刘章敏

（山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司，山西晋城 048000）

0 引言

在煤炭生产的过程中，综采工作面属于第一现场，由于采煤现场存在较高的温度、较多的设备、较大的粉尘，且空间极为拥挤，因此极易产生安全事故，对煤炭的安全生产造成了严重的影响。为了有效地避免安全事故的发生，煤矿企业应当提升煤炭生产的智能化水平，减少综采作业面的人员数量。目前，我国综采作业面的各个设备均通过了数字化、自动化改良，已经进入到了智能化时代，一些企业的智能化无人技术开始应用，只需要一台监控设备就可以实现所有设备的控制工作，从而对煤炭进行有效地开采。

综采工作面所开展的作业若要具备智能化，就必须与环境、设备等相关参数相结合，因开采作业不具备较好的环境，因此其控制系统必须具备高效、安全的特点，通过实施有效的冗余控制，控制系统的高效性将会得到极大提升。本文以冗余控制技术为基础，对综采作业面的智能化监控体系进行研究。在设计的过程中，必须对现场所使用的设备状况、作业环境等产生的影响进行充分的考虑，通过运用软冗余的方法来加强各个设备之间的通讯。

图1 智能监控系统组成

1 监控系统的构成

该智能化监控体系的构成主要分为3部分，分别为现场控制层、应用设备层和企业管理层，如图1所示，作为煤矿智能化监控体系，综采工作面智能化监控体系已使用虚线标出。在该系统中，企业管理层与现场控制层的连接是利用工业以太网所实现的，不仅要具备较快的传输速度，而且要具备较长的传输距离，必须与煤矿企业的生产需求相适应。现场控制层对各个PLC主站的监控是利用工业以太网所实现的，各个PLC主站运用PROFIBUS-DP来实现各个从站设备的控制，该工作面不具备较好的环境，且对通信要求较高，因此必须采用冗余控制的方法来配置主、备双PLC控制体系[1]。一般情况下，若冗余网络构造有着较频繁的使用率，其所具有的总线型就较为可靠，因此该作业面可以运用总线型来设置冗余系统的构造。作为DP主站，主PLC中对综采工作面进行监控的各个设备，如破碎机、采煤机、液压支架等，三机语言通信体系、视频监控体系等与现场控制层的通信都是利用工业以太网所实现的。主PLC控制体系所发挥的主要功能是对传感器的各种数据信息进行收集，对各个设备，加以控制，使其顺利完成煤炭开采及运输的工作，并利用工业以太网将数据传递到现场控制层，综采工作面的三机语言通信体系和视频监控体系也是利用工业以太网来将信息传输到现场控制层的，促使视频、语音和数据实现了完美的融合。应用设备层与上级监控主站间的信息连接是利用工业以太网实现的，可以极大规避信息孤岛的产生。

企业管理层位于地面之上，通过使用地面上面的主机来严格监控开采作业的进度，同时配置相应的数据库来进行储存和记录。对于作业的进度状况，服务器可以将其及时传输到集团内部，就算集团与开采现场之间存在着较远的距离，也可以确保总部及时充分地掌握工作面的开采状况。

现场控制层处于矿井下巷道之内，其与企业管理层所进行的通信主要依靠工业以太网所实现。现场控制层与综采工作面相隔离，作业人员对矿井开采状况的监控可以通过控制层的工作人员来实现，利用相关的网络系统来改善主站PLC的程序。利用以太网来完成主站及备站的PLC之间的通讯工作。

应用设备层所发挥的功能主要是对该工作面的各个数据信息进行收集及认真落实各个决策信息。其中所需要采集的数据主要有作业面环境的监测、作业安全性的监测等等；决策信息的实施需要对开采、运输、掘进及探测等设备进行控制。

2 冗余系统的硬件设计

综采工作面所构建的冗余控制体系的框架如图2所示。在DPZ主站所建立的冗余系统中，主要采用57-300型PLC作为主PLC，同时加设相关型号的以太网通信板块，利用该板块来完成其与上位机的连接[2]。DP主站中PLC所发挥的作用是接收各个从站向其传输的传感器信息，并做出有效的决策，之后再将与决策相关的信息传递至各个DP从站中，以严格控制现场的开采设备；同时将煤炭开采状况传输到上级主站中，例如现场设备的监控信息、传感器的信息等等，并对其进行有效地监控与记录。DP从站主要存在两种形式，分别为非智能和智能，智能从站的作用是对作业进行有效控制；非智能从站所发挥的功能是向主站传递各个信息数据，同时依据主站内部的决策信息来实施传输。非智能从站对信息加以控制的方式为分布式I/O输入及输出；智能从站可以基于主站的相关参数利用变频器来对电机所具有的功率和速度进行调整。各个从站的构成板块主要有1个电源板块、2个IM153-2接口板块及许多I/O板块。在实际生产及冗余控制系统正常运作的过程中，备PLC将会对主PLC的运行状态加以实时监测，当主PLC及其从站板块产生故障的时候，备PLC将会取代主PLC来继续运行[3]。

在冗余系统中，各个从站所进行的组态工作主要是依靠自身控制及检测的对象来完成，针对生产中所运用的核心设备，该监控系统中所安装的从站主要包括以下几种。

（1）液压支架控制从站，该从站所发挥的作用主要是对电液进行有效控制，对其所处姿态进行有效调整，同时开展精确检测。

（2）灾害检测预警从站，该从站的功能是对液压支架及护帮板所具有的压力进行监测，对其中存在的一些灾害问题进行及时预警。

（3）采煤机从站，主要是对采煤机的一些基本性操作进行有效的控制，如启动、运行等，同时也可以对采煤机的倾斜角度、滚筒的高度进行有效地监测[4]，完成采煤机的数字及记忆截割。

（4）刮板输送机从站，在该从站中设置有EM277通讯扩展单元，将变频器作为总线的智能从站，对破碎机、转载机等设备的转速及功率进行调节。

（5）综合供液系统从站，该从站可以对泵站进行智能及变频控制，同时对其运转的实际状况进行检测。

（6）在开采工作的实际进展中，安全检测从站中工作面极易发生危险事故，例如瓦斯的爆炸、煤炭的自燃等，应当与矿井下实际生产条件相结合，配置多个非智能化从站来检测开采作业所处的环境，必要之时需要配备相应的防火装置。

图2 冗余系统组成

图3 冗余系统运行过程

3 冗余系统的软件设计

（1）软冗余系统的工作过程

软冗余系统的构成主要分为两类，分别为主、备PLC系统。在工作的过程中，CPU、通信总线与电源三者彼此独立，互不干涉。当主、备PLC同时运作的过程中，这个程序将同时具备冗余和非冗余两种程序，当运行至冗余程序的时候，此时仅仅有主PLC会运行该程序，而备PLC则直接越过该程序，同时将主PLC中形成的各个数据进行接收[5]。图3所示为主、备PLC系统中的实际运行过程。当主PLC系统中的某个部件出现故障，控制工作将会自行转换到备PLC系统中，并对监测状况加以备份，此时，备PLC将会升级为主PLC。这种转换主要包含了3个部件，分别为通信总线、电源及CPU。除了系统对主、备PLC进行错误转换之外，工作人员可以利用设置控制字的形式来人为切换主、备PLC系统，有利于冗余系统实施硬件检修与调节[6]。

（2）软冗余系统的程序设计

在对其程序进行设计的过程中应当对冗余和非冗余两种程序进行充分了解。通常来讲，冗余程序和非冗余程序就是生产现场所采取的持续性和非持续性的工艺控制[7]。在实际开采的过程中，该工作面需要使用较多的生产设备，且各个设备之间存在较多的交叉作业，因此，其必须采用合理的操作顺序、具备较高的精确性和较快的响应速度。在实际开采的过程中，冗余程序可以选用“三机”的控制次序，非冗余程序可以采用安全防护、供液体系控制等。一般情况下，可以将非冗余程序和冗余程序分别编入到OB1和OB35之中[8]。由于在执行冗余程序的过程中，应当对现阶段所采用的PLC进行精确判断，明确其是否为主PLC，因此OB35可被分为4个部分：

CALL FB 101,DBS//启动系统的冗余数据同步功能。

DB WORD N0:=DB1

CALL POSITION:=TRUE

RETURN VAL:=MW6

EXT TNFO:=MWR

CALL FB 101，DBS//启动系统的冗余数据同步功能U DBS.DBX 9.1//得到并分析状态字，若当前为备PLC.则跳过冗余程序SPB M001

{Redundant program//冗余程序段，包含应用程序以及通信程序}

CALL FB 101,DBS//停ih：系统的冗余数据同步功能。

DB WORD N0:=DB1

CALL POSITION:=FALSE

RETURN VAL:=MW10

EXT INFO:=MW12

CALL FB 101,DBS//启动系统的冗余数据同步功能。

DB WORD N0:-DB1

CALL POSITION:-TRUE

RETURN VALMW6

EXT TNFO:-MWR

CALL FB 101，DBS//启动系统的冗余数据同步功能U DBS.DBX 9.1//得到并分析状态字，若当前为备PLC.则跳过冗余程序SPB M001

{Redundant program//冗余程序段，包含应用程序以及通信程序}

CALL FB 101,DBS//停ih：系统的冗余数据同步功能。

最后，分别在主、备PLC系统中下载硬件组态的结果及控制程序，以实现综采作业面的冗余控制系统设计。

4 结束语

本文在综采作业面的智能监控体系中纳入西门子S7-300系列的PLC软冗余技术，该系统的构成主要有主、备PLC两套控制系统，一套是主PLC，其所发挥的作用是对分布式I/O、智能从站加以控制；一套是备PLC，当主PLC产生问题的时候，备PLC将升级为主PLC，并取得控制权，以持续开展监控工作。由于总线型冗余系统具备较强的可靠性，因此极大提升了智能监控系统的有效性及稳定性。