采煤機運行過程控制系統的設計與應用

趙 磊

（山西省霍州煤電汾河焦煤有限公司三交河煤礦，山西 洪洞 031400）

引言

采煤機是煤礦開采中的重要設備，保證采煤機的高效率、高智能化、低故障率，是增加煤礦開采量、實現企業經濟效益增漲的關鍵[1]。目前，市場上使用的采煤機種類較多，加上井下作業環境的惡劣，以及部分煤礦企業無更多資金投入到煤礦設備的開發中，導致當前采煤機的整體控制性能相對較低，使用時經常出現各類故障，嚴重影響著煤礦的開采效率及井下作業安全[2]。采煤機一旦停機維修，將會直接導致該區域的井下煤礦開采出現癱瘓，嚴重影響著井下的煤礦開采量。為此，結合當前更加成熟的自動化控制技術，開展了采煤機控制系統的升級設計研究和新系統的現場應用測試，驗證了新控制系統的可靠性及穩定性，對保證采煤機的高效開采作業具有重要價值。

1 現有采煤機控制系統存在問題

采煤機作為煤礦開采中的關鍵設備，其結構主要包括截割部分、行走部部分、驅動電機、控制系統、液壓系統等，但市場上現有的較多采煤機設備在實際運行過程中，控制系統整體相對落后，存在較多問題，具體如下：

1）當前控制系統所采用的控制器處理能力相對較差，針對采煤機運行過程中所產生的較多數據信號，無法快速、精準地進行分析計算處理[3]；

2）現有控制系統大多只實現了對采煤機截割速度、電機溫度等基本參數的現場檢測，所采集的數據量相對較少，且未實現采集數據的遠程監控功能；

3）現有控制系統基本未實現數據通過RS485接口和CAN 通訊網絡進行遠程數據傳輸的功能，檢測數據在傳輸過程中存在信號失真、干擾信號較多等問題，最終所處理的信號準確性相對較差，無法準確反應出采煤機的作業狀態[4]；

4）采煤機控制系統所具有的報警功能單一，僅能完成采煤機溫度、速度、油壓等基本故障的報警提示，無法完成更多故障類型的顯示及報警提示，這對保證采煤機的作業安全，提高故障排除效率具有較大的局限性[5]。

隨著當前自動化、智能化控制技術的不斷提升，實現采煤機控制系統的升級更新，已成為當前提升設備綜合性能的必然發展方向。

2 控制系統總體設計

為提高采煤機電氣控制系統的綜合性能，開展了控制系統的升級設計研究。所設計的控制系統包括了信號采集模塊、信號處理模塊、微處理器、GUI顯示界面、電壓處理模塊等分系統部分。其中，信號采集模塊中配備了多種溫度傳感器、振動傳感器、速度傳感器、油壓傳感器、電壓傳感器等，主要負責對采煤機作業過程中的相關數據參數進行實時采集，所采集數據經過CAN 總線傳輸至PLC 控制器中進行信號的轉換、分析及處理。其中，所匹配的PLC 控制器選用了西門子的S7-300型PLC 控制器進行數據信息的處理，具有較高的運算速度及響應精度。在控制系統中的模擬量采集模塊采用了7 路模擬量設計，能提供4～40 mA 電流信號和0～5 V 電壓信號，16路開關量輸入，模擬量的采集周期設計為了300 ms，CAN 總線的最大傳輸距離超過了500 m，能快速完成對采煤機各類數據的采集及傳輸[6]。所有采集數據均需在分析處理后傳輸至GUI 顯示界面中，實現對采煤機運行狀態的直觀顯示，針對設備運行中出現的故障問題，也能及時發出相應的報警提示。整套系統的智能化控制水平顯著提高。控制系統的總體框架圖如下頁圖1 所示。

圖1 控制系統總體框架圖

3 控制系統主要部分設計

3.1 開關量輸入模塊設計

開關量輸入模塊主要負責為采煤機運行過程中電控系統提供多路開關控制功能，包括電機漏電節點、電機超溫節點、冷卻水流量節點、語音報警節點、截割電機節點、漏電電流等，整個模塊結構包括了電源部分、LPC2368 控制器部分、CAN 通訊、信號處理等部分，整體電路結構相對簡單，能準確、實時地對信號進行控制操作。在電路中，并聯設計了TVS 管D39，可用于防止瞬態電壓的產生，防止開關量的擾動。同時，設計了PC817 光電耦合器和二極管D10等，以防止電路出現反相擊穿現象。另外，在電路中進行了移動平均濾波設計，當采集到連續相同開關信號后，方可確認開關量狀態發生變化。開關量輸入模塊的電路圖如圖2 所示。

圖2 開關量輸入模塊的電路圖

3.2 電壓及電流處理電路設計

采煤機運行過程中由于涉及到較多的信號參數，包括各類油泵壓力、搖臂傾角、低油壓、泵電機電流、溫度傳感器等，此項參數均需外部提供穩定的電壓及電流信號，而電壓及電流參數則需經過信號調節及AD 轉換后，方可直接使用。故需設計一套控制系統中的電壓及電流處理信號。該信號處理電路包括了多個R 電阻、二極管、電容等元器件，能將外部輸入的電信號調整轉換為數字信號，轉換后的電路電壓為0～24VDC，電流信號為4～20 mA，以為整個控制系統中的相關元器件提供穩定的電壓及電流。電壓、電流的處理電路如圖3 所示。

圖3 電壓、電流處理電路圖

3.3 控制系統GUI 程序設計

控制系統的GUI 界面主要負責對采煤機運行過程中所采集的數據進行實時顯示和控制。故在GUI 界面設計中，主要基于LCD 驅動接口進行了設計，LCD 屏幕分辨率可達320*234，液晶顯示模式，分配了文本顯存，并在界面中設計了設置、上下左右、確定、報警等功能按鍵。同時，在GUI 界面的后臺程序中，采用了LOC2368 和ROM和RAM存儲容量設計，按鈕控件、列表控件及網絡控件等，能直觀對輸入信號、輸出信號、狀態信號等進行顯示。為此實現GUI 界面的正常運行，采用了STEPS 軟件，對GUI 界面進行了程序編輯。由此，從硬件及軟件方面完成了GUI 界面的設計。

4 控制系統的現場應用

在完成控制系統的總體設計后，將該控制系統在采煤機中進行了系統的集成應用研究。主要是將該控制系統程序導入至采煤機中，并在采煤機上增加相應的采集傳感器、更換控制器及增加GUI 顯示界面等內容，測試周期為5 個月。在此測試期間，整套控制系統全面實現了對采煤機運行過程中的各類工作狀態及參數的實時監控和顯示，系統對數據的采集精度和處理速度相對較快，與原有控制系統相比，系統的處理能力更強，顯示參數更多。針對采煤機運行時出現的異常故障問題，該系統也能通過GUI 顯示界面進行故障類型及故障發生位置提示，相關人員僅需根據顯示內容快速對故障問題進行維修處理。在測試期間，采煤機的故障率同比降低了45%，采煤機效率也得到明顯提升，減少了操作人員及維修人員的勞動強度。這對提高采煤機的作業效率及安全性具有重要意義。驗證了此系統的可靠性及可行性。

5 結論

1）該控制系統具有更高的智能化控制能力，功能更加全面，對數據的采集及分析處理能力更強；

2）該控制系統的應用，提高了對采煤機的故障報警率，加快了人員對采煤機故障的排除效率；

3）該控制系統的應用，采煤機的故障發生率降低了將近45%，減輕了作業及維修人員的勞動強度，實現了對采煤機的遠程檢測控制；

4）該研究可對提高采煤機的開采效率及作業安全性具有重要意義，也可為進一步開展采煤機控制功能的升級改進設計提供重要參考。