礦用采煤機電控系統的設計開發*

張晉敏

(山煤集團蒲縣豹子溝煤業，山西 臨汾 041000)

0 引 言

煤礦是國家重要的能源，而在國家快速發展的趨勢下，對煤礦的需求量也逐年增多。采煤機作為井下煤礦開采的重要設備，已在全國各大煤礦中進行了最為廣泛的應用。而電控系統則是保證采煤機高效率煤礦開采和設備運行安全的重要部位。目前，采煤機中的電控系統存在控制精度較低、響應速度慢、誤判率高等問題，隨著控制技術的不斷提升，現有的電控系統已無法滿足當下采煤機的使用需求。提高采煤機電控系統的綜合性能，已成為當下各煤礦企業和科研機構重點關注的方向。因此，以采煤機電控系統工作原理分析為基礎，開展了對電控系統的設計開發，并將該系統在淮北礦業采煤機上進行了應用測試，這對提高采煤機的工作效率及作業安全具有重要作用。

1 采煤機電控系統工作原理

采煤機的采煤作業，必須通過電控系統進行控制，實現采煤機不同開采力及采煤工況的使用需求。結合市場上采煤機電控系統組成情況，其結構主要由信號采集單元、核心控制單元、I/O控制層、運行參數采集單元、上機位監控層等組成，而不同功率的采煤機則根據開采需要，進行性能選裝設計。電控系統的工作原理主要為：首先在采煤機上安裝機載傳感器，通過該傳感器對采煤機設備進行信號采集，再將采集的信號進行過濾、處理后，傳輸至電控系統的控制中心進行數據判斷，電控系統最終會根據控制指令大小，調節電機的工作電流，以此實現對電機不同功率大小的控制。同時，所設計的電控系統配備了人機顯示界面，可將采煤機的工作電流、工作溫度、工作電壓等信號進行實時顯示，以此實現對采煤機工作狀態的實時控制。目前，所設計的電控系統具有較大的數據存儲能力和信號分析能力，且運行較為穩定，各傳輸數據之間也采用專門的通訊協議，由此，保障了電控系統的綜合性能，也大大提高了采煤機的開采效率。

2 采煤機電控系統總體方案設計

結合采煤電控系統的結構特點和工作原理，在現有市場上采煤機電控系統基礎上，對電控系統進行了優化升級設計，其系統結構主要包括關量電路、數據采集單元、電源模塊、模擬量電路、CPU核心控制單元、通信電路、I/O控制單元等部分。其中，數據采集單元中設置了多種傳感器，可對采煤機中的工作電流、工作溫度、工作電壓、線路是否漏電等情況進行數據采集，基本包含了采煤機運行過程中主要數據參數的采集。而CPU核心控制單元則主要負責整個系統中采集數據的運算、判斷、相關通訊協議的連接控制及轉換、處理結果傳輸至人機顯示界面等功能，其處理器采用的是500 MHz，具有較高的處理速度；另外，該電控系統的電源模塊中設置了AC/DC轉換器，可將交流市電轉為24 V的直流電壓，再通過設計的DC/DC和電容濾波進行降壓，最終轉為為不同等級的電壓值，包括3 V、6 V、12 V等，以此為控制系統中各元器件提供電源。整個采煤機電控系統的結構框架圖如圖1所示。

圖1 采煤機電控系統結構框架圖

3 采煤機電控系統關鍵模塊設計

3.1 CPU核心控制單元模塊

CPU核心控制單元是電控系統的硬件組成部分，主要負責電控系統中數據的存儲、數據的分析、數據的邏輯運算等工作，而處理器則是整個模塊中的重要部件。因此，整個模塊的處理器采用了32位RISC處理器，其主頻有500 MHz，配備了2×8個DMA通道和DMA專用通道，另外，在模塊中配備了2個高速存儲卡主機和多個定時器，MMC接口也進行了兩個的冗余設計，整個處理器能支撐ARM的雙指令集。所設計的CPU控制單元模塊具有處理速度快、存儲量大、性能穩定等特點，所選用的處理器已在國內諸多采煤機設備中進行了廣泛應用。由此，完成了電控系統CPU核心控制單元的設計。

3.2 電源模塊設計

由于電控系統中包含了較多類型的不同種類的用電部件，對電控系統提供較為全面的不同等級電源，能有效保證系統中各部件的正常運行。同時，在電控系統電源模塊設計時，需將強電和弱電進行充分隔離，以提高系統運行的穩定性和安全性。所設計的電源模塊，配備了AC/DC轉換器，可將外部220 V交流電流轉換為低電壓的直流電流。在整個電控系統中，顯示界面和各類繼電器等設備主要采用的是24 V電源，而其他用電設備基本采用的是5 V電壓，因此，可首先通過AC/DC轉換器，將交流電源轉換為24 V直流電源，以滿足24 V用電設備的使用需求，同時，通過降壓和電容濾波后，再將24 V電源轉換為5 V電源，以滿足其他設備的用電需求。為保證電壓降低過程中的安全性，在交流轉直流過程中，設計了保險絲，以防止過大電流的影響。另外，在5 V輸出端增加了陶瓷電容和電解電容，可有效保證輸出電壓的穩定性。最后，在整個電源模塊中，設計了對應電壓的電源指示燈。由此，完成了電控系統電源模塊的設計。

3.3 遙控器程序設計

遙控器程序是電控系統軟件系統的重要組成部分，因此，該程序進行了設計。電控系統開始后，首先對遙控器進入初始化狀態，并在電流為22uA狀態下進入休眠狀態，等待外部信號的輸入。當操作人員接受到操作命令后，開始對電控系統進行操作，通過手動方式，對系統中的單片機進行啟動或切斷操作，遙控器對輸入操作信號進行判斷，發出是否進入工作模式的命令，由此，激活系統中的無線模塊，并向主機發出相應的任務信號，通過顯示燈來提示是否完成任務發送。同時，遙控器通過對人機顯示界面上采煤機運行參數的信號分析，發出操作命令信號，當操作信號成功發送后，將通過遙控器上的顯示燈進行常亮顯示，由此，準確、快速完成采煤機相關操作信號的遠程發送和控制。遙控器數據接收程序設計流程圖如圖2所示。

圖2 電控系統遙控器程序設計流程圖

4 電控系統現場應用效果分析

根據前文的設計分析，完成了采煤機電控系統的系統設計，但其系統性基本為理論分析，為進一步掌握其系統的控制性能，將其在淮北礦業中采煤機上進行了應用測試，首先在采煤機上安裝各類傳感器設備，通過專門的信號傳輸線，將整個系統硬件和軟件進行快速連接，完成了采煤機電控系統將近6個月的現場應用測試，測試結果表明，該電控系統各項功能運行正常，且能對采煤機的工作電壓、電機功率、電機溫度、設備振動情況等信號進行準確采集和顯示，針對采煤機設備發生故障問題時，能及時發出相應的報警提示；同時，在顯示界面中，能準確的將各類信息進行實時顯示，所反映的數據信息基本包括了采煤機運行過程中的所有狀態信息。據現場人員介紹，該控制系統在運行過程中，采煤機的發生的故障率降低了65%左右，整體生產效率提高了30%，初步估算，半年后，為企業增加了將近50萬的經濟效益，并得到了該煤礦工作人員的一致好評。由此，驗證了所設計的采煤機電控系統在一定程度上具有較好的可行性。

5 結 論

提高采煤機電控系統的綜合性能，是當下保證采煤機高效率煤礦開采的重要基礎。因此，采用現有的控制技術，對采煤機電控系統中的總體方案、CPU 核心控制單元、電源模塊、遙控器程序等方面進行了設計研究及現場應用測試，得出：

(1) 該電控系統功能更加全面，控制精度更高，智能化遠程控制能力更強。

(2) 該電控系統的應用，使企業的生產效率提高了30%，增加企業經濟效益50萬左右，得到行業人員的一致好評。

(3) 該系統可在其他采煤機上進行推廣應用，也對提高采煤機的工作效率及作業安全具有重要作用。