0引言

隨著科技的飛速進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)與高效運行已成為煤礦企業(yè)發(fā)展面臨的重難點問題。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)了一種能夠實現(xiàn)綜采工作面邊云協(xié)同控制的智能化平臺,設計底層邏輯控制程序應用其中,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手段,構建一個集數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析于一體的智能化平臺。通過實時監(jiān)測綜采工作面的各項參數(shù),平臺能夠及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的異常情況,并對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析,更好地應用底層邏輯程序,為管理人員提供科學、準確的數(shù)據(jù)支持。邊云協(xié)同系統(tǒng)還能實現(xiàn)設備間的協(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)總體設計

1.1 系統(tǒng)架構設計

井下設備設施眾多,布點分散,程序的應用更需要在一個合適的系統(tǒng)中體現(xiàn),因此首先設計了一套穩(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)方式采集井下各設備的實時參數(shù),感知層中的PLC和邊緣計算主機采集設備層中產(chǎn)生的數(shù)據(jù),并通過傳輸層的井下環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)上云,同時將各設備參數(shù)通過Web可視化頁面呈現(xiàn)出來^[2]。系統(tǒng)設計架構如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)功能設計

1.2.1 邊側

邊側為圖1的應用層和設備層,由布置在井下的大量設備組成,如順槽集控中心、采煤機、掘進機、刮板輸送機、液壓支架、皮帶輸送機、轉載機、破碎機等,以SIMATIC S7—1200控制器做底層邏輯程序控制。

針對監(jiān)控區(qū)域,部署邊緣計算主機,通過圖像識別進行邊緣側的圖像處理,當發(fā)生違規(guī)事故、機器故障時第一時間識別并上報系統(tǒng),展示在Web頁面。

1.2.2 云側

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

本系統(tǒng)后端數(shù)據(jù)庫選用成熟的MySQL關系型數(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)過阿里云內網(wǎng)加密、IP (Internet Protocol)地址白名單授權,具有良好的安全性^[3]。

2自動啟停程序設計

2.1依托設備及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,適用于各種自動化控制應用場景。

本次借助于實驗室的西門子S7—1200 PLC完成各設備自動控制,使用了一個CPU 1214C DC/DC/DC 和四個擴展模塊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程序設計

綜采工作面所有設備應“逆煤流啟動”,即從膠帶輸送機、破碎機、轉載機、刮板運輸機到采煤機按順序啟動。工作面的一鍵啟?？刂破毡椴捎迷O定固定時間間隔的方法來完成,即 自動啟動過程是生產(chǎn)設備按照“逆煤流啟動”的原則,前一設備啟動后,后一設備進入啟動預警,當啟動預警時間結束后,該設備自動啟動,直到所有設備啟動完成,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,綜采工作面設備一鍵關閉過程是生產(chǎn)設備按照“順煤流停止”的原則停運,依次為刮板輸送機、轉載機、破碎機、膠帶輸送機,最后是泵站。前一設備停機后,后一設備進入停機倒計時階段,當?shù)褂嫊r時間結束,該設備自動停機。梯形圖如圖2和圖3所示,特別需要注意的是,在啟動和關閉中設計了一個Python后端程序,可以由Web頁面上的點擊實現(xiàn)遠程控制PLC 程序的啟動。

3 MCGS人機界面及Web可視化界面展示

3.1 MCGS人機界面設計

3.1.1依托設備

在邊側部分,使用了昆侖通態(tài)的觸摸屏MCGS,它具有友好的人機界面,使得操作人員能夠方便地監(jiān)控系統(tǒng)的運行。其次,MCGS具有強大的數(shù)據(jù)處理能力,能夠對大量數(shù)據(jù)進行實時分析和處理,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 目的畫面布局總體分為5部分,包括首頁、采煤機控制、一鍵啟動控制、截割數(shù)據(jù)、報警與檢修。 首頁負責切換各個頁面;采煤機控制頁面實現(xiàn)了采煤機搖臂以及運行速度的控制;一鍵啟動控制實現(xiàn)了順序啟動和逆序停止的顯示;截割數(shù)據(jù)負責截割深度和運行速度的反饋;報警與檢修實現(xiàn)了系統(tǒng)運行錯誤報警和往期截割深度、運行速度歷史曲線的顯示。

3.1.3背景建模

在工控屏的背景設計上,使用三維建模軟件 Sketchup進行了工作面、運輸順槽和回風順槽的建模,其中主要包括實體煤、采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉載機、破碎機、膠帶輸送機和設備列車。在設計好工作面后,導出jpg圖片作為控制畫面的主要背景,如圖4所示。

3.1.4實時數(shù)據(jù)庫

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

3.1.5元素效果設置

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

1)時間的顯示: 日期需要關聯(lián)實時數(shù)據(jù)庫中的$Data和$Time變量進行顯示,運行時間需要關聯(lián)數(shù)據(jù)庫中的$Runtime變量進行顯示。

2)一鍵啟動的按鈕設計: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(需要注意上下層關系),調整為透明色并且關聯(lián)一鍵啟動變量(布爾類型)用于改變變量值。

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

4)實時/歷史曲線設計:需要關聯(lián)曲線所顯示的變量(最多可以關聯(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間需要用到腳本程序showTimeDialog( )來實現(xiàn)。

3.2Web可視化界面展示

3.2.1頁面設計

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、各階段用時統(tǒng)計表、綜采工作面示意圖、日采煤量統(tǒng)計圖、總采煤量、設備狀態(tài)表六個部分(圖5)和液壓支架模塊、采煤機模塊、刮板運輸機模塊三個二級頁面組成,通過對導航按鈕的點擊可以調出所選設備的二級頁面,進而獲取設備的具體信息。

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,定義頁面的結構和內容,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液壓支架模塊設計

液壓支架是用來控制工作面礦山壓力的重要設 備。該模塊主要展示了支架支護強度(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、可維護性和使用壽命,降低維護成本。

3.2.3采煤機模塊設計

采煤機是重要的綜采三機設備之一。該模塊展示了電動機功率、截割速度、牽引力、過煤高度、采煤機左右滾筒的電流曲線,能實時獲取和更新采煤機的數(shù)據(jù),監(jiān)控采煤機的運行狀態(tài)(圖7),及時發(fā)現(xiàn)潛在問題,從而大大提高采煤機的可維護性和可靠性,降低維護成本,進一步提升煤炭開采的生產(chǎn)效率。

3.2.4刮板運輸機模塊設計

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

4 自動啟停程序在系統(tǒng)中的測試

設計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,位于實驗室左側,綜采智能管控平臺(云)模擬測試地面調度中心,位于實驗室右側。

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

5結束語

隨著技術的不斷進步,尤其是云計算和邊緣計算的蓬勃發(fā)展,邊云協(xié)同控制技術為多模態(tài)作業(yè)協(xié)同調度帶來了新的可能性和機會^[5]。本研究設計開發(fā)了煤礦綜采工作面設備群自動啟停程序,并設計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。

預計在將來,隨著技術的發(fā)展以及適用機會的增加,該平臺將更好地滿足復雜、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、采煤機自動調高、刮板輸送機自動找直,為煤礦自動化、智能化做出貢獻。

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2024年第18期第12篇