1、練及工作面自動化系統技術方案北京天地瑪珂電液控制系統有限公司二零零五年一月o.公司介紹011. 系統目標02工 作面 生 產自動化在 線 監 測 工 作 面 狀 態2. 控 制 系 統 結 構 方案 04系統網絡結構控制網絡技術指標監控子統3. 系 統 功 能 及 其 實現09工 作 面 順 槽 控 制 功 能 .工 作 面 設 備 監 測 控 制 功 能監測內容顯示控 制系統 軟 件 功能4. 系 統 監 測 控 制 數 據點、 .160.公司介紹北京天地瑪珂電液控制系統有限公司是天地科技股份有限公司與德國 Marco系統分析與開發有限公司合資經營的以液壓支架電液控制系統的研 究開發、生產、

2、銷售和相關技術服務為主業的專業自動化公司。天地科技是煤炭科學研究總院以其部分優良資產為基礎發起成立并控 股的上市公司，具有四十多年專業從事煤炭科技研發工作的基礎、經臉、 技術儲備和人才優勢；德國Marco公司（總部在德國慕尼黑）是專門從事 液壓支架電液控制系統研發和生產經營的高科技專業公司，具有20多年的 歷史，是國際市場3大液壓支架電液控制系統供應商之一，在德國占有80% 以上的市場份額，技術水平處于國際領先地位。天瑪公司于2001年7月注冊成立，獲得了 “高新技術企業證書”，并通 過了 IS09001: 2000版的質量體系認證。公司位于煤炭科學研究總院內， 設有市場部、研發部、生產部、綜

3、合部、備件庫和維修服務中心。公司現 有員工40多人，其中博士 2人、碩士 9人、大學本科12人，這些技術人 員具有長期進行煤礦電子自動化、液壓技術研究的專業基礎和開發經臉。公司裝備了進口數控雙主軸切削中心、全套進口的專用電纜加工設備和 各種機床，具有良好的生產高技術產品的條件。公司擁有裝備了高精度“標 準源”、邏輯分析儀、記憶示波器、開發系統等上百臺儀器儀表的電氣開發 實險室和裝備了三臺乳化液泵、兩臺液壓支架和液壓試臉臺等的液壓系統 研究試驗室，具有科學、規范、完善的檢測手段和極好的研究開發、試驗 條件。公司的主導產品PM31型液壓支架電液控制系統在引進德國Marco公司 的成熟技術的基礎上，

4、結合我國煤礦的技術條件進行了改進提高，通過采 取關鍵部件引進、逐步提高國產化率、按中國的法規通過“煤安標志”檢 驗（已取得證書）并由中方技術人員進行系統設計配套、技術支持和售后 服務等措施，在保證產品質量和服務水平的前提下，最大程度地降低了系 統的價格，使得該系統適合在我國的煤礦推廣應用。目前，該系統已經有3個工作面分別成功應用于兗州礦業集團和開灤礦業集團。公司還有KS2液壓支架快速移架系統、KGJ-B型綜采工作面綜合監測系 統、手動液壓支架操作系統、綜采工作面噴霧系統等相關技術和產品。公司將以提供產品、系統設計、設備配套、技術支持、售后服務和工程 承包等多種方式，堅持“精益求精，供電液控制系

5、統精品；優質服務，樹 煤炭行業一流品牌”的質量方針，竭誠為我國煤礦用戶服務。1 .系統目標系統目標是：實現綜采工作面生產過程自動化，以減輕勞動強度、提高 生產效率；實現對主要生產設備工況的實時在線監測、及時發現故障隱患、 及時采取措施避免設備損壞，提高設備正常率和開機率；將工作面的相關 信息及時傳輸到地面，并通過計算機網絡實現共享，達到生產管理網絡信 息化。1.1 實現工作面生產自動化1.1.1 實現順槽集中控制通過順槽控制臺能夠實現工作面設備的集中控制。在控制臺的一臺計算 機上，可以實現對工作面所有生產設備的全面控制，啟動工作面生產自動 控制程序，實現設備自動化運行。在控制臺上對工作面生產設

6、備的控制功 能有：單設備啟停，包括刮板機、轉載機、泵站、采煤機順序開機順序停機啟停跟機（采煤機）自動化語音通訊啟停生產自動程序。實現這些控制功能跟綜采工作面所選用的生產設備是否具有數字接口 有關，具有數字接口的智能生產設備可以減少控制系統實施的工作量。例 如，采煤機如果是智能的，采煤機能提供本身的狀態數據如位置、牽引速 度、牽引方向等，那么控制系統只要聯接采煤機就可以采集這些數據了， 不需要在采煤機內部開發監測子系統。啟停跟機自動化，是指電液控制系統根據采煤機的位置來自動進行液 壓支架的升降移動作。如果系統不安裝電液控制系統，則跟機自動化功能 不會實現。1.1.2 實現工作面內運輸能力和落煤量

7、的自動匹配根據刮板機、轉載機的負荷量自動調整采煤機的牽引速度以調整落煤 量，實現采煤生產的良性運行。1.1.3 實現根據煤倉倉位對生產設備的自動控制根據煤倉的煤位自動控制刮板機、采煤機運行過程，以防止煤倉滿倉后 仍繼續生產的情況，防止運輸設備超載啟動。1. 1.4實現泵站的自動控制根據工作面的生產需要，自動控制乳化液泵的工作模式、自動補充乳化 液（包括自動配比控制）和自動控制清水泵的啟停。順槽皮帶也可以由工作面控制臺來集中控制，這個功能與煤倉倉位監測 功能有直接的關系，這樣才能構成一個完整的工作面智能運輸系統。1.2在線監測工作面狀態1.2.1 在線監測并顯示主要生產設備的工作狀態在線監測主要

8、生產設備的工作電流、電壓、功率，包括：采煤機、轉載 機、破碎機、刮板機。根據現場需要，對皮帶機還要進行工作狀態監測。1.2.2 在線監測工作面環境狀況通過監測工作面上隅角（瓦斯易聚區域）的瓦斯濃度、溫度和一氧化碳 濃度，回風巷的瓦斯濃度、溫度和風速的監測，隨時監測工作面的環境條 件，一旦出現異常情況能夠及時發現并采取有效處理措施，及時消除安全 隱患。在線監測功能也是為了控制功能的實現，為控制功能提供參數依據。2控制系統結構方案綜采工作面控制系統只考慮最下兩層即自動化層和現場層，最上層管理 層在礦井綜合自動化系統中考慮。主要的研究開發工作在自動化層，通過 應用程序來實現。2. 1系統網絡結構系統

9、網絡結構如下圖。電液檎制器出關控制器開關卷制器解控制土加。七加屋上加4采煤機刮板機破碎機轉載機皮帶機泵站2. 1. 1 管理信息層利用100M以太網接口，通過Web信息數據發布服務器將整個系統的數 據發布到礦局域網上，使生產管理人員能夠就地獲得工作面的相關信息。在與監測信息相關的管理部門，利用在礦局域網上的計算機，可以實現 對工作面的信息進行實時監視和歷史數據查詢、分析等，為生產管理者提 供真實、翔實、實時的監測數據，便于對工作面生產的管理。信息查詢只 要用瀏覽器即可，輸入相應的IP地址或Web地址，不需要另外安裝客戶端 軟件。如果礦局域網與國際互連網相連，那么只要是可以訪問互聯網的用戶， 通

10、過授權許可，可以以WEB頁面的形式訪問數據發布服務器，得到工作面 的監測信息，便于生產管理者不在礦的時候，掌握工作面的狀況。2. 1.2 自動化層自動化層為3臺主控計算機相互聯結，并且向上與礦井綜合自動化系 統相連（用TCP/IP協議），向下與現場層設備相連（用串行Modbus協議）。 3臺主控計算機為井下本質安全型計算機，為提高系統的可靠性，可以考慮 設立備份機。將控制系統井下監控主機、備份機一起安裝在井下控制臺的設備列車 上，整個控制系統井下監控主機與各子系統主機的連接可在幾十米的范圍 內高速、可靠的連接，提高了系統的可靠性、實時性和安全性。本層主要是監測控制主機與礦井綜合自動化之間提供接

11、口，電液控制 主機與工作面監控主機、工作面通訊控制器之間提供接口，采用TCP/IP連 接，用來傳遞監測控制數據。工作面自動監控設置1臺主機，電液控制設置1臺主機，工作面通訊 控制設置1臺主機，分別用來顯示工作面環境信息、采煤機信息、運輸設 備信息、電液壓支架信息，控制工作面生產設備，人工語音通訊等。監測工作控制工作監測工作面AA A: J. /支架控制器支架控制器支架控制器TK230 閉鐐擴 音電話TK230 閉儲擴 音電話HTQTK230團鎮擴音電話TK230 閉鎖擴 音電話一ddWrr方焜剖板宏開關慳帶機壓 叔移系統61"仔：弓一 煤倉上奉我機乳化濃二破碎機終端開關終端開關MOD

12、BUS-終里整1泉站小？元 門力打中川（備用；終 潴開關J L綜采工作面控制系統布置總圖TCP IP衣天礦JF琮令自動化系統2.1.3 2. 1.2 現場層現場控制子系統適合用現場總線控制系統進行集成，其上位機接口統一 采用MODBUS總線接口。本系統將現場總線技術引入到煤礦設備控制系統中來，實現與國際水平 接軌。本層網絡是整個控制系統的關鍵控制層，采用MODBUS現場總線將井 下監測控制主機與子系統串行相連，構成現場總線監控網絡。2.2 控制網絡主要技術指標2.2.1 2. 1 控制系統控制系統的總響應時間為1秒，即在傳感器數據到達各子系統后，1秒 鐘之內就可被系統采集。一個控制功能的執行時

13、間，是從傳感器采集到數據變化開始，到控制功 能的執行機構執行為止。由于各個子系統的響應時間不同，所以對不同的 控制功能，其執行時間也不相同。但作為整個控制網絡系統，由于控制功 能的優先級高，從采集子系統數據、控制算法實現到控制指令發送，可在 1秒鐘內完成。2.2.2 自動化層傳輸介質：光纖/雙線線物理接口：以太網傳輸速率：100Mbps通訊協議：TCP/1P2.2.3 現場監控層傳輸介質：兩對雙絞線物理接口: RS422通訊速率：通訊協議：M0DBUS/RTU2.3監控子系統下面分別介紹各個子系統的組成及提供和接受的數據。2.3 . 1 生產監控子系統生產監控子系統包括采煤機和電液控制系統。采

14、煤機監控子系統通過采 煤機機載計算機相連，調制解調器通過采煤機饋電電纜內的控制總線和接 地線傳輸信息，MODBUS為通訊協議向上位機提供數據。本控制系統井下主機作為MODBUS主控制器，對作為從控制器的采煤機 控制計算機（從控制器）進行巡檢，可以監測和控制以下主要信息：采煤機運行信息：位置、方向、速度等各電機的負荷情況各部件溫度信息各部件報警信息各部件保護信息通過控制牽引電機變頻器調整煤機行進速度控制采煤機閉鎖2.3.1 運輸監控子系統本子系統完成對破碎機、刮板機和轉載機各個電機的饋電控制，可對 所控電機的電壓、電流和負荷情況進行實時監測，可實現以下信號的監測:破碎機電機的電壓、電流、負荷轉載

15、機高速、低速電機的電壓、電流、負荷刮板機機頭、機尾高速低速電機的電壓、電流、負荷。2.3.2 環境監測子系統本子系統可完成:報警：設備啟動前，以及各種故障時進行報警，報警時間的長短及 是否采用語言報警可以通過參數設定。將工作面各設備工作狀態和參數傳輸給井上，在井上計算機進行顯7P o乳化液泵站和清水泵站的自動控制。監測煤倉料位信息。3個子系統之間的關系如下：3系統功能及其實現3.1 工作面順槽控制功能通過本系統的實施，實現在順槽對工作面的生產進行自動控制，表現 在以下幾個主要方面：3. 1. 1工作面順序啟動通過操作通訊控制計算機，發出工作面啟動命令給通訊控制子系統，實 現工作面的順序啟動。其

16、啟動順序如下：皮帶機-破碎機-轉載機-刮板 機-采煤機。4. 1.2工作面順序停機停機順序如下：采煤機-刮板機-轉載機-破碎機-皮帶機。5. 1.3工作面設備閉鎖邏輯工作面內單臺設備閉鎖時，根據煤流方向，自動實現邏輯閉鎖。該項功 能由通訊控制子系統和電液控制子系統在自動監控主機的協調下自動完 成，其閉鎖邏輯如下：采煤機刮板 機轉載 機破碎 機皮帶 機采煤機刮板 機轉載 機破碎 機皮帶 機3. 1.4支架跟機自動化由采煤機監控子系統的計算機將采煤機的位置、方向、速度等信息傳給 電液控制主機，根據采煤工藝的要求，電液控制系統監控主機自動向支架 控制器發出控制指令，執行相應的自動動作。3. 1.5滿

17、倉控制根據煤倉的煤位自動控制采煤過程。當煤倉的煤位到達特定的位置時， 系統就會向工作面下達指令，停止采煤機的推進，暫停煤炭生產，而刮板 機繼續運行，當煤倉的煤位到達滿倉位置時，系統即將刮板機停下來，這 樣面內刮板機上就沒有了煤炭，皮帶機上也不會滿載，為下次順利啟動奠 定基礎，可以避免壓死輸送機的情況出現，提高生產效率，同時可以有效 地保護設備，提高設備的使用壽命。當煤倉出煤后，煤位到達可以開始生產的位置后系統會自動按順序和程序啟動生產設備開始生產O3. 1.6負荷控制根據刮板機的負荷量自動調整采煤機的牽引速度以調整落煤量。當刮板 機的負荷超載時系統能及時降低采堞機的牽引速度以減少落煤量，反之可

18、 適當提高采煤機的牽引速度，以達到設備工作在高效、安全的狀態。3.2工作面設備監測控制功能通過本系統的實施，實現對工作面單臺設備的自動控制功能和設備運行 狀態信息、設備運行工況信息、設備故障診斷信息的連續在線實時監測， 系統對各個生產設備的監測情況如下。1.1.1 2. 1采煤機通過本系統可對采煤機進行如下控制功能：閉鎖采煤機降低采煤機行進速度監測如下信息：位置、方向、速度信息煤機總電壓、電流、負荷各個電機的電壓、電流、負荷各個電機溫度各個電機的保護信息各個電機的過載信息1.1.2 刮板機通過本系統可對前部刮板機進行如下控制功能:開啟、關閉、閉鎖監測如下信息：各個高低速電機的電壓、電流、負荷運

19、行時間統計1.1.3 轉載機通過本系統可對轉載機進行如下控制功能：開啟、關閉、閉鎖監測如下信息:電機的電壓、電流、負荷運行時間統計1.1.4 破碎機通過本系統可對破碎機進行如下控制功能:開啟、關閉、閉鎖監測如下信息：電機的電壓、電流、負荷、過載運行時間統計1.1.5 2.5皮帶機通過本系統可對轉載機進行如下控制功能:開啟、關閉、閉鎖監測如下信息：電機的電壓、電流、負荷運行時間統計3.2.6泵站系統對乳化液泵和清水泵進行如下控制：啟動、停止乳化液自動配比乳化液、清水泵箱自動補液自動控制乳化液泵過壓卸載溢流監測如下信息：乳化液箱液位清水箱水位泵站出口壓力3. 3監測內容顯示本系統監控主機對上述監測

20、控制內容進行分類整理，以動畫、圖形等直 觀方式進行分屏顯示。下圖為工作面信息顯示畫面設計概況。乳化東站清水襲站前刮板機 后刮柢機綜采工作面生產設備監控畫面 gonsola)0 (XALNStarlup) qAi?-Shearer - Nod.Q (xlerm)舄-W Alz Shearer - Node: Ixupper* n x展務設置控制診斷統計圖形控制器幫助|100- -loollllllllllllllll ll<rPm350-ll£-50用戶130&O對唧口膽怖W：項3040 SO 60708090 1OO IIO 120130140150160170 壓二t

21、est170 千斤頂4080.0采煤機PM3 I178.0 控:制功能圖形rii1iiI30405060702440-2435-2430-2425-2420-2415-2410-2405-2400-2395-2390-2385-2380-2375-2370-2365-2360-2355-2350-2345-壓力801O0IIO12013015016014023452380237523702440243524302425242024102405240015:05Jul 02連接K無錯誤消息，501OOIIO120130140150160狀態901O0IIO12013014015016017017

22、0 工作BfiXALZ START綜采工作面跟機自動化監控畫面3.4控制系統軟件1.1.1 1軟件功能控制系統軟件作是實現系統中目標所必須的重要的一個人機接口，它 擔負著數據采集、通信、計算、存儲、顯示、分析、報表、網絡發布及監 控邏輯的定制、控制設備動作等重要任務，是監控系統實時監測與控制的 中樞。監控系統軟件包括：為相應計算機選擇特定的操作系統軟件、選擇圖 形化的工控人機界面軟件支撐環境或通用軟件開發工具、繪制監測目標的 圖形表示符號、定制相應設備的監測控制邏輯、定義數據存儲結構、創建 數據分析（故障預測診斷）模型等。監控系統軟件運行中流程控制及數據交換的基本流程是：設備工況監 測主站軟件

23、循環檢測其下屬各分站，采集設備工況數據，并實時地更新 MOD I BUS SLAVE站的數據緩沖區，設備工況監測主站中的MODI BUS SLAVE站 由軟件模擬實現。井下監控主機通過MODBUS協議按照指定的不同SLAVE站 的級別循環檢測主控機各子系統的MODBUS SLAVE站的數據緩沖區，取得實 時檢測結果用組態圖形表示。1.1.2 操作系統平臺選擇目前市場上獲得的運行最穩定的操作系統，同時兼顧系統對圖形 系統的要求、對網絡控制的要求以及對數據庫等外圍組件的要求，選擇 Windows 2000 professionaI作為監測工控計算機的操作系統平臺。選擇Windows 2000 Pr

24、ofessiona I不但滿足最初制定的監控系統軟件 設計的一些原則，同時由于多數開發人員具有Windows開發的經驗、煤礦 現場系統維護人員也有豐富的Windows使用經驗，有利于系統的應用。1.1.3 人機界面系統軟件目前可行的系統人機界面環境軟件開發方案：方案1,使用高級語言開發工具(如Visual C/C+, Visual Basic 等)開發具有獨立版權的專用系統。這種方法的優點是開發工具直接使用操作系統的API,因此生成軟件的 運行效率較高、系統靈活性較高，可以實現較復雜的數據后期處理功能。 但是，由于高級語句開發工具本身不提供圖形/硬件設備組態工具，開發系 統運行組態的過程比較繁

25、瑣，許多對硬件或通信的控制需開發許多底層協 議，因此該方案的開發周期長、成本高。而且，隨著系統軟件體系復雜度 加大，在不能長時間進行系統測試的情況下，系統軟件的可靠性將急劇下 降。方案2,采用集成人機界面系統結合系統自身的腳本控制語言實現。這種方法的優點是，生成系統組態界面快捷、方便，對開發人員沒有 太高的要求。系統提供多種圖形庫、工具，因此組態效果更好。由于，這 些著名的人機界面系統經過多年的開發、使用，系統已非常穩固、可靠。 同時，這些系統還提供多種組件，自動實現數據庫存儲、趨勢分析、數據 發布等功能，很少的開發工作就可實現完整的分布式網絡應用方案。這種 方法的確定是對計算機系統資源要求較高，數據后期處理不夠靈活。經過上面的比較，選擇方案2作為控制系統的軟件開發模式。工作面的運行環境和地面的開發運行都是工業組態軟件iFIX。它是新 一代的工業自動化軟件系統，是第一套全集成的、開放的、真正基于組件 技術的自動化產品