茹鵬

（晉能控股晉城煤炭事業(yè)部 晉圣上孔煤業(yè)有限公司，山西 晉城048000）

1 概 況

采煤機是煤礦開采中的重要設(shè)備，安全高效運行是保障礦井高效率開采的關(guān)鍵。市場上應(yīng)用較為廣泛的采煤機為螺旋滾筒式采煤機機構(gòu)，主要通過滾削原理來實現(xiàn)對煤礦的開采。以700型采煤機為分析對象，結(jié)構(gòu)包括了滾筒、截割電機、搖臂機構(gòu)、行走部、變頻箱、開關(guān)箱、變壓器等部分，開關(guān)箱是采煤機通斷電、動力控制的關(guān)鍵部分，變頻器箱集成了主控制器、采集模塊、微處理器等功能模塊的核心部分，負(fù)責(zé)采煤機搖臂升級、前進(jìn)后退行走的控制操作。由各個分系統(tǒng)組成的控制系統(tǒng)是實現(xiàn)采煤機各類操作動作的關(guān)鍵，但該型采煤機控制系統(tǒng)存在控制精度較低、響應(yīng)速度較慢、報警功能較單一等問題，在采煤機作業(yè)過程中，無法及時對故障進(jìn)行異常報警、故障定位及排除，整體控制性能比較落后。針對這些情況，對控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改進(jìn)。

2 總體方案設(shè)計

根據(jù)采煤機的作業(yè)工況，對該設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計。設(shè)計的控制系統(tǒng)包括控制器、GUI界面顯示器、模擬量采集模塊、信號采集模塊、開關(guān)量采集模塊、開關(guān)量輸出模塊、CAN總線通訊模塊等部分，信號采集模塊主要負(fù)責(zé)對采煤機中截割電機溫度、牽引電機溫度、變壓器溫度等進(jìn)行實時數(shù)據(jù)檢測，模擬量采集模塊主要負(fù)責(zé)對進(jìn)水壓力、冷卻水壓力、軸傾角等參數(shù)進(jìn)行檢測。采集的數(shù)據(jù)信號通過CAN總線方式輸送至RAM處理器，通過處理器將電信號向數(shù)字信號轉(zhuǎn)換后，結(jié)合所設(shè)計的計算公式進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、判斷和處理，處理結(jié)果通過控制模塊傳輸至遙控器、液晶顯示器。當(dāng)遙控器接收到遙控信息后，利用控制單元通過CAN總線進(jìn)行控制信號發(fā)送，在開關(guān)量輸出模塊中進(jìn)行電信號轉(zhuǎn)換后，傳輸至各類變頻器、電磁閥、繼電器、接觸器等執(zhí)行部件中，實現(xiàn)對各部件的遠(yuǎn)程自動控制操作。通過控制系統(tǒng)中的主變頻器部件，利用開關(guān)量采集模塊能實現(xiàn)對電機漏電、超溫節(jié)點、報警節(jié)點等信號的控制。整個控制系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overall scheme of control system

3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵部分設(shè)計

3.1 主控制模塊設(shè)計

主控模塊是整個控制系統(tǒng)的核心部分，集成了微處理器、開關(guān)量輸出模塊、開關(guān)量輸出模塊、電源模塊、LCD顯示接口、CAN總線通訊模塊等，其基礎(chǔ)是基于PCB電路板和層疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，通過各分模塊的相互連接，形成一套系統(tǒng)的主控模塊，主控模塊的電路板如圖2所示。

圖2 主控電路板Fig.2 Main control circuit board

控制板通過CAN總線實時接收模擬量采集模塊、開關(guān)量采集模塊等方面的數(shù)據(jù)信息，接收鍵盤、按鍵及遙控器等硬件輸入的控制命令，經(jīng)過微處理器分析計算后，將分析處理后的控制命令通過CAN總線輸出至模擬量輸出模塊及執(zhí)行單元中。LCD顯示器能實時收集采煤機的各類操作狀態(tài)及設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，完成整個控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收、處理分析及數(shù)據(jù)發(fā)送等操作。

3.2 CAN總線通信單元設(shè)計

針對700型采煤機電氣控制系統(tǒng)，選用CAN總線進(jìn)行設(shè)備的現(xiàn)場通訊。通訊單元模塊選用SJA1000型總線控制芯片，并與TJA1040型高速收發(fā)器進(jìn)行控制驅(qū)動，支持CAN2.0通訊協(xié)議和不同的通訊接口，電路如圖3所示。

圖3 CAN總線通訊單元電路圖Fig.3 Circuit diagram of CANbus communication unit

CAN總線通訊模塊配備多個電阻、電容，工作電壓為DC24V，能實現(xiàn)通訊及數(shù)據(jù)采集和控制。在該電路中，對每個CAN節(jié)點采用了專用的CAN隔離接收器，提高網(wǎng)絡(luò)抗干擾性能。電路中，F(xiàn)GND為屏蔽接地，CGND為收發(fā)器接地，保障整個電路的運行安全。

3.3 ARM處理器選型設(shè)計

根據(jù)該控制系統(tǒng)的現(xiàn)場使用情況，配備了3個ARM系列的微型處理器，主要選用了NXP公司的LPC2368型處理器，具有數(shù)據(jù)運算效率高、數(shù)據(jù)處理量大等特點。該處理器采用了32位指令，工作頻率為72Hz，內(nèi)部集成了512KB的Flash閃存。處理器能通過AHB1總線進(jìn)行SRAM、USB3.0等接口擴展，通過AHB2進(jìn)行以太網(wǎng)的功能擴展。該處理器主要作為采煤機控制系統(tǒng)中的主控制CPU，能將接收的電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷結(jié)果直接傳輸至GUI控制界面中，若采煤機出現(xiàn)異常故障情況時，該處理能將故障處理信號發(fā)送至報警器中，以實現(xiàn)對采煤機運行狀態(tài)的實時顯示和報警。ARM處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 ARM處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.4 Internal structure of ARMprocessor

4 控制系統(tǒng)應(yīng)用評價

在完成采煤機控制系統(tǒng)的總體設(shè)計后，為驗證該控制系統(tǒng)的實際控制性能，在晉圣上孔煤業(yè)700型采煤機設(shè)備上進(jìn)行了實際控制性能研究，對該控制系統(tǒng)對采煤機中截割電機和驅(qū)動電機的作業(yè)溫度、截割進(jìn)給速度、故障報警控制等方面進(jìn)行驗證。

實踐表明，該控制系統(tǒng)運行良好，能實時、準(zhǔn)確的對采煤機作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行顯示和控制，對數(shù)據(jù)的采集及分析處理能力較快，所設(shè)計的GUI顯示界面可以全面顯示采煤機的截割速度、各電機溫度等參數(shù)。當(dāng)采煤機出現(xiàn)油溫過高、截割失效等異常情況時，系統(tǒng)可以針對性的切斷采煤機的應(yīng)急電源或主電源，并及時發(fā)出相應(yīng)的報警提示。

經(jīng)過6個月左右的應(yīng)用測試，采煤機的故障率降低了40%，煤礦開采效率也得到了大幅度提高，人員也只需通過控制界面對采煤機各類情況進(jìn)行操作控制，降低了人員的勞動強度，整體控制性能達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié) 語

隨著控制技術(shù)的不斷升級，開展采煤機控制系統(tǒng)的升級設(shè)計研究，已成為當(dāng)前提高采煤機作業(yè)效率及安全性的重要方向。在分析晉圣上孔煤業(yè)700型采煤機結(jié)構(gòu)特點基礎(chǔ)上，對采煤機作業(yè)過程中的控制系統(tǒng)進(jìn)行了總體方案及關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計。通過在晉圣上孔煤業(yè)的實際應(yīng)用表明，該控制系統(tǒng)運行良好，能實時準(zhǔn)確的對采煤機的遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)顯示，整體智能化程度更高，故障報警功能全面，使采煤機的故障率降低了40%，提高了采煤機的作業(yè)效率及安全性，達(dá)到了預(yù)期控制效果。