700型采煤機使用過程中的電控系統應用研究

茹鵬

（晉能控股晉城煤炭事業部 晉圣上孔煤業有限公司，山西 晉城048000）

1 概 況

采煤機是煤礦開采中的重要設備，安全高效運行是保障礦井高效率開采的關鍵。市場上應用較為廣泛的采煤機為螺旋滾筒式采煤機機構，主要通過滾削原理來實現對煤礦的開采。以700型采煤機為分析對象，結構包括了滾筒、截割電機、搖臂機構、行走部、變頻箱、開關箱、變壓器等部分，開關箱是采煤機通斷電、動力控制的關鍵部分，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，負責采煤機搖臂升級、前進后退行走的控制操作。由各個分系統組成的控制系統是實現采煤機各類操作動作的關鍵，但該型采煤機控制系統存在控制精度較低、響應速度較慢、報警功能較單一等問題，在采煤機作業過程中，無法及時對故障進行異常報警、故障定位及排除，整體控制性能比較落后。針對這些情況，對控制系統進行升級改進。

2 總體方案設計

根據采煤機的作業工況，對該設備的電氣控制系統進行了總體設計。設計的控制系統包括控制器、GUI界面顯示器、模擬量采集模塊、信號采集模塊、開關量采集模塊、開關量輸出模塊、CAN總線通訊模塊等部分，信號采集模塊主要負責對采煤機中截割電機溫度、牽引電機溫度、變壓器溫度等進行實時數據檢測，模擬量采集模塊主要負責對進水壓力、冷卻水壓力、軸傾角等參數進行檢測。采集的數據信號通過CAN總線方式輸送至RAM處理器，通過處理器將電信號向數字信號轉換后，結合所設計的計算公式進行數據的分析、判斷和處理，處理結果通過控制模塊傳輸至遙控器、液晶顯示器。當遙控器接收到遙控信息后，利用控制單元通過CAN總線進行控制信號發送，在開關量輸出模塊中進行電信號轉換后，傳輸至各類變頻器、電磁閥、繼電器、接觸器等執行部件中，實現對各部件的遠程自動控制操作。通過控制系統中的主變頻器部件，利用開關量采集模塊能實現對電機漏電、超溫節點、報警節點等信號的控制。整個控制系統的總體方案如圖1所示。

圖1 控制系統總體方案Fig.1 Overall scheme of control system

3 控制系統關鍵部分設計

3.1 主控制模塊設計

主控模塊是整個控制系統的核心部分，集成了微處理器、開關量輸出模塊、開關量輸出模塊、電源模塊、LCD顯示接口、CAN總線通訊模塊等，其基礎是基于PCB電路板和層疊結構進行設計，通過各分模塊的相互連接，形成一套系統的主控模塊，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、開關量采集模塊等方面的數據信息，接收鍵盤、按鍵及遙控器等硬件輸入的控制命令，經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行單元中。LCD顯示器能實時收集采煤機的各類操作狀態及設備運行狀態數據信息，完成整個控制系統的數據接收、處理分析及數據發送等操作。

3.2 CAN總線通信單元設計

針對700型采煤機電氣控制系統，選用CAN總線進行設備的現場通訊。通訊單元模塊選用SJA1000型總線控制芯片，并與TJA1040型高速收發器進行控制驅動，支持CAN2.0通訊協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，能實現通訊及數據采集和控制。在該電路中，對每個CAN節點采用了專用的CAN隔離接收器，提高網絡抗干擾性能。電路中，FGND為屏蔽接地，CGND為收發器接地，保障整個電路的運行安全。

3.3 ARM處理器選型設計

根據該控制系統的現場使用情況，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，具有數據運算效率高、數據處理量大等特點。該處理器采用了32位指令，工作頻率為72Hz，內部集成了512KB的Flash閃存。處理器能通過AHB1總線進行SRAM、USB3.0等接口擴展，通過AHB2進行以太網的功能擴展。該處理器主要作為采煤機控制系統中的主控制CPU，能將接收的電信號轉化為數字信號，并對采集數據進行分析處理，判斷結果直接傳輸至GUI控制界面中，若采煤機出現異常故障情況時，該處理能將故障處理信號發送至報警器中，以實現對采煤機運行狀態的實時顯示和報警。ARM處理器內部結構如圖4所示。

圖4 ARM處理器內部結構Fig.4 Internal structure of ARMprocessor

4 控制系統應用評價

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

實踐表明，該控制系統運行良好，能實時、準確的對采煤機作業狀態進行顯示和控制，對數據的采集及分析處理能力較快，所設計的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。當采煤機出現油溫過高、截割失效等異常情況時，系統可以針對性的切斷采煤機的應急電源或主電源，并及時發出相應的報警提示。

經過6個月左右的應用測試，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行操作控制，降低了人員的勞動強度，整體控制性能達到了預期效果。

5 結 語

隨著控制技術的不斷升級，開展采煤機控制系統的升級設計研究，已成為當前提高采煤機作業效率及安全性的重要方向。在分析晉圣上孔煤業700型采煤機結構特點基礎上，對采煤機作業過程中的控制系統進行了總體方案及關鍵分系統設計。通過在晉圣上孔煤業的實際應用表明，該控制系統運行良好，能實時準確的對采煤機的遠程控制及狀態顯示，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效率及安全性，達到了預期控制效果。