本發(fā)明涉及一種采煤機(jī)變頻牽引單元計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，適用于采礦領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

采煤機(jī)是一個(gè)集機(jī)械、電氣和液壓為一體的大型復(fù)雜系統(tǒng)，在當(dāng)今煤礦開采作業(yè)中起著至關(guān)重要的作用，采煤機(jī)變頻牽引單元作為其運(yùn)作核心部件，工作環(huán)境惡劣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很容易出現(xiàn)故障，如果不能對(duì)故障及時(shí)進(jìn)行處理那么將對(duì)整個(gè)開采工作造成重大的影響。采煤機(jī)變頻牽引單元監(jiān)控系統(tǒng)通過對(duì)采煤機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行全程監(jiān)控可以減小故障發(fā)生率。提高故障維修速度。將損失降低到最小，因此，開發(fā)一個(gè)采煤機(jī)變頻牽引單元監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于煤礦開采具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種采煤機(jī)變頻牽引單元計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)的監(jiān)控管理，變頻牽引采煤機(jī)作業(yè)的效率和可靠性得到了顯著的提高，煤礦生產(chǎn)的正常運(yùn)行得到了保證。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

所述采煤機(jī)變頻牽引單元的工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，存在著不同程度的溫度、振動(dòng)、電磁等于擾，因此采用既有較高抗干擾性又有高傳輸效率的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線作為系統(tǒng)的通信介質(zhì)，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性。采煤機(jī)變頻牽引單元需要雙電機(jī)進(jìn)行同步牽引而且二者的負(fù)載要盡量相等，因此本文中選用具有主從控制功能的ABBACS800變頻控制器來控制2臺(tái)牽引電機(jī)協(xié)調(diào)工作。控制系統(tǒng)采用模塊化人機(jī)界面PLC控制器SIMArTIC S7—300并配以相應(yīng)的上位軟件對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行間接控制，二者之間使用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

所述采煤機(jī)變頻牽引單元監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：(1)狀態(tài)識(shí)別。采煤機(jī)變頻器基于有限狀態(tài)機(jī)的工作、停止、故障等狀態(tài)的識(shí)別，以便根據(jù)不同的狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的操作；(2)參數(shù)檢測(cè)控制功能。對(duì)于采煤機(jī)變頻器的功率、轉(zhuǎn)矩、溫度、輸出電壓、通信狀態(tài)等參數(shù)的采集,對(duì)于變頻器的啟動(dòng)、停止、變頻等工作狀態(tài)和控制字的控制：(3)故障的診斷與報(bào)警。對(duì)采煤機(jī)變頻器異常工作狀態(tài)的警報(bào)和故障類型的診斷；(4)通信功能。上位機(jī)通過Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)與下層PLC進(jìn)行通信，并能實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)和故障信息等數(shù)據(jù)的獲取、控制和存儲(chǔ)，供操作人員查詢和分析，根據(jù)系統(tǒng)功能分析，本系統(tǒng)功能模塊劃分為狀態(tài)識(shí)別模塊、全參數(shù)監(jiān)控與通信模塊、故障診斷報(bào)警模塊。

有限狀態(tài)機(jī)是建立在計(jì)算機(jī)上的對(duì)物理樣機(jī)進(jìn)行狀態(tài)仿真的結(jié)構(gòu)模型，由輸入狀態(tài)表、輸出狀態(tài)表、轉(zhuǎn)移參數(shù)組成。在不同的狀態(tài)下，根據(jù)輸入決定輸出，在空間中形成一條由不同狀態(tài)連接成的軌跡。為實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器狀態(tài)的識(shí)別，通過WinCC組態(tài)軟件和相關(guān)開發(fā)工具對(duì)采煤機(jī)變頻牽引單元進(jìn)行狀態(tài)機(jī)建模，以此來顯示該單元的工作狀態(tài)；PLC控制器(SIMATIC S7-300)實(shí)時(shí)的獲取采煤機(jī)變頻牽引單元的內(nèi)部參數(shù)并通過通信模塊將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。上位軟件根據(jù)參數(shù)進(jìn)行分析處理，確定狀態(tài)機(jī)模型所顯示的狀態(tài)。

所述監(jiān)控系統(tǒng)的上層使用以PC為平臺(tái)、以WinCC項(xiàng)目管理器為管理核心的上位機(jī)對(duì)整個(gè)工程項(xiàng)目的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)組態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一管理，WinCC站和SIMATIC S7—300控制器之間通過SIMArllC S7Protocol Suite通道利用工業(yè)以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議與下層的PLC控制器進(jìn)行通信。其具體過程是：系統(tǒng)控制組態(tài)軟件通過TCP/IP協(xié)議連接到下層PLC控制器，完成通信卡硬件驅(qū)動(dòng)后組建SIMArTIC S7 Protocol Suite通道，并開始設(shè)置PLC和WinCC的Profibus參數(shù)，完成之后二者就可以通過通信模板進(jìn)行通信。從而上層系統(tǒng)可以獲得PLC所監(jiān)測(cè)到的變頻器的物理參數(shù)，通過Microsoft SQL Sever數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、繪圖、分析和查詢等功能，并可以通過PC機(jī)的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)人工對(duì)采煤機(jī)變頻器的啟動(dòng)、停止、變頻等狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制。在監(jiān)控系統(tǒng)的下層控制過程中，ACS800變頻器采用ABB Drive協(xié)議連接RPBA-0l通信適配器，再以Profibus-DP為通信協(xié)議與機(jī)載PLC控制器SIMArllC S7—300相連，同時(shí)采煤機(jī)機(jī)載的溫度、壓力、速度等傳感器通過Profibus總線將感應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)以數(shù)字量的形式傳送至PLC控制器，據(jù)此SIMATIC S7—300作為監(jiān)控主站在物理結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)地讀取變頻器的動(dòng)態(tài)參數(shù)和控制變頻器狀態(tài)轉(zhuǎn)換。Profibus-DP監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)依賴于PPO(Parameter Process Obiect)報(bào)文。PPO報(bào)文由參數(shù)通道（PKW）和過程通道（PDZ）組成。參數(shù)通道用來讀取和設(shè)定變頻器運(yùn)行的參數(shù)，包括4個(gè)字，前2個(gè)字是主站的任務(wù)請(qǐng)求代碼和從站的任務(wù)相應(yīng)代碼，后2個(gè)字是具體需要讀寫的參數(shù)值。過程通道用來監(jiān)測(cè)和控制變頻器，負(fù)責(zé)傳送變頻器的控制信息、狀態(tài)信息、設(shè)定參數(shù)和實(shí)際參數(shù)。優(yōu)先級(jí)高于PKW。在主站給從站變頻器的請(qǐng)求報(bào)文中，PZD的第1個(gè)字為控制字(CW)，第2個(gè)字為設(shè)定值(REF)；在從站給主站的響應(yīng)報(bào)文中。PZD的第1個(gè)字為狀態(tài)字(SW)，第2個(gè)字為實(shí)際值(ACT)，即變頻器當(dāng)前有效數(shù)據(jù)。

所述監(jiān)控系統(tǒng)在Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的參數(shù)化控制模式下，控制器通過PPO報(bào)文與變頻器進(jìn)行通信，從而在功能上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)地讀取變頻器的動(dòng)態(tài)參數(shù)和控制變頻器狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

所述監(jiān)控系統(tǒng)的故障診斷不應(yīng)僅僅是故障的判別和故障源的定位，還應(yīng)包括異常工作狀態(tài)的識(shí)別、故障報(bào)警和緊急保護(hù)功能，因此還需單獨(dú)開發(fā)故障診斷報(bào)警模塊。該模塊的基本設(shè)計(jì)方法是在上位機(jī)中建立故障數(shù)據(jù)庫，通過Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)時(shí)讀取變頻牽引單元的參數(shù)并寫人數(shù)據(jù)庫，根據(jù)模式識(shí)別控制算法進(jìn)行分析來判斷其工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)申請(qǐng)數(shù)據(jù)庫查詢，得出故障的類型并定位故障源，提交報(bào)告以及解決方案。通過該模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)變頻牽引單元出現(xiàn)的故障進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的診斷和處理，保障該單元的正常工作。

本發(fā)明的有益效果是：通過該系統(tǒng)的監(jiān)控管理，變頻牽引采煤機(jī)作業(yè)的效率和可靠性得到了顯著的提高，煤礦生產(chǎn)的正常運(yùn)行得到了保證。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明的采煤機(jī)變頻牽引單元監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)。

圖2是本發(fā)明的采煤機(jī)變頻控制系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)模型。

圖3是本發(fā)明的變頻器-控制器通信流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1，采煤機(jī)變頻牽引單元的工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，存在著不同程度的溫度、振動(dòng)、電磁等于擾，因此采用既有較高抗干擾性又有高傳輸效率的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線作為系統(tǒng)的通信介質(zhì)，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性。采煤機(jī)變頻牽引單元需要雙電機(jī)進(jìn)行同步牽引而且二者的負(fù)載要盡量相等，因此本文中選用具有主從控制功能的ABBACS800變頻控制器來控制2臺(tái)牽引電機(jī)協(xié)調(diào)工作。控制系統(tǒng)采用模塊化人機(jī)界面PLC控制器SIMArTIC S7—300并配以相應(yīng)的上位軟件對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行間接控制，二者之間使用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

采煤機(jī)變頻牽引單元監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：(1)狀態(tài)識(shí)別。采煤機(jī)變頻器基于有限狀態(tài)機(jī)的工作、停止、故障等狀態(tài)的識(shí)別，以便根據(jù)不同的狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的操作；(2)參數(shù)檢測(cè)控制功能。對(duì)于采煤機(jī)變頻器的功率、轉(zhuǎn)矩、溫度、輸出電壓、通信狀態(tài)等參數(shù)的采集,對(duì)于變頻器的啟動(dòng)、停止、變頻等工作狀態(tài)和控制字的控制：(3)故障的診斷與報(bào)警。對(duì)采煤機(jī)變頻器異常工作狀態(tài)的警報(bào)和故障類型的診斷；(4)通信功能。上位機(jī)通過Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)與下層PLC進(jìn)行通信，并能實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)和故障信息等數(shù)據(jù)的獲取、控制和存儲(chǔ)，供操作人員查詢和分析，根據(jù)系統(tǒng)功能分析，本系統(tǒng)功能模塊劃分為狀態(tài)識(shí)別模塊、全參數(shù)監(jiān)控與通信模塊、故障診斷報(bào)警模塊。

如圖2，有限狀態(tài)機(jī)是建立在計(jì)算機(jī)上的對(duì)物理樣機(jī)進(jìn)行狀態(tài)仿真的結(jié)構(gòu)模型，由輸入狀態(tài)表、輸出狀態(tài)表、轉(zhuǎn)移參數(shù)組成。在不同的狀態(tài)下，根據(jù)輸入決定輸出，在空間中形成一條由不同狀態(tài)連接成的軌跡。為實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器狀態(tài)的識(shí)別，通過WinCC組態(tài)軟件和相關(guān)開發(fā)工具對(duì)采煤機(jī)變頻牽引單元進(jìn)行狀態(tài)機(jī)建模，以此來顯示該單元的工作狀態(tài)；PLC控制器(SIMATIC S7—300)實(shí)時(shí)的獲取采煤機(jī)變頻牽引單元的內(nèi)部參數(shù)并通過通信模塊將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。上位軟件根據(jù)參數(shù)進(jìn)行分析處理，確定狀態(tài)機(jī)模型所顯示的狀態(tài)。

監(jiān)控系統(tǒng)的上層使用以PC為平臺(tái)、以WinCC項(xiàng)目管理器為管理核心的上位機(jī)對(duì)整個(gè)工程項(xiàng)目的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)組態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一管理，WinCC站和SIMATIC S7—300控制器之間通過SIMArllC S7Protocol Suite通道利用工業(yè)以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議與下層的PLC控制器進(jìn)行通信。其具體過程是：系統(tǒng)控制組態(tài)軟件通過TCP/IP協(xié)議連接到下層PLC控制器，完成通信卡硬件驅(qū)動(dòng)后組建SIMArTIC S7 Protocol Suite通道，并開始設(shè)置PLC和WinCC的Profibus參數(shù)，完成之后二者就可以通過通信模板進(jìn)行通信。從而上層系統(tǒng)可以獲得PLC所監(jiān)測(cè)到的變頻器的物理參數(shù)，通過Microsoft SQL Sever數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、繪圖、分析和查詢等功能，并可以通過PC機(jī)的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)人工對(duì)采煤機(jī)變頻器的啟動(dòng)、停止、變頻等狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制。在監(jiān)控系統(tǒng)的下層控制過程中，ACS800變頻器采用ABB Drive協(xié)議連接RPBA-0l通信適配器，再以Profibus-DP為通信協(xié)議與機(jī)載PLC控制器SIMArllC S7—300相連，同時(shí)采煤機(jī)機(jī)載的溫度、壓力、速度等傳感器通過Profibus總線將感應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)以數(shù)字量的形式傳送至PLC控制器，據(jù)此SIMATIC S7—300作為監(jiān)控主站在物理結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)地讀取變頻器的動(dòng)態(tài)參數(shù)和控制變頻器狀態(tài)轉(zhuǎn)換。Profibus-DP監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)依賴于PPO(Parameter Process Obiect)報(bào)文。PPO報(bào)文由參數(shù)通道（PKW）和過程通道（PDZ）組成。參數(shù)通道用來讀取和設(shè)定變頻器運(yùn)行的參數(shù)，包括4個(gè)字，前2個(gè)字是主站的任務(wù)請(qǐng)求代碼和從站的任務(wù)相應(yīng)代碼，后2個(gè)字是具體需要讀寫的參數(shù)值。過程通道用來監(jiān)測(cè)和控制變頻器，負(fù)責(zé)傳送變頻器的控制信息、狀態(tài)信息、設(shè)定參數(shù)和實(shí)際參數(shù)。優(yōu)先級(jí)高于PKW。在主站給從站變頻器的請(qǐng)求報(bào)文中，PZD的第1個(gè)字為控制字(CW)，第2個(gè)字為設(shè)定值(REF)；在從站給主站的響應(yīng)報(bào)文中。PZD的第1個(gè)字為狀態(tài)字(SW)，第2個(gè)字為實(shí)際值(ACT)，即變頻器當(dāng)前有效數(shù)據(jù)。

如圖3，監(jiān)控系統(tǒng)在Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的參數(shù)化控制模式下，控制器通過PPO報(bào)文與變頻器進(jìn)行通信，從而在功能上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)地讀取變頻器的動(dòng)態(tài)參數(shù)和控制變頻器狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

監(jiān)控系統(tǒng)的故障診斷不應(yīng)僅僅是故障的判別和故障源的定位，還應(yīng)包括異常工作狀態(tài)的識(shí)別、故障報(bào)警和緊急保護(hù)功能，因此還需單獨(dú)開發(fā)故障診斷報(bào)警模塊。該模塊的基本設(shè)計(jì)方法是在上位機(jī)中建立故障數(shù)據(jù)庫，通過Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)時(shí)讀取變頻牽引單元的參數(shù)并寫人數(shù)據(jù)庫，根據(jù)模式識(shí)別控制算法進(jìn)行分析來判斷其工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)申請(qǐng)數(shù)據(jù)庫查詢，得出故障的類型并定位故障源，提交報(bào)告以及解決方案。通過該模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)變頻牽引單元出現(xiàn)的故障進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的診斷和處理，保障該單元的正常工作。