煤礦綜采工作面設(shè)備群自動啟停程序設(shè)計(jì)與開發(fā)

0引言

隨著科技的飛速進(jìn)步和煤礦智能化的持續(xù)發(fā)展,煤礦綜采工作面的安全生產(chǎn)與高效運(yùn)行已成為煤礦企業(yè)發(fā)展面臨的重難點(diǎn)問題。傳統(tǒng)的煤礦綜采方式存在著諸多不足,如生產(chǎn)效率低下、安全隱患大、管理手段單一等,這些不足嚴(yán)重制約了煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

在這一背景下,本文針對井下設(shè)備群的自動控制沒有良好的控制系統(tǒng),開發(fā)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)綜采工作面邊云協(xié)同控制的智能化平臺,設(shè)計(jì)底層邏輯控制程序應(yīng)用其中,對于保障煤礦安全高效開采具有極其重要的意義。

新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展,為煤礦綜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術(shù)手段,構(gòu)建一個集數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析于一體的智能化平臺。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測綜采工作面的各項(xiàng)參數(shù),平臺能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的異常情況,并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,更好地應(yīng)用底層邏輯程序,為管理人員提供科學(xué)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。邊云協(xié)同系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的協(xié)同作業(yè),優(yōu)化生產(chǎn)流程,提高生產(chǎn)效率,為企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)劃提供有力支撐^[1]。

1 煤礦綜采工作面邊云協(xié)同控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

井下設(shè)備設(shè)施眾多,布點(diǎn)分散,程序的應(yīng)用更需要在一個合適的系統(tǒng)中體現(xiàn),因此首先設(shè)計(jì)了一套穩(wěn)定的煤礦綜采工作面邊云協(xié)同控制系統(tǒng)承載程序。該系統(tǒng)通過布置井下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方式采集井下各設(shè)備的實(shí)時(shí)參數(shù),感知層中的PLC和邊緣計(jì)算主機(jī)采集設(shè)備層中產(chǎn)生的數(shù)據(jù),并通過傳輸層的井下環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)上云,同時(shí)將各設(shè)備參數(shù)通過Web可視化頁面呈現(xiàn)出來^[2]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.2.1 邊側(cè)

邊側(cè)為圖1的應(yīng)用層和設(shè)備層,由布置在井下的大量設(shè)備組成,如順槽集控中心、采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架、皮帶輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)等,以SIMATIC S7—1200控制器做底層邏輯程序控制。

針對監(jiān)控區(qū)域,部署邊緣計(jì)算主機(jī),通過圖像識別進(jìn)行邊緣側(cè)的圖像處理,當(dāng)發(fā)生違規(guī)事故、機(jī)器故障時(shí)第一時(shí)間識別并上報(bào)系統(tǒng),展示在Web頁面。

1.2.2 云側(cè)

云側(cè)為圖1的云基礎(chǔ)設(shè)施層,使用物聯(lián)網(wǎng)成熟的 MQTT數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上云,因此需要配置服務(wù)器為MQTT服務(wù)器來解析數(shù)據(jù),本系統(tǒng)通過FinalShell軟件的SSH(Secure Shell)服務(wù)登錄ECS,部署EMQ X Broker開源物聯(lián)網(wǎng)MQTT消息服務(wù)器。

本系統(tǒng)后端數(shù)據(jù)庫選用成熟的MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫,為便于系統(tǒng)開發(fā),需將數(shù)據(jù)庫部署在云端,因此選用阿里云RDS(Relational Database Service)云數(shù)據(jù)庫,云數(shù)據(jù)庫經(jīng)過阿里云內(nèi)網(wǎng)加密、IP (Internet Protocol)地址白名單授權(quán),具有良好的安全性^[3]。

2自動啟停程序設(shè)計(jì)

2.1依托設(shè)備及I/O分配

西門子S7—1200是西門子推出的一款中小型可編程邏輯控制器(PLC),主要用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中。S7—1200系列PLC具有高性能、高可靠性和靈活的特點(diǎn),適用于各種自動化控制應(yīng)用場景。

本次借助于實(shí)驗(yàn)室的西門子S7—1200 PLC完成各設(shè)備自動控制,使用了一個CPU 1214C DC/DC/DC 和四個擴(kuò)展模塊DI 16x24VDC_1、AQ 4x14BIT_1、AI 8x13BIT_1、AI 8x13BIT_2。該自動啟停程序I/O分配如表1所示。

2.2程序設(shè)計(jì)

綜采工作面所有設(shè)備應(yīng)“逆煤流啟動”,即從膠帶輸送機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)到采煤機(jī)按順序啟動。工作面的一鍵啟?？刂破毡椴捎迷O(shè)定固定時(shí)間間隔的方法來完成,即 自動啟動過程是生產(chǎn)設(shè)備按照“逆煤流啟動”的原則,前一設(shè)備啟動后,后一設(shè)備進(jìn)入啟動預(yù)警,當(dāng)啟動預(yù)警時(shí)間結(jié)束后,該設(shè)備自動啟動,直到所有設(shè)備啟動完成,啟動正式生產(chǎn)作業(yè)狀態(tài)。

為保證煤炭正常生產(chǎn)和井下工作人員安全,同理,綜采工作面設(shè)備一鍵關(guān)閉過程是生產(chǎn)設(shè)備按照“順煤流停止”的原則停運(yùn),依次為刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、膠帶輸送機(jī),最后是泵站。前一設(shè)備停機(jī)后,后一設(shè)備進(jìn)入停機(jī)倒計(jì)時(shí)階段,當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)時(shí)間結(jié)束,該設(shè)備自動停機(jī)。梯形圖如圖2和圖3所示,特別需要注意的是,在啟動和關(guān)閉中設(shè)計(jì)了一個Python后端程序,可以由Web頁面上的點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制PLC 程序的啟動。

3 MCGS人機(jī)界面及Web可視化界面展示

3.1 MCGS人機(jī)界面設(shè)計(jì)

3.1.1依托設(shè)備

在邊側(cè)部分,使用了昆侖通態(tài)的觸摸屏MCGS,它具有友好的人機(jī)界面,使得操作人員能夠方便地監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行。其次,MCGS具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,能夠?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理,為控制系統(tǒng)提供重要的決策依據(jù)^[4]。

3.1.2畫面布局

此項(xiàng) 目的畫面布局總體分為5部分,包括首頁、采煤機(jī)控制、一鍵啟動控制、截割數(shù)據(jù)、報(bào)警與檢修。 首頁負(fù)責(zé)切換各個頁面;采煤機(jī)控制頁面實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)搖臂以及運(yùn)行速度的控制;一鍵啟動控制實(shí)現(xiàn)了順序啟動和逆序停止的顯示;截割數(shù)據(jù)負(fù)責(zé)截割深度和運(yùn)行速度的反饋;報(bào)警與檢修實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行錯誤報(bào)警和往期截割深度、運(yùn)行速度歷史曲線的顯示。

3.1.3背景建模

在工控屏的背景設(shè)計(jì)上,使用三維建模軟件 Sketchup進(jìn)行了工作面、運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽的建模,其中主要包括實(shí)體煤、采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、膠帶輸送機(jī)和設(shè)備列車。在設(shè)計(jì)好工作面后,導(dǎo)出jpg圖片作為控制畫面的主要背景,如圖4所示。

3.1.4實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫

建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是與PLC進(jìn)行通信的必要條件,本項(xiàng) 目的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中主要包括一鍵啟動、截割深度、運(yùn)行速度、上下?lián)u臂的角度及各個設(shè)備的啟停狀態(tài)。其中對上下?lián)u臂的角度、運(yùn)行速度和截割深度進(jìn)行了限制,上搖臂區(qū)間為0°~90°,下?lián)u臂區(qū)間為180°~270°,運(yùn)行速度最大不超過2 m/s,截割深度不超過100 cm,當(dāng)超出設(shè)定區(qū)間時(shí),便會進(jìn)行報(bào)警警告。

3.1.5元素效果設(shè)置

元素動態(tài)效果設(shè)置是提升畫面交互性和用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵。利用昆侖通態(tài)軟件提供的豐富的動態(tài)效果設(shè)置選項(xiàng),如漸變、閃爍、滑動和腳本運(yùn)行策略,實(shí)現(xiàn)畫面的豐富性和可操作性。通過合理設(shè)置這些效果,可使畫面更加生動和吸引人。下面闡述畫面設(shè)置過程中的關(guān)鍵步驟:

1)時(shí)間的顯示: 日期需要關(guān)聯(lián)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的$Data和$Time變量進(jìn)行顯示,運(yùn)行時(shí)間需要關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫中的$Runtime變量進(jìn)行顯示。

2)一鍵啟動的按鈕設(shè)計(jì):需要將想要的圖形放置于面板上,并將按鈕放置于一鍵啟動圖形上方(需要注意上下層關(guān)系),調(diào)整為透明色并且關(guān)聯(lián)一鍵啟動變量(布爾類型)用于改變變量值。

3)報(bào)警信息編輯:首先需要選擇根據(jù)實(shí)時(shí)報(bào)警數(shù)據(jù)還是歷史報(bào)警數(shù)據(jù);其次選擇需要報(bào)警的變量和顯示格式;最后,在報(bào)警條編輯中,如若不關(guān)聯(lián)任何變量,則表示顯示所有變量的報(bào)警信息。

4)實(shí)時(shí)/歷史曲線設(shè)計(jì):需要關(guān)聯(lián)曲線所顯示的變量(最多可以關(guān)聯(lián)6個變量);編輯顯示屬性;清除曲線需要用到腳本程序ClearData()來清除數(shù)據(jù)。在歷史曲線中修改起始時(shí)間需要用到腳本程序showTimeDialog( )來實(shí)現(xiàn)。

3.2Web可視化界面展示

3.2.1頁面設(shè)計(jì)

綜采工作面邊云協(xié)同決策平臺大屏由工作面數(shù)據(jù)表、各階段用時(shí)統(tǒng)計(jì)表、綜采工作面示意圖、日采煤量統(tǒng)計(jì)圖、總采煤量、設(shè)備狀態(tài)表六個部分(圖5)和液壓支架模塊、采煤機(jī)模塊、刮板運(yùn)輸機(jī)模塊三個二級頁面組成,通過對導(dǎo)航按鈕的點(diǎn)擊可以調(diào)出所選設(shè)備的二級頁面,進(jìn)而獲取設(shè)備的具體信息。

在綜采工作面邊云協(xié)同決策平臺大屏中使用HTML制作網(wǎng)頁的骨架,定義頁面的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容,使用CSS控制HTML元素的布局、顏色、字體和其他視覺表現(xiàn),使用JavaScript為頁面添加了交互性和動態(tài)功能,并引入了jQuery、ECharts等的JavaScript代碼庫。jQuery代碼庫(框架)增強(qiáng)了事件處理能力并減少了瀏覽器兼容性問題,通過使用ECharts制作的相關(guān)圖表可直觀清晰地將數(shù)據(jù)可視化。

3.2.2液壓支架模塊設(shè)計(jì)

液壓支架是用來控制工作面礦山壓力的重要設(shè) 備。該模塊主要展示了支架支護(hù)強(qiáng)度(支架對單位控頂面積頂板所提供的工作阻力)、支架高度、底板載荷集度(又稱底板比壓,支架底座對單位面積底板所造成的壓力)、礦山壓力曲線。直觀展示液壓支架工作狀態(tài)(圖6),便于監(jiān)測礦山壓力,能大大提高液壓支架的可靠性、可維護(hù)性和使用壽命,降低維護(hù)成本。

3.2.3采煤機(jī)模塊設(shè)計(jì)

采煤機(jī)是重要的綜采三機(jī)設(shè)備之一。該模塊展示了電動機(jī)功率、截割速度、牽引力、過煤高度、采煤機(jī)左右滾筒的電流曲線,能實(shí)時(shí)獲取和更新采煤機(jī)的數(shù)據(jù),監(jiān)控采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)(圖7),及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題,從而大大提高采煤機(jī)的可維護(hù)性和可靠性,降低維護(hù)成本,進(jìn)一步提升煤炭開采的生產(chǎn)效率。

3.2.4刮板運(yùn)輸機(jī)模塊設(shè)計(jì)

刮板輸送機(jī)是一種專門用于運(yùn)送煤、矸石或各種物料的關(guān)鍵設(shè)備,還是采煤機(jī)得以順暢運(yùn)行的重要軌道。這個模塊(圖8)詳細(xì)展示了刮板輸送機(jī)的各項(xiàng)重要參數(shù),包括其輸送量的大小,這決定了其運(yùn)輸效率;刮板鏈的速度,這反映了其工作的快慢;電動機(jī)的功率,它直接關(guān)聯(lián)到設(shè)備的驅(qū)動力;所需的電壓,用于保障設(shè)備正常運(yùn)行的電能需求。通過這些參數(shù),可以全面了解刮板輸送機(jī)的性能,從而確保其高效、穩(wěn)定地服務(wù)于煤炭開采工作。

4 自動啟停程序在系統(tǒng)中的測試

設(shè)計(jì)的煤礦綜采工作面邊云協(xié)同控制系統(tǒng)如圖9所示,其中,綜采集中控制中心(邊)模擬測試井下順槽集控中心,位于實(shí)驗(yàn)室左側(cè),綜采智能管控平臺(云)模擬測試地面調(diào)度中心,位于實(shí)驗(yàn)室右側(cè)。

邊與云之間采用以太網(wǎng)光纖連接方式,利用KubeEdge組件實(shí)現(xiàn)云-邊協(xié)同。依托實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的“煤礦智能場景邊云協(xié)同系統(tǒng)”硬件架構(gòu)'融合工控通信、KubeEdge Kubernetes、MySQL數(shù)據(jù)庫、Python-Flask庫、Python-snap7庫、MQTT等關(guān)鍵技術(shù)與工具,測試煤礦綜采工作面設(shè)備群自動啟停程序。經(jīng)測試,該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟動程序,并將邊側(cè)設(shè)備的狀態(tài)顯示在云端的Web頁面。

5結(jié)束語

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,尤其是云計(jì)算和邊緣計(jì)算的蓬勃發(fā)展,邊云協(xié)同控制技術(shù)為多模態(tài)作業(yè)協(xié)同調(diào)度帶來了新的可能性和機(jī)會^[5]。本研究設(shè)計(jì)開發(fā)了煤礦綜采工作面設(shè)備群自動啟停程序,并設(shè)計(jì)了一套煤礦綜采工作面邊云協(xié)同控制系統(tǒng)來測試編寫的程序。

預(yù)計(jì)在將來,隨著技術(shù)的發(fā)展以及適用機(jī)會的增加,該平臺將更好地滿足復(fù)雜、大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理需求,并可增加其他程序,如液壓支架自動跟機(jī)、采煤機(jī)自動調(diào)高、刮板輸送機(jī)自動找直,為煤礦自動化、智能化做出貢獻(xiàn)。

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2024年第18期第12篇