键设备,还是采煤机得以顺畅运行的重要轨道。这个模块(图8)详细展示了刮板输送机的各项重要参数,包括其输送量的大小,这决定了其运输效率;刮板链的速度,这反映了其工作的快慢;电动机的功率,它直接关联到设备的驱动力;所需的电压,用于保障设备正常运行的电能需求。通过这些参数,可以全面了解刮板输送机的性能,从而确保其高效、稳定地服务于煤炭开采工作。

4 自动启停程序在系统中的测试

设计的煤矿综采工作面边云协同控制系统如图9所示,其中,综采集中控制中心(边)模拟测试井下顺槽集控中心,位于实验室左侧,综采智能管控平台(云)模拟测试地面调度中心,位于实验室右侧。

边与云之间采用以太网光纤连接方式,利用KubeEdge组件实现云-边协同。依托实验室现有的“煤矿智能场景边云协同系统”硬件架构'融合工控通信、KubeEdge Kubernetes、MySQL数据库、Python-Flask库、Python-snap7库、MQTT等关键技术与工具,测试煤矿综采工作面设备群自动启停程序。经测试,该系统可以实现远程启动程序,并将边侧设备的状态显示在云端的Web页面。

5结束语

随着技术的不断进步,尤其是云计算和边缘计算的蓬勃发展,边云协同控制技术为多模态作业协同调度带来了新的可能性和机会^[5]。本研究设计开发了煤矿综采工作面设备群自动启停程序,并设计了一套煤矿综采工作面边云协同控制系统来测试编写的程序。

预计在将来,随着技术的发展以及适用机会的增加,该平台将更好地满足复杂、大规模的数据处理需求,并可增加其他程序,如液压支架自动跟机、采煤机自动调高、刮板输送机自动找直,为煤矿自动化、智能化做出贡献。

[参考文献]

[1]付翔,秦一凡,李浩杰,等.新一代智能煤矿人工智能赋能技术研究综述[J].工矿自动化,2023,49(9):122-131.

[2]付翔,李浩杰,张锦涛,等.综采液压支架中部跟机多模态人机协同控制系统 [J].煤炭学报 ,2024,49 (3):1717-1730.

[3]钱承山,戴仁天,成锡平,等.基于边云协同的消防设施智慧感知系统[J].电子器件,2024,47(1):232-240.

[4]邓玉良.基于MCGS组态软件的板材雕刻机控制系统设计[J].科技创新与应用,2024,14(11):135-138.

[5]顾三林,王科祖,王世亮.基于云边协同控制技术的多模态作业协同调度系统[J].产业创新研究,2023 (22): 123-125.

2024年第18期第12篇