基于CAN 總線的MG400930型采煤機控制系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用研究

楊旭艷

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046699）

引言

采煤機作為井下煤礦開采的重要設(shè)備，保證其具有較高的煤礦開采效率及控制功能，對提高煤礦開采量至關(guān)重要[1]。但由于井下環(huán)境相對復(fù)雜，采煤機所開采煤層硬度無規(guī)律，加上會有瓦斯、一氧化碳、粉煤灰等氣體或顆粒物的聚集，井下通風(fēng)性能也相對較差，導(dǎo)致當(dāng)前采煤機在作業(yè)時經(jīng)常出現(xiàn)電機溫度過高、作業(yè)壓力較大、電機燒壞或短路等故障現(xiàn)象，且整個采煤機的控制過程基本需在井下現(xiàn)場完成，尚未與當(dāng)前智能化煤礦開采系統(tǒng)進行集成控制，采煤機的控制功能及智能化程度整體較低，不能滿足井下煤礦的開采需求。結(jié)合當(dāng)前更加成熟的控制技術(shù)，實現(xiàn)采煤機控制系統(tǒng)的升級優(yōu)化，提高采煤機自動化及智能化控制能力，已成為當(dāng)前重要的發(fā)展方向[2]。為此，在分析MG400930型采煤機控制系統(tǒng)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，開展了采煤機控制系統(tǒng)優(yōu)化升級設(shè)計及關(guān)鍵模塊的研究，并對新控制系統(tǒng)進行了現(xiàn)場應(yīng)用測試。此研究對提高采煤機的開采效率、降低設(shè)備故障率具有重要意義。

1 當(dāng)前采煤機控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

由于井下作業(yè)工況相對復(fù)雜、作業(yè)時間相對較長，加上經(jīng)常受到外界超負荷的沖擊作用，導(dǎo)致當(dāng)前采煤機中的控制系統(tǒng)已無法滿足井下的煤礦開采作業(yè)需求。設(shè)備的整體控制功能及穩(wěn)定性相對落后，以MG400930型采煤機中控制系統(tǒng)為分析對象，在其使用中主要存在如下幾點問題：

1）采煤機控制系統(tǒng)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(yè)安全，提高故障排除效率具有較大的局限性[3]；

2）當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)僅能實現(xiàn)對刮板輸送機部分參數(shù)的就地監(jiān)控，無法將采集數(shù)據(jù)傳輸至遠端的控制中心，也未與整個煤礦監(jiān)控系統(tǒng)進行集成化一體統(tǒng)一設(shè)計及遠程管理[3]；

3）現(xiàn)有控制系統(tǒng)大多只實現(xiàn)了對采煤機截割速度、電機溫度等基本參數(shù)的現(xiàn)場檢測，所采集的數(shù)據(jù)量相對較少，且未實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控功能[4]；

4）由于井下環(huán)境的相對復(fù)雜，所設(shè)計控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中存在較大信號干擾，且所采集數(shù)據(jù)的準確性和實時性也相對較差，極容易出現(xiàn)信息誤報問題[5]。

5）設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)大多能實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的顯示，但存在采集及分析處理數(shù)據(jù)無法實時保存、顯示界面內(nèi)容無法調(diào)整等問題，同時，人員無法通過顯示屏對設(shè)備的安全控制功能進行操作控制。

因此有必要利用當(dāng)前更加成熟的控制技術(shù)，對采煤機的控制系統(tǒng)進行優(yōu)化升級設(shè)計，以提高設(shè)備的生產(chǎn)效率及作業(yè)安全性。

2 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

為進一步提高采煤機控制系統(tǒng)的控制功能及控制精度，開展了采煤機控制系統(tǒng)的升級設(shè)計研究。升級后的控制系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計，包括信號采集模塊、模擬量輸入/輸出模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、控制單元、溫度調(diào)節(jié)模塊、CAN 總線通訊模塊等，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(zé)對采煤機作業(yè)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)進行實時采集，所采集數(shù)據(jù)經(jīng)過CAN 總線傳輸至PLC 控制器中進行信號的轉(zhuǎn)換、分析及處理。處理模塊則主要利用PLC 控制器進行控制操作，選用了西門子的S7-300型，能有效保證對整個井下作業(yè)的控制及運算需求。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集及分析運算后的信號在CAN總線網(wǎng)絡(luò)中傳輸至GUI 顯示界面中，人員可通過GUI 界面對采煤機的運行狀態(tài)及故障異常情況進行實時觀察，并根據(jù)實際情況對采煤機執(zhí)行相應(yīng)的控制命令。同時，此系統(tǒng)增設(shè)了溫度、壓力、速度等參數(shù)的異常報警功能，能及時發(fā)出相應(yīng)的聲光報警提示和故障位置精準定位顯示。同時，系統(tǒng)內(nèi)部的各類信號之間的接收和傳輸則主要通過CAN 總線網(wǎng)絡(luò)進行相互交換，不僅提高了信號傳輸?shù)乃俣龋苍黾恿藗鬏斝盘柕姆€(wěn)定性[6]。另外，在此控制系統(tǒng)設(shè)計中采用了三機熱備份的工作方式，可同時接入三個主控模塊，當(dāng)主控模塊L 出現(xiàn)故障時，可立即啟動備用的主控模塊R 和主控模塊M，以保證整個采煤機能實時高效地完成內(nèi)部數(shù)據(jù)的分析及運算處理。變頻器選用了ACS800型變頻器，通過CAN 總線方式接入控制系統(tǒng)中。采煤機控制系統(tǒng)中主控制模塊結(jié)構(gòu)框架圖如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)中主控制模塊結(jié)構(gòu)框架圖

3 控制系統(tǒng)分系統(tǒng)設(shè)計

3.1 模擬量模塊設(shè)計

由于采煤機作業(yè)時所需控制的參數(shù)相對較多，故在控制系統(tǒng)設(shè)計過程中需對較多模擬量參數(shù)進行信號采集，包括溫度、濕度、電流、電機功率、作業(yè)位置等參數(shù)，設(shè)計了包含24 路的模擬量信號采集模塊。此模塊包括了信號采集部分、供電電源部分、AD轉(zhuǎn)換部分、微控制器部分及隔離CAN 總線部分，其輸入電壓為0～5 V 標準電壓信號，電流值為4～20 mA，在采集到了相關(guān)模擬量信號后，經(jīng)過模塊內(nèi)部的信號處理電路進行收集處理，利用隔離AD 轉(zhuǎn)換器能將采集的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳輸至所匹配的LPC2368 微控制器中進行數(shù)字信號的分析，最終利用隔離CAN 接口將信號實時傳輸至下一個模塊中。整個模擬量模塊的框架圖如圖2 所示。

圖2 模擬量模塊框架結(jié)構(gòu)圖

3.2 溫度調(diào)節(jié)電路設(shè)計

采煤機在作業(yè)過程中經(jīng)常會出現(xiàn)工作溫度過高等問題，如采煤機搖臂電機高速軸承溫度、牽引電機軸承溫度、截割電機溫度、電控箱溫度等，故在采煤機控制系統(tǒng)中設(shè)計了溫度調(diào)節(jié)電路來實現(xiàn)對各部位溫度的采集及檢測。選用的采集單元為PT100 溫度傳感器，該傳感器設(shè)置有自動斷開功能，當(dāng)溫度超過155 ℃時，該傳感器能自動斷開，儀器具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、不易損壞等特點。在溫度調(diào)節(jié)電路設(shè)計過程中，首先將PT100 接入至SADC7 和+5V1G之間，并與D5 及C47 進行并聯(lián)，可保證整個調(diào)節(jié)電路具有較高的抗干擾性及安全性。同時，通過R59、R66 等電阻與PT100 傳感器之間組成了一個電橋，當(dāng)傳感器受到溫度影響較大時，此電橋能產(chǎn)生電壓偏差來保證信號的穩(wěn)定性。另外，也通過多個電阻及OP06 組成了一個差分放大電路，能將所檢測電壓信號進行放大，以獲得更加準確的檢測結(jié)果。整個控制系統(tǒng)中的溫度調(diào)節(jié)電路如圖3 所示。

圖3 溫度調(diào)節(jié)電路圖

3.3 開關(guān)量輸出模塊設(shè)計

采煤機在作業(yè)過程中需執(zhí)行多種控制信號的輸出指令，故需設(shè)計獨立的開關(guān)量輸出模塊來接收控制器經(jīng)過處理后的控制命令信號。故所設(shè)計的開關(guān)量輸出模塊包括供電電源、LPC2368型微控制器、CAN 總線通訊接口、驅(qū)動芯片、繼電器等，所接收的控制信號包括采煤機中左右升電磁閥、左右降電磁閥、左右截割啟動繼電器、泵開關(guān)繼電器等，其信號輸入采用了CAN 總線方式進行輸入，經(jīng)過分析處理后通過繼電器進行信號輸出。在整個模塊設(shè)計中，將微控制器的LPC2368 與轉(zhuǎn)換芯片74HC595的輸入接口進行串并轉(zhuǎn)換連接，所輸出的信號則直接與驅(qū)動芯片UNL2803 進行連接，可將輸出信號進行放大，而驅(qū)動芯片UNL2803 則主要安裝在PCB 板上。整個開關(guān)量輸出模塊的電路圖及實物如圖4 和圖5所示。

圖4 開關(guān)量輸出模塊電路圖

圖5 開關(guān)量輸出模塊PCB 板圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用測試

為驗證升級后采煤機控制系統(tǒng)的可靠性，將該控制系統(tǒng)在MG400930型采煤機中進行了系統(tǒng)的集成應(yīng)用研究，測試周期為5 個月。在測試期間，該控制系統(tǒng)各項功能運行正常，所采集數(shù)據(jù)的準確性及精度更高，數(shù)據(jù)傳輸速度更快，能實時地將采煤機作業(yè)狀態(tài)、工作位移及多項參數(shù)等進行遠程傳輸及監(jiān)控顯示，針對采煤機出現(xiàn)的異常故障現(xiàn)象，該控制系統(tǒng)除了能及時發(fā)出相應(yīng)的報警提示外，也能將故障類型及故障位置通過顯示界面進行實時顯示，人員只需通過遠程方式掌握采煤機的運行情況，并有針對性地對采煤機故障情況進行快速排除，大大提高了設(shè)備的故障排除效率及安全性；同時，在測試期間，整個采煤機的故障發(fā)生率也同比下降了40%以上，所體現(xiàn)出的自動化及智能化程度較為明顯，整體控制效果達到了預(yù)期效果。

5 結(jié)語

為進一步提高采煤機的開采效率及作業(yè)安全，實現(xiàn)采煤機的自動化控制作業(yè)，在分析現(xiàn)有MG400930型采煤機控制系統(tǒng)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，開展了采煤機控制系統(tǒng)總體方案及關(guān)鍵模塊的升級設(shè)計研究，并將改進后的控制系統(tǒng)進行了應(yīng)用測試驗證，結(jié)果表明：新系統(tǒng)功能更加全面且穩(wěn)定，整體智能化程度更高，有效降低了采煤機的故障發(fā)生率，實現(xiàn)了設(shè)備的自動異常報警及故障定位，整體控制效果更好，達到了預(yù)期效果。此研究對提高采煤機開采效率及作業(yè)安全性具有重要意義，實際推廣應(yīng)用價值較大。