摘  要： 采煤機工作環境的復雜性對監控系統提出更高要求，為提高其可靠性與實時性，采用了分布式系統結構，通過PROFIBUS-DP總線技術實現系統網絡配置，設計搭建了以SIMATIC S7-300 PLC為控制核心和以WinCC組態技術為平臺的采煤機遠程監控系統。根據系統的監控要求，完成了PLC硬件配置、上位機監控系統以及遠程在線監控設計，實現了采煤機工況數據的在線顯示、故障報警和遠程控制。
關鍵詞： 采煤機；WinCC組態；PLC；遠程監控

　煤礦綜采設備向高產高效方向發展，要求大功率、高可靠性和智能化。采煤機作為重要的綜采設備之一，運行環境復雜惡劣，它的運行狀況正常與否直接影響著整個煤礦的安全及經濟效益。因此要求采煤機具有很好的調速性能，使其高效運行，還要求具有高可靠性和較長的使用壽命，需要工況監控系統來保障被監控設備可靠運行。隨著計算機技術的發展，高智能化監測控制系統已開始在各類大型機械設備上應用。近年來引進的新型采煤機均配備有工況監測與故障診斷系統，但目前國內生產的采煤機和現場普遍使用的采煤機，僅配備部分的過載保護及電氣系統的監控設置。采煤機在使用中故障頻繁發生，嚴重影響了采煤機的高效工作，因此本文對采煤機運行情況的在線監控作了進一步的研究。
1 系統總體設計
　采煤機監控系統整體架構設計如圖1所示。

　本監控系統采用4層架構，第1層為設備層，是控制系統最底層，主要包括被控制對象，如電機等，還包括各種數據檢測設備，如電流互感器、瓦斯檢測儀、溫度傳感器等。第2層為控制層，包括可編程控制器、變頻器等智能控制設備，功能是采集傳感器的數據、本地操作信號的響應、邏輯控制單元的操控、數據通信等功能[1]。第3層為本地控制管理層，是對下位機控制過程的集中管理系統，主要負責對工業控制現場的控制器發送指令，設置系統、修改參數，確保現場控制系統正常運轉。第4層為遠程診斷管理層，通過網絡通信技術能夠實現遠程的數據采集和監控，根據數據對前端的設備進行診斷，形成決策指導；甚至可通過視頻、語音等方式與前端生產工人進行直接對話，進行現場指導而專家卻不用到達現場。
2 PLC控制單元
　PLC控制單元是監控系統的核心，負責對采煤機運行數據（包括模擬量和數字量）的采集和處理、報警故障的生成、啟停聯鎖保護、控制命令保護、與遠程控制器通信、控制繼電器輸出，以實現對采煤機運行狀態的調整。
2.1 控制功能分析
　（1）采煤機的牽引電機由ABB ACS800變頻器驅動，牽引電機的額定轉速對應變頻器的輸出頻率，且其值為50 Hz。變頻器輸出0~50 Hz為恒轉矩調速；50~83 Hz為恒功率調速。
　（2）牽引方向和速度由左加速、右加速按鈕控制，按下左加速按鈕電機向左加速或者按下右加速按鈕電機向右加速。松開按鈕，電機保持當前速度。按下停機按鈕，采煤機停止運行。停止順序為啟動順序的反向即左右牽引電機、左、右截割電機、油泵電機的順序。
　（3）按下“復位”按鈕時，牽引速度降為“0”并抱閘。
　（4）牽引電機采用DTC（直接轉矩控制），當截割電機超過額定功率時，阻力矩增加，牽引電機速度降低。
　（5）截割電機采用恒功率控制，在截割純煤層時阻力小，轉速增加；在截割包裹體或巖石層時阻力大，轉速減小。
　（6）對各個電機進行實時監測并超溫預警，對變頻器電流和截割電機電流實施過流保護，同時實時監控瓦斯濃度。
2.2 變頻器設計
　牽引部采用兩臺型號為ACS800-175的變頻器，參數如下：
　額定容量：175 kVA
　輸出功率：135 kW
　輸入電壓：380 V
　輸出電壓：0~380 V
　牽引部采用一拖一方式，主從方式牽引，右牽引變頻器為主，左牽引變頻器為從，主從控制接口使用CH2，主變頻器正常工作時受主控PLC控制，主變頻器與從變頻器通過CH2交換數據，牽引部電路如圖2所示。

　PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準。PROFIBUS傳送速度可在9.6 Kb~12 Mb范圍內選擇且當總線系統啟動時，所有連接到總線上的裝置應該被設成相同的速度。廣泛適用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通電力等其他領域自動化。PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術。可實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。
　主變頻器與S7-300之間采用PROFIBUS-DP通信協議，通過RPBA-01適配器模塊連接到PROFIBUS-DP網絡。變頻器在工作前應根據采煤機的設計要求進行設置，由于設置項目多，這里只給出一些基本的設置。變頻器設置如表1所示。

2.3 PLC配置與程序設計
　德國西門子（SIEMENS）公司生產的可編程控制器在我國應用相當廣泛，其生產的S7系列PLC具備體積小、速度快、標準化的特點，且網絡通信能力功能更強，可靠性更高。
　根據本系統的設計要求，該系統集中控制部分采用S7-300可編程控制器PLC，其關鍵功能模塊包括：電源模塊PS307、CPU模塊CPU315-2PN/DP、2塊16路DI模塊SM321、1塊16路DO模塊SM322、2塊8路A1模塊SM331、1塊2路AO模塊SM332，高速計數器模塊CP340。可擴展的機架設計滿足PLC硬件擴充需求，其中CPU模塊CPU315-2PN/DP支持PROFIBUS-DP現場總線通信，有集成的PN端口，無須以太網模塊可以建立以太網通信，提供最大傳輸速率為100 Mb/s的全雙工通信，實現通過工業以太網進行遠程監控。PLC程序采用STEP7的LAD梯形圖編程語言進行模塊化結構設計，縮短了主程序OB1的循環掃描周期，有效增加了系統的實時性，并使程序的后期升級效率大幅提高[2]。PLC程序的結構框圖如圖3所示。

3 WinCC組態監控系統的設計
　西門子視窗控制中心SIMATIC WinCC（Windows Control Center）是HMI/SCADA軟件中的后起之秀，以最短的時間發展成為世界范圍內最成功的SCADA系統之一。
　WinCC客戶機/服務器系統，包括所有的SCADA功能。可以通過最基本的WinCC系統的組件和函數來實現復雜可視化任務，并且可以完成畫面創建、過程歸檔、報警顯示、趨勢和報表打印。WinCC 6.0采用標準Microsoft SQL Server 2000數據庫進行生產數據的歸檔，可以使用ODBC、DAO、OLE-DB和ADO方便地訪問歸檔數據。WinCC提供強大的標準接口，如OLE、ActiveX和OPC，可以很方便地與其他應用程序交換數據。
　WinCC提供了主要PLC系統的通信通道，直接連接到SIMATIC S7控制器的通信通道，還提供了PROFIBUS-DP/FMS、DDE（動態數據交換）和OPC（用于過程控制的OLE）等非專用通道，因為控制器生產商都為其硬件提供相應的OPC服務器，所以都可以實現與WinCC的連接[3]，很好地保證了系統的兼容性和擴展性。
　該監控系統采用SIMATIC WinCC作為組態軟件，提供HMI界面設計、報警、故障事件信息響應、數據歸檔、遠程監控等功能。
3.1 WinCC與S7-300的通信實現
　上位機通過PROFIBUS-DP總線與PLC進行通信，獲取現場設備數據，系統組態軟件選用WinCC 6.0，WinCC項目管理器是組態軟件的核心，全面管理整個工程項目的數據組態和參數設置。SIMATIC S7 Protocol Suite通道支持WinCC站和SIMATIC S7自動化系統之間的多種通信方式，該系統選擇組態軟件通過PROFIBUS協議鏈接到SIMATIC S7-300自動化系統[4]，通過通信模板（通信卡/CP5611）進行通信。完成通信卡硬件和驅動后，組態SIMATIC S7 Protocol Suite通道單元，并分別設置新建變量（Tag），將外部變量與PLC的DB塊、位存儲器、輸入、輸出中的位或字連接起來。通過WinCC內部函數GetTag、SetTag實現WinCC與PLC交換數據，從而實現了界面顯示、控制PLC動作的功能。
3.2 監控系統的實現
　根據系統需求，實現對采煤機工作情況的監控，包括其牽引電機、截割電機、油泵電機等各部分實時的狀態，以及系統故障的報警信息和生產數據報表。監控系統上位機設計結構圖如圖4所示。

3.2.2 故障報警的實現
　WinCC中的報警編輯器負責消息的采集與歸檔。在系統組態時，首先需要組態報警消息和報警消息文本，之后在圖形編輯器中創建報警畫面，添加報警控件，在Horn報警器中的Message assignment選項頁選定Message Class為Error，定義一個bool型的Tag；在Signal assignment選項頁選定Tag為之前定義的bool型的Tag，在Sound中選擇要播放的1.wav聲音文件[5]。運行時，只要Error類別的報警觸發，則bool型的Tag置位，1.wav循環播放；在報警控件中確認報警，聲音中止，也可以將bool型的Tag復位，1.wav聲音中止，實現了語音報警。
3.2.3 Web Navigator功能的實現
　作為整個遠程監控系統重點之一的遠程監控系統主要依據西門子WinCC Web Navigator遠程控制解決方案設計，實現了用戶遠程登錄，進行遠程監控操作。
　在設計Web Server時，必須考慮安全性和系統條件。可以采用在WinCC Server上建立WinCC Web Navigator Server的方法。具體為WinCC Server和WinCC Web Navigator Server組件安裝在一臺機器上。WinCC Web Navigator Client可以通過Internet/Intranet來控制運行的WinCC項目。使用WinCC Web Navigator Client可以擴展Client-Server結構。為了免受Internet攻擊，必須采用防火墻，第一個防火墻保護WinCC Web Navigator Server免受Internet攻擊，第二個防火墻為Intranet提高額外安全保障。
　該系統構建了采煤機的監控系統的層次模型，采用了變頻器直接轉矩方式驅動牽引電機工作，通過程序設計對采煤機截割部進行恒功率控制。實現了對采煤機工況參數的實時監測，運用Web Navigator功能使遠程操作人員直觀地掌控井下采煤機的狀態，并根據其工作狀態進行采煤機的遠程控制和實時調度，保證采煤生產安全的同時也保證了生產效率。
參考文獻
[1] 張翼.采煤機監控系統的研究與設計[D].西安：西安科技大學，2007.
[2] Anon. Training Material of 2nd SIEMENS Automation & Drives Summer School at University of Applied Sciences[M].Esslingen FHTE，[s，n]，2005.
[3] 毛聯杰.S7-300系列PLC與組態軟件WinCC實現通信的方法[J].國內外機電一體化技術，2006（4）：88-92
[4] 陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，2000.
[5] 西門子（中國）有限公司自動化與驅動集團.WinCC V6編程手冊[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.