一种采煤机变频牵引单元计算机监控系统的制作方法

本发明涉及一种采煤机变频牵引单元计算机监控系统，适用于采矿领域。

背景技术：

采煤机是一个集机械、电气和液压为一体的大型复杂系统，在当今煤矿开采作业中起着至关重要的作用，采煤机变频牵引单元作为其运作核心部件，工作环境恶劣、结构复杂，很容易出现故障，如果不能对故障及时进行处理那么将对整个开采工作造成重大的影响。采煤机变频牵引单元监控系统通过对采煤机的状态进行全程监控可以减小故障发生率。提高故障维修速度。将损失降低到最小，因此，开发一个采煤机变频牵引单元监控系统对于煤矿开采具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明提出了一种采煤机变频牵引单元计算机监控系统，通过该系统的监控管理，变频牵引采煤机作业的效率和可靠性得到了显著的提高，煤矿生产的正常运行得到了保证。

本发明所采用的技术方案是：

所述采煤机变频牵引单元的工作环境复杂恶劣，存在着不同程度的温度、振动、电磁等于扰，因此采用既有较高抗干扰性又有高传输效率的PROFIBUS现场总线作为系统的通信介质，以提高系统的稳定性和可操作性。采煤机变频牵引单元需要双电机进行同步牵引而且二者的负载要尽量相等，因此本文中选用具有主从控制功能的ABBACS800变频控制器来控制2台牵引电机协调工作。控制系统采用模块化人机界面PLC控制器SIMArTIC S7—300并配以相应的上位软件对采煤机进行间接控制，二者之间使用工业以太网进行数据通信。

所述采煤机变频牵引单元监控系统应实现如下功能：(1)状态识别。采煤机变频器基于有限状态机的工作、停止、故障等状态的识别，以便根据不同的状态进行相应的操作；(2)参数检测控制功能。对于采煤机变频器的功率、转矩、温度、输出电压、通信状态等参数的采集,对于变频器的启动、停止、变频等工作状态和控制字的控制：(3)故障的诊断与报警。对采煤机变频器异常工作状态的警报和故障类型的诊断；(4)通信功能。上位机通过Profibus现场总线和工业以太网与下层PLC进行通信，并能实现工作状态和故障信息等数据的获取、控制和存储，供操作人员查询和分析，根据系统功能分析，本系统功能模块划分为状态识别模块、全参数监控与通信模块、故障诊断报警模块。

有限状态机是建立在计算机上的对物理样机进行状态仿真的结构模型，由输入状态表、输出状态表、转移参数组成。在不同的状态下，根据输入决定输出，在空间中形成一条由不同状态连接成的轨迹。为实现对变频器状态的识别，通过WinCC组态软件和相关开发工具对采煤机变频牵引单元进行状态机建模，以此来显示该单元的工作状态；PLC控制器(SIMATIC S7-300)实时的获取采煤机变频牵引单元的内部参数并通过通信模块将数据上传至上位机。上位软件根据参数进行分析处理，确定状态机模型所显示的状态。

所述监控系统的上层使用以PC为平台、以WinCC项目管理器为管理核心的上位机对整个工程项目的参数设置和数据组态进行统一管理，WinCC站和SIMATIC S7—300控制器之间通过SIMArllC S7Protocol Suite通道利用工业以太网的TCP/IP协议与下层的PLC控制器进行通信。其具体过程是：系统控制组态软件通过TCP/IP协议连接到下层PLC控制器，完成通信卡硬件驱动后组建SIMArTIC S7 Protocol Suite通道，并开始设置PLC和WinCC的Profibus参数，完成之后二者就可以通过通信模板进行通信。从而上层系统可以获得PLC所监测到的变频器的物理参数，通过Microsoft SQL Sever数据库进行数据显示、存储、绘图、分析和查询等功能，并可以通过PC机的人机界面实现人工对采煤机变频器的启动、停止、变频等状态的实时控制。在监控系统的下层控制过程中，ACS800变频器采用ABB Drive协议连接RPBA-0l通信适配器，再以Profibus-DP为通信协议与机载PLC控制器SIMArllC S7—300相连，同时采煤机机载的温度、压力、速度等传感器通过Profibus总线将感应的状态参数以数字量的形式传送至PLC控制器，据此SIMATIC S7—300作为监控主站在物理结构上实现了实时地读取变频器的动态参数和控制变频器状态转换。Profibus-DP监控功能的实现依赖于PPO(Parameter Process Obiect)报文。PPO报文由参数通道（PKW）和过程通道（PDZ）组成。参数通道用来读取和设定变频器运行的参数，包括4个字，前2个字是主站的任务请求代码和从站的任务相应代码，后2个字是具体需要读写的参数值。过程通道用来监测和控制变频器，负责传送变频器的控制信息、状态信息、设定参数和实际参数。优先级高于PKW。在主站给从站变频器的请求报文中，PZD的第1个字为控制字(CW)，第2个字为设定值(REF)；在从站给主站的响应报文中。PZD的第1个字为状态字(SW)，第2个字为实际值(ACT)，即变频器当前有效数据。

所述监控系统在Profibus现场总线的参数化控制模式下，控制器通过PPO报文与变频器进行通信，从而在功能上实现了实时地读取变频器的动态参数和控制变频器状态转换。

所述监控系统的故障诊断不应仅仅是故障的判别和故障源的定位，还应包括异常工作状态的识别、故障报警和紧急保护功能，因此还需单独开发故障诊断报警模块。该模块的基本设计方法是在上位机中建立故障数据库，通过Profibus现场总线实时读取变频牵引单元的参数并写人数据库，根据模式识别控制算法进行分析来判断其工作状态，当出现故障时自动申请数据库查询，得出故障的类型并定位故障源，提交报告以及解决方案。通过该模块可以实现对采煤机变频牵引单元出现的故障进行及时、准确的诊断和处理，保障该单元的正常工作。

本发明的有益效果是：通过该系统的监控管理，变频牵引采煤机作业的效率和可靠性得到了显著的提高，煤矿生产的正常运行得到了保证。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的采煤机变频牵引单元监控系统总体架构。

图2是本发明的采煤机变频控制系统状态机模型。

图3是本发明的变频器-控制器通信流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，采煤机变频牵引单元的工作环境复杂恶劣，存在着不同程度的温度、振动、电磁等于扰，因此采用既有较高抗干扰性又有高传输效率的PROFIBUS现场总线作为系统的通信介质，以提高系统的稳定性和可操作性。采煤机变频牵引单元需要双电机进行同步牵引而且二者的负载要尽量相等，因此本文中选用具有主从控制功能的ABBACS800变频控制器来控制2台牵引电机协调工作。控制系统采用模块化人机界面PLC控制器SIMArTIC S7—300并配以相应的上位软件对采煤机进行间接控制，二者之间使用工业以太网进行数据通信。

采煤机变频牵引单元监控系统应实现如下功能：(1)状态识别。采煤机变频器基于有限状态机的工作、停止、故障等状态的识别，以便根据不同的状态进行相应的操作；(2)参数检测控制功能。对于采煤机变频器的功率、转矩、温度、输出电压、通信状态等参数的采集,对于变频器的启动、停止、变频等工作状态和控制字的控制：(3)故障的诊断与报警。对采煤机变频器异常工作状态的警报和故障类型的诊断；(4)通信功能。上位机通过Profibus现场总线和工业以太网与下层PLC进行通信，并能实现工作状态和故障信息等数据的获取、控制和存储，供操作人员查询和分析，根据系统功能分析，本系统功能模块划分为状态识别模块、全参数监控与通信模块、故障诊断报警模块。

如图2，有限状态机是建立在计算机上的对物理样机进行状态仿真的结构模型，由输入状态表、输出状态表、转移参数组成。在不同的状态下，根据输入决定输出，在空间中形成一条由不同状态连接成的轨迹。为实现对变频器状态的识别，通过WinCC组态软件和相关开发工具对采煤机变频牵引单元进行状态机建模，以此来显示该单元的工作状态；PLC控制器(SIMATIC S7—300)实时的获取采煤机变频牵引单元的内部参数并通过通信模块将数据上传至上位机。上位软件根据参数进行分析处理，确定状态机模型所显示的状态。

监控系统的上层使用以PC为平台、以WinCC项目管理器为管理核心的上位机对整个工程项目的参数设置和数据组态进行统一管理，WinCC站和SIMATIC S7—300控制器之间通过SIMArllC S7Protocol Suite通道利用工业以太网的TCP/IP协议与下层的PLC控制器进行通信。其具体过程是：系统控制组态软件通过TCP/IP协议连接到下层PLC控制器，完成通信卡硬件驱动后组建SIMArTIC S7 Protocol Suite通道，并开始设置PLC和WinCC的Profibus参数，完成之后二者就可以通过通信模板进行通信。从而上层系统可以获得PLC所监测到的变频器的物理参数，通过Microsoft SQL Sever数据库进行数据显示、存储、绘图、分析和查询等功能，并可以通过PC机的人机界面实现人工对采煤机变频器的启动、停止、变频等状态的实时控制。在监控系统的下层控制过程中，ACS800变频器采用ABB Drive协议连接RPBA-0l通信适配器，再以Profibus-DP为通信协议与机载PLC控制器SIMArllC S7—300相连，同时采煤机机载的温度、压力、速度等传感器通过Profibus总线将感应的状态参数以数字量的形式传送至PLC控制器，据此SIMATIC S7—300作为监控主站在物理结构上实现了实时地读取变频器的动态参数和控制变频器状态转换。Profibus-DP监控功能的实现依赖于PPO(Parameter Process Obiect)报文。PPO报文由参数通道（PKW）和过程通道（PDZ）组成。参数通道用来读取和设定变频器运行的参数，包括4个字，前2个字是主站的任务请求代码和从站的任务相应代码，后2个字是具体需要读写的参数值。过程通道用来监测和控制变频器，负责传送变频器的控制信息、状态信息、设定参数和实际参数。优先级高于PKW。在主站给从站变频器的请求报文中，PZD的第1个字为控制字(CW)，第2个字为设定值(REF)；在从站给主站的响应报文中。PZD的第1个字为状态字(SW)，第2个字为实际值(ACT)，即变频器当前有效数据。

如图3，监控系统在Profibus现场总线的参数化控制模式下，控制器通过PPO报文与变频器进行通信，从而在功能上实现了实时地读取变频器的动态参数和控制变频器状态转换。

监控系统的故障诊断不应仅仅是故障的判别和故障源的定位，还应包括异常工作状态的识别、故障报警和紧急保护功能，因此还需单独开发故障诊断报警模块。该模块的基本设计方法是在上位机中建立故障数据库，通过Profibus现场总线实时读取变频牵引单元的参数并写人数据库，根据模式识别控制算法进行分析来判断其工作状态，当出现故障时自动申请数据库查询，得出故障的类型并定位故障源，提交报告以及解决方案。通过该模块可以实现对采煤机变频牵引单元出现的故障进行及时、准确的诊断和处理，保障该单元的正常工作。