综采作为煤矿生产的核心，是实现高产高效最重要的采煤方法。综采涉及的设备包括采煤机、刮板输送机、转载机、带式输送机、液压支架、泵站和移动变电站等，此类设备一般通过井下或地面综采集控系统统一管理和控制。上述设备由不同厂家提供，数据协议互不兼容，为适配不同工作面或其他特殊要求临时修改。
综采集控系统投入使用前需要经过复杂的测试和验证，确保软件操作和设备动作的一致性、正确性和安全性，目前多采取在煤矿现场验证测试的方法，此过程需同时协调多个厂家的人员和设备，受煤矿生产管理等因素的时间制约，导致集控系统测试和验证时间紧张，在部署前难以做到全天时和大规模验证。为提高集控系统的测试验证时间，设计了一种用于综采集控系统的验证平台，可随时快速根据设备厂家提供的信息进行更新，不受时间和地点限制，最大程度支持综采集控系统在部署应用前的快速和大规模验证。
系统设计
测试平台系统如图1 所示，由实例化后的模型平台和UI 界面及日志系统组成，模型平台与UI 界面及日志系统之间通过串口进行数据交互，实例化模型平台主要包括3个模块。
图1 测试平台系统
（1） 数据驱动
根据采煤机、刮板输送机、转载机、带式输送机、液压支架、泵站和移动变电站等设备数据列表，产生完整准确的数据驱动。
（2） 工作机理模拟
依据设备厂家对设备运行机制的深度剖析，通过内部逻辑驱动设备数据，实现对设备工作模型的复刻。
（3） 与设备一致的通信协议
UI 界面用于对实例化模型平台进行配置、管理以及数据显示，日志系统保存集控系统下发的指令数据和实例化模型的相关状态，作为验证集控系统正确性的溯源文件。
集控系统可在单个或多个服务器及终端运行，可通过交换机或者其他方式（比如CAN总线、开关量等方式） 与实例化的模型进行通信，实现集控系统对不同设备命令的下发和状态的查询。
实例化模型平台
实现功能
（1） 可在线实时模拟采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、泵站和移动变电站数据。
（2） 数据变化支持常量、自增、自减方式。
（3） 采煤机实例要求具备执行机构的能力，包括牵引行走、摇臂动作和截割运行，并提供真实的电压、电流、位移数据。
（4） 设备工作模型可配置。
（5） 设备可选择在线/离线。
（6） 模型注入故障，注入方式支持手动、定时，故障支持单故障及故障序列。
（7） 具备集控系统指令、设备状态的显示与保存。
硬件框架
井下综采工作面设备支持的主要通信方式为CAN、Modbus TCP、Modbus RTU 和OPC UA，其中Modbus TCP 最多，以神东某矿某综采面设备为例，通信协议、点位统计见表1。
表1 综采面设备信息
从表1 表明，液压支架由于数量多点位数最多，由于ModBus TCP 单周期最大访问点位数量为125个，液压支架点位完全访问为39 个周期，考虑支架端响应以网络负载，按照双倍余量考虑，仅访问液压支架需11.7 s，采煤机、液压支架、刮板输送机等设备点位约200 个，2~3 个周期即可完成单设备所有点位数据的访问。
针对以上统计信息，设计如图2 所示的硬件框架，为保证集控系统响应的实时性，液压支架单独采用1 个PLC进行实例仿真，选择西门子1200PLC，具备1 个网口，支持Modbus TCP协议访问，支持单个主节点的访问，最多可以扩展3 个RS-485/232串口。
图2 硬件框架
贝加莱X90 加固式控制器集成12 路CAN、1 路以太网接口ETH、2 路RS485 和1 路RS232，ETH支持15 个Modbus TCP主节点的访问，可用于采煤机、液压支架、刮板输送机、泵站和移动变电站（7 个主节点） 的实例仿真。5 路CAN分别外接5 个电机驱动器，用来驱动采煤机对应的行走、左/右摇臂、左/右截割电机，行走电机通过传动结构驱动架号模拟器向1200 PLC反馈虚拟的实时支架架号；X90 通过1 个RS485 接口可控制状态指示器，显示集控系统指令及当前各设备状态，另外1 个RS485 接口则与1200PLC通信用以查询获取支架数据；工控机运行UI 程序和日志系统，通过全双工RS232 接口与X90 进行数据通信。另外，集控系统也可选择通过CAN总线与X90 进行数据通信，向采煤机、液压支架、刮板输送机、泵站和移动变电站发送控制指令。
状态指示器主要由嵌入式一体触摸显示机、基于Modbus RTU 的继电器扩展模块、功放喇叭、状态指示灯和声光报警器组成。嵌入式一体触摸显示机硬件资源包含有3 路通信COM口（可自由配置为RS485 或者RS232）、1 路以太网、2 路USB、1 路MIC IN（麦克风输入）和1 路LINE OUT（音频信号输出），继电器扩展模块包含64 路继电器，单路可以驱动功率小于20 W的24 VDC或者220 V AC负载。
嵌入式一体触摸显示机运行基于Windows 的工控程序，当工控程序接收到来自X90 的控制指令时，通过另外1 路RS485 控制继电器扩展板闭合或者断开某路继电器，进而控制对应状态指示灯/声光报警器的点亮或者熄灭，以指示当前指令动作，同时LINE OUT输出对应的音频信号给功放喇叭，以声音方式提示当前的操作状态。
架号模拟器内部安装复合式位置检测传感器，由相对式光电编码器和霍尔传感器组成，霍尔传感器用于检测起始的初步位置，相对式光电编码器用来检测准确位置，同时通过位置传感器的计数来计算行走电机的实际速度。主控核心采用32 位ARM微控制器STM32F103，将计算的位置和速度通过外部的显示屏进行显示。
为降低设计和维护成本，行走驱动器、左/右摇臂驱动器、左/右截割驱动器均使用同一型号的步进电机驱动器，对应的电机也使用同一型号的步进电机。
软件设计
X90 PLC 程序设计
X90 PLC 程序如图3 所示，包含多ModbusTCP服务器程序、与UI 进行数据通信的RS232 数据打包程序、集控系统指令接收及逻辑处理反馈、状态指示器设置程序和采煤机行走/左摇臂/右摇臂/左截割/右截割电机驱动器控制程序。
图3 X90 PLC程序
多ModbusTCP服务器程序包含采煤机、液压支架、刮板输送机、泵站和移动变电站实例的连接端口、寄存器类型、寄存器数量的初始化和接口通信；X90 实时读取1200PLC 中的支架数据，主要包含虚拟架号、支架动作，并设置1200PLC 中的支架故障；X90 接收到来自集控系统的指令后，按照实际设备的工作原理对相关寄存器进行逻辑运算，后将对应的状态反馈至集控系统，同时通过驱动器控制采煤机行走电机、左摇臂电机、右摇臂电机、左截割电机、右截割电机的旋转，并采集电机电流、温度、运行距离，结合当前指令及各设备数据设置、指示器状态；X90 将集控系统指令、 1200PLC 数据、ModbusTCP 服务器寄存器数据、驱动器状态打包后通过RS232接口发送给工控机。
1200 PLC 程序设计
1200 PLC程序如图4 所示，包含ModbusTCP服务器程序、与X90 进行数据通信的数据打包程序、集控系统指令接收及逻辑处理反馈和架号模拟器数据读取程序。
图4 1200 PLC程序
ModbusTCP 服务器程序主要是支架连接端口、寄存器类型、寄存器起始地址和寄存器数量的初始化；1200 PLC通过RS485 总线查询X90 对其的配置信息，主要包含支架模型、是否在线以及故障信息，当模型发生变化时，切换到对应模型的数据驱动；集控系统向支架发送的指令主要包括远程选定操作架号、急停、闭锁以及对每个支架的控制动作（比如升/降柱、推移刮板输送机、移架、伸/收伸缩梁、伸/收护帮等），1200 PLC 接收到来自集控系统的指令后，按照实际支架的工作原理对相关寄存器进行逻辑运算，并将对应状态反馈至集控系统；同时，1200 PLC将远程选定操作架号、闭锁和对当前选型操作架号的控制动作数据打包，由X90 周期性查询数据。
UI 设计
UI 设计采用基于C 语言平台的LabWindows/CVI 设计，数据采集分析和显示的测控专业工具有机结合起来，具有丰富的库函数和显示控件，采用C 语言编写检测系统、自动测试环境、数据采集系统、过程监控系统等应用软件。
设计程序流程如图5 所示，主要包括设备是否在线、设备状态数据的驱动方式、故障注入和数据显示与保存，功能见表2，其中设备状态数据驱动方式包含常量、自增和自减，故障注入支持手动注入和定时注入2 种方式，注入的故障数量支持单次故障以及按照预定义的序列顺序注入故障。UI 读取到X90 返回的数据进行解包显示以及数据存储，以用来和综采集控系统控制数据和显示数据进行比对，确认正确性。
表2 UI 功能
图5 UI流程
以采煤机为例，设计的UI 界面如图6 所示，主要分为3 个区域，顶部用于展示采煤机控制指令的LED指示灯，包括水泵启停、左右截割启停、破碎臂升降、左右摇臂升降、左右牵引启停、顶护板升降和急停，底部左侧为采煤机关键部件的温度和电流数据，底部右侧为设备整体设置。
图6 采煤机UI功能
结 语
在试验室环境下，使用设计的测试平台分别对集控测试系统中采煤机、液压支架、刮板输送机、泵站和供电显示模块、控制模块和故障处置模块进行了测试验证，包括静态测试和故障注入，集控系统可正确控制设备，并在故障注入后迅速进行安全动作保护，经测试平台验证集控系统在矿区部署后对单机点位和逻辑控制的正确率提升至98.5%；利用测试平台长时间在线特点，在试验室对集控平台进行连续性挂机测试，比矿区实际调试时间提升了约5~10 h/日，提高了测试覆盖范围和测试效率，为验证综采集控系统测试的充分性、控制正确性和可靠性提供了有效方法，保障了井下部署和应用时的效率，降低维护停机影响生产的风险。
策划：李金松 编辑：刘雅清
