煤礦井下采掘設備電控系統的設計

張 鵬

(山西煤炭進出口集團 煤炭銷售分公司， 山西 長治 046000)

0 引言

煤炭資源的采掘與生產在我國工業經濟發展中一直占據著重要的位置，先進的井下開采設備和智能化控制系統是提高煤礦挖采效率的前提。目前我國的煤礦開采技術信息化、自動化程度還不夠高，人力投入生產的比例依然較大。

本文設計了煤礦井下采掘設備電控系統，主要利用CAN總線技術，并結合各類傳感器和高集成控制器，實現了井下開采設備的遠程操控、故障預警、工況監測以及網絡通訊等。通過智能化的電氣控制系統可進一步提升煤礦采掘設備的自動化水平。

1 控制系統總體設計方案

本文所提出的控制系統按照不同分工進行分布式布局，使得每個分布模塊可單獨成為一個系統，可由從控制器直接控制，最終統一受主控制器的管理調配。該設計方案具有以下優點：當系統某部分發生故障時，該模塊直接通過從控制器退出，降低了故障影響范圍，使系統的可靠性得到提升；系統擴展方便靈活，通過加載或刪除模塊即可實現；將原有的集中一體式電控箱拆分成主電控箱和若干從電控箱，系統維護和檢修方便，可靠性更高。圖1為煤礦井下采掘設備電控系統整體結構框圖。

圖1 井下采掘設備電控系統整體結構框圖

2 硬件模塊設計

2.1 控制器模塊

系統的控制模塊主要分為兩部分：一部分為主控制器，用于管理調配整個電氣控制系統；另一部分為各模塊的從控制器，同樣具有邏輯控制功能和I/O接口，用于系統各功能模塊的控制和信息采集，并受主控制器調配控制。

主控器分為上位機和隔爆兼本安電源兩部分：上位機主要負責各分控制器的控制和信息采集，可對系統各設備以及開關量進行實時監控和預警[1]；隔爆兼本安電源為整個系統的運行提供電能。

分控制器可完成對電動機、變頻設備、語音通信電話、各類傳感器等應用設備的控制和監測，可通過添加I/O口來增加負載設備，并受主控器命令調配。

2.2 遠程控制箱模塊

在對非本安設備進行控制時，需要在從控制器與設備開關之間設置遠程控制箱，用于電氣隔離與轉換。遠程控制箱內集成了CAN通訊控制模塊和電路轉換模塊，電纜側數據首先通過CAN通訊模塊進行交換[2]，交換后的信號用于控制電路轉換模塊的工作狀態，實現電壓從低到高的轉換，達到低電壓輸入、高電壓輸出的目的，從而控制非本安設備。

2.3 傳感器模塊

傳感器可實現對系統內各采掘設備工況參數的采集，并將數據傳輸至控制模塊。當設備工作狀態異常或發生故障時，傳感器可以及時檢測到并發出預警信號，由控制模塊發送急停指令，保護設備不受到嚴重損害。本控制系統主要采用的傳感器有壓力傳感器、速度傳感器、液位傳感器、溫度傳感器和煙霧傳感器等[3]，這些傳感器需要根據現場情況進行布設檢測。壓力傳感器用于檢測水壓、油壓等壓力值，當壓力值超過閾值，即發送預警信號并停止設備運行；速度傳感器用于檢測采煤機、刮板輸送機等采掘設備的角速度或線速度；液位傳感器用于檢測油箱、水箱液面位置，防止出現吸空現象；溫度傳感器用于檢測主要采掘設備的油溫變化，例如液壓油箱溫度、減速器齒輪潤滑油溫度等；煙霧傳感器用于檢測井下現場的煙霧濃度值，當超過閾值時向控制器發出預警信號[4]。

2.4 人機交互模塊

人機交互包含監控顯示屏和操作平臺兩個部分。在系統控制總線末端設置液晶顯示屏，將傳感器采集處理后的數據通過顯示屏實時動態地顯示，從而使操作人員可以總攬全局，實現對煤礦主要設備工作狀態的監測。控制系統具有兩種不同的操控類型，分別為本機操控和遙控操控，操控方式可通過操控平臺模塊上設置的操控方式轉換開關來進行切換。當本機操作模式開啟時，可直接通過操作平臺上的功能按鈕實現對采掘設備的控制，如設備的啟停、故障預警、故障診斷等操作；當采用遙控模式時，信號發射器將需要執行的控制指令輸送到接收機上，接收機再將指令發送到主控制器中，主控器根據接收到的指令進行相應操作，信號的傳輸全部以CAN總線方式完成。

2.5 急停閉鎖模塊

當系統突發緊急情況時，系統需要直接通過急停按鈕或拉緊沿線鋪設的電纜對設備進行緊急停止和沿線閉鎖等操作[5]。沿線敷設的電纜直接與采掘設備連接，急停閉鎖指令以CAN總線方式進行傳輸，急停閉鎖模塊接線圖如圖2所示。圖2中，觸點1、2為系統的電源開關，觸點3為閉鎖開關，當SA1動作時，觸點1、2、3分別與觸點7、8、9閉合，此時設備電源關閉，同時系統閉合鎖定，只有當緊急情況解除后，需通過認證解鎖系統才能恢復正常運行。

2.6 語音電話模塊

語音通信電話用于平時井下現場各工作節點間工作人員的語音通話以及地面管理人員開采現場的通話，以保證必要的信息傳達和聯系。當發生緊急情況時，還可從地面通過語音對現場人員進行報警，現場人員也可及時將情況通過語音返還至地面管理站。語音設備全部與總線電纜連接，通過CAN總線通訊方式完成語音信息的發送和接收[6]。

圖2 急停閉鎖模塊接線圖

3 軟件方案設計

系統中的各種設備和傳感器的數據傳輸在進行A/D轉換后通過CAN總線與總控制器進行通訊[7]，總控制器通過接收到的信息對整個系統中的井下采掘設備進行實時的監測和控制。圖3為系統工作流程圖。

圖3 系統流程圖

系統上電后，程序首先對控制器CPU和信號收發器進行初始化操作，以此來設定CPU的引腳參數和控制模式；然后對采集各設備狀態的各類傳感器進行分段計時掃描，并由控制器CPU讀取模擬信號，再通過A/D轉換為數字信號；信號采集轉換完成后，通過CAN總線將得到的數字信號發送至信號收發器目標地址，當目標節點接收到報文后，應答幀通過CAN總線返回至發送節點，完成電壓信號一幀報文的接收[8]；當節點接收到報文并解碼后，將數據發送至控制器CPU進行判斷，若接收到的參數信息低于設定閾值，則將參數值實時顯示在液晶屏上，若超過閾值，則發出報警信號并對程序執行中斷指令，對系統故障點進行排查維護，實現采掘設備參數的實時監測和故障預警。

4 結束語

本文針對傳統采掘設備電氣控制系統隱藏的故障點多、靈活度低等缺陷，以CAN總線為通訊控制方式，綜合利用傳感器技術，設計了一套井下采掘設備電控系統，實現了對井下采掘設備運行狀態的自動化監

測和運行操作的智能化控制。本系統各種功能實現了模塊化，顯示和操作界面簡潔，可實現良好的人機交互，完全滿足對采掘設備工況檢測和自動控制的需求。