采煤機分布式控制系統設計與應用研究

張文元

(西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089)

在我國的能源結構體系中，煤炭資源始終占據第一重要位置，在可預見的未來，煤炭作為第一能源的現狀基本不會出現顛覆性的變化。采煤機是煤礦開采過程中非常重要的設備，隨著社會對煤炭資源需求量的不斷增加，對采煤機生產效率的要求也越來越高[1]。為順應社會發展，當前使用的采煤機性能越來越優越，是集液壓、電氣和機械于一體的綜合裝備。如此復雜的裝備，如何對其進行精確、高效的控制是一個難度較大的問題，也是煤礦企業提升采煤效率的瓶頸[2-3]。近幾年來，我國煤礦領域正由粗放型發展逐漸轉向精細化方向發展，對煤礦設備控制系統的要求越來越高。在此期間對采煤機控制系統進行了大量的研究，也取得了很多的成果[4]。筆者結合自己工作實踐，研究設計了一種分布式控制系統，并將其應用到采煤機工程實踐中，取得了很好的應用效果，對于提升采煤機的自動化水平具有重要的實踐意義。

1 采煤機分布式控制系統整體方案

1.1 分布式控制基本思想

根據對系統控制的集中程度，可以將控制系統分為集中控制系統和分布式控制系統。所謂集中控制系統，是將所有數據信息傳輸到控制器中進行分析和處理，控制指令也由該控制器發出。這種控制模式對控制器的CPU性能要求較高，必須具備高的可靠性，一旦控制器出現故障，整個控制系統就無法正常工作[5]。

分布式控制系統是將整個系統劃分成為不同部分，每個部分利用控制器進行單獨控制，再將每個控制器的數據進行匯總分析[6]。這種控制模式具有分散控制、集中管理的優勢，能有效規避集中控制系統在實踐中暴露出的缺陷。采煤機是一個非常復雜的系統，涉及到機械控制、電機控制等，非常適合采用分布式控制系統。在設計采煤機分布式控制系統時，充分利用采煤機當前已有的各種控制系統，對這些系統進行整合，實現集中管理[7]。

1.2 分布式控制系統整體框架

在采煤機已有的多個控制系統的基礎上，開發分布式控制系統，對原系統的整體框架、硬件選型及功能進行優化設計。新系統的控制器為32位，可以實現DSP+FPGA并行運算，性能優越，其中主控制器和從控制器分別為DX-M3530型和DX-M302型。該控制器的CPU具有超強的計算能力，計算次數可以超過5億次/s，總共設置了8路CAN總線，可以利用USB接口和網絡接口實現數據信息的傳輸。采煤機分布式控制系統原理如圖1所示。

圖1 采煤機分布式控制系統原理Fig.1 Principle of distributed control system of coal shearer

為了確保數據信息的傳輸速度，設計的分布式控制系統采用CAN總線技術來構建網絡傳輸通道[8]。用傳感器對采煤機不同部位的運行狀態數據信息(包括溫度、油路、水路、電流、電壓、通信等數據)進行采集，不同控制單元之間通過CAN總線實現數據信息的交流與共享。通過對數據信息的綜合分析，能顯著提升系統控制的可靠性及正確性。采煤機是綜采工作面中最為關鍵和重要的設備，如何提升其運行過程的可靠性和穩定性是所有采煤企業面臨的重要問題。通過分布式控制系統可以實現采煤機不同部位的分布式控制，從而提升控制系統本身的可靠性，為采煤機穩定運行奠定堅實的基礎。

1.3 分布式控制系統網絡模型

通過調研和查閱文獻可以發現，當前階段采煤機控制系統中采用的網絡通信形式主要包括CAN總線、RS485、RS232等[9-10]。通過對不同網絡通信方式優點和缺點的對比，最終選用CAN總線作為本分布式控制系統的網絡通信形式，因為這種網絡通信模式可以解決不同控制系統與現場檢測裝置之間進行數據傳輸的問題。采煤機分布式控制系統的網絡模型如圖2所示。分布式控制系統由多個子系統共同構成，比如采集系統、遙控器系統、變頻器系統等。各子系統都具備CAN總線通信的功能，各子系統可以對系統內裝置的運行動態數據進行采集、分析處理，并下達控制指令。同時，各子系統之間還可以基于CAN-BUS實現數據信息的互聯互通?；诜植际娇刂葡到y，不僅可以對采煤機的運行狀態進行監測與控制，還可對系統進行拓展并配套使用軟件程序，實現采煤機的記憶結構、遠距離通信控制、自動牽引等功能，達到智能化生產的效果。

圖2 采煤機分布式控制系統的網絡模型Fig.2 Network model of distributed control system of coal shearer

2 基于CAN總線的控制器設計

2.1 控制器的技術參數

(1)主控制器。主控制器為DX-M3530型，該控制器配置的微處理器及內存分別為32位和6 M，具有多個CAN接口和串行接口，可以根據實際情況對處理器的拓展模塊進行靈活配置，滿足該系統的實際使用需要。DX-M3530型主控制器的優勢在于可以對分布式控制系統中的各種執行程序以及電壓進行監控?？刂破鞯墓╇婋妷簽?～32 V，內置的CPU處理器型號為TC1796，為32位，工作主頻為150 MHz，性能優越。具有CAN總線接口4個，RS485接口2個，RS232接口1個。

(2)從控制器。從控制器通過CAN總線實現與主控制器之間的連接，作用是對主控制器的性能和接口進行進一步擴展，以提升分布式控制系統的性能和擴展性。選用的從控制器型號為DX-M302，基于CAN-OPEN與主控制器進行連接。該控制器的供電電壓為8～32 V，內置的CPU處理器型號為XC2287，為32位，工作主頻為80 MHz。通信方面，具有CAN總線接口2個，RS232接口1個。

2.2 控制器工作流程設計

分布式控制系統設置有主控制器和從控制器，不同控制器負責完成不同的內容，兩者分工合作。其中，主控制器需要完成的任務主要包括采煤機通信，控制信號接收，控制傳感器并接收、處理傳感器的數據信息，對從控制器的運行狀況進行監測等。主控制器的工作流程如圖3所示。

從控制器需要完成的任務主要是采煤機自保、設備故障閉鎖、各個電機運行狀態監控等。從控制器的工作流程如圖4所示。

2個控制器間通過CAN總線實現數據信息交互。主控制器下達的控制指令需要經過從控制器才能夠對采煤機各電機的啟停進行控制，從控制器對采煤機的多個電機運行狀態進行實時監測，一旦發現電機參數存在安全隱患，則會立即啟動故障閉鎖功能，對設備進行停機處理。

2.3 控制器顯示部分設計

為了提升采煤機分布式控制系統應用的便捷性，結合實際情況設計了控制系統的軟件界面。軟件界面分為多個層級，不同層級顯示不同畫面。以下對主要功能進行簡要闡述。

圖3 主控制器的工作流程Fig.3 Work flow chart of the main controller

圖4 從控制器的工作流程Fig.4 Work flow chart of slave controller

(1)主界面。采煤機分布式控制系統主界面如圖5所示。由圖5可知，在該模塊可以實時顯示油泵、左牽引、右牽引、破碎機、變頻器等設備運行過程中的電流值以及溫度，還可以顯示工作面相關數據信息，包括工作面傾角、瓦斯濃度等。

圖5 采煤機控制系統界面Fig.5 Software interface of shearer control system

(2)遙控系統。該模塊可以對遙控器按鈕的輸入狀態進行監測顯示，還可顯示采煤機遙控器、端頭控制站的通信狀態信息。

(3)變頻器監測。該模塊可以對采煤機中使用的兩臺變頻器的運行參數信息進行實時顯示，查看變頻器狀態信息隨時間的演變曲線。

(4)參數設置。該模塊主要是對采煤機相關結構參數進行輸入設置，比如采煤機滾筒半徑、牽引中心距離、搖臂長度等。另外，還可輸入工作面相關參數，以便采煤機自動化運行，比如可以輸入工作面中使用的支架數量、支架寬度等信息。

(5)傳感器監測。對分布式控制系統中使用的傳感器運行狀態進行監測，可以查看這些傳感器監測得到的數據信息。

(6)采煤機歷史故障。采煤機運行過程中產生的故障信息，全部會存儲到數據服務器中以便后續調取查看。采煤機運行時，一旦控制系統檢測發現存在故障問題，立即會在軟件界面彈出警告信息，同時啟動故障閉鎖功能，自動轉入歷史故障界面。

3 分布式控制模塊的設計

3.1 分布模塊及其功能

(1)電源模塊。由于分布式控制系統內部包含有很多硬件，不同硬件對電源的要求存在一定差異。電源模塊的作用是將24 V DC電源轉換成為3.3 V DC和5 V DC的電源，供分布式控制系統不同硬件使用。

(2)通信模塊。通信模塊的作用是實現不同模塊之間數據信息的交互，系統中選用的CAN收發器芯片屬于隔離芯片。

(3)PT100檢測模塊。該模塊主要是對PT100運行過程中的溫度進行檢測，系統中共包含8路PT100接口，且全部使用三線制接法。

(4)傾角檢測模塊。該模塊的作用是對采煤機傾角進行實時檢測。選用ADXL362型加速度傳感器。

(5)溫濕度檢測模塊。該模塊的作用是對采煤機周圍環境中的溫度和濕度進行實時檢測，選用HDC1050型傳感器。

3.2 分布式模塊硬件

分布式控制模塊的硬件框架如圖6所示，從圖6中可以看出，分布式模塊硬件主要由傾角檢測模塊、電源模塊、PT100檢測模塊、CAN通信模塊、溫濕度檢測模塊等部分構成，以下針對這些模塊進行詳細介紹。

圖6 分布式控制模塊的硬件框架Fig.6 Hardware framework of the distributed control module

(1)電源緩沖電路。緩沖電路的作用是對硬件部分的輸入電源進行穩定處理，確保供電過程的穩定性。分布式模塊硬件部分電源緩沖電路基本原理如圖7所示。由圖7可知，24 V電源需要經過保險絲再通過肖特基二極管，防止電源反向供電。然后再通過電源緩沖電路，其中緩沖電路由3個元器件構成，分別為MOS管Q1、電阻R2、電容C1。

圖7 電源緩沖電路基本原理Fig.7 Basic schematic diagram of power buffer circuit

(2)CAN通信電路。CAN通信電路的作用是實現CAN總線的數據傳輸，CAN通信電路原理框架如圖8所示。U1是CAN通信電路中的核心模塊，可以對通信電路進行控制，選用的處理器型號為PIC18F45K80，該處理器內置有CAN模塊，非常適合本系統。CAN通信電路中的CAN收發器是非常重要的構成部分，會影響數據的收發效率和質量，結合實際情況選用的CAN收發器芯片型號為ISO1050。此芯片屬于隔離芯片，需要采用專門的隔離電源對其進行供電，系統中選用的隔離電源型號為B0505D-1W。CAN通信過程中需要使用ID撥碼和波特率撥碼，可以利用旋轉撥碼開關對上述2種撥碼形式進行控制。

圖8 CAN通信電路原理Fig.8 Block diagram of CAN communication circuit

(3)PT100檢測電路。系統中PT100采用三線制接法，為了確保PT100運行過程的可靠性和穩定性，需要對PT100運行過程中的溫度值進行檢測，PT100檢測電路原理如圖9所示。PT100運行時的電阻值受溫度的影響，兩者之間存在緊密關系，因此可以利用橋電路對PT100運行時的電阻值進行測量，再通過數據轉換，就可以測量得到其溫度值。檢測得到的電阻值為模擬量信號，需要利用A/D轉換模塊將其轉換成為數字量信號，該部分選用的轉換芯片為ADS7844N。另外，SPI通信線路需要利用CAN收發器芯片對其進行隔離，具體的芯片型號分別為ISO7220和ISO7221。同樣的，由于芯片屬于隔離芯片，需要采用專門的隔離電源對其進行供電，此部分選用的隔離電源型號為B0509D-1W。

圖9 PT100檢測電路原理Fig.9 Principle block diagram of PT100 detection circuit

(4)傾角和溫濕度檢測模塊。利用ADXL362加速度傳感器可以對采煤機的傾角進行實時檢測，利用HDC1050芯片可以對采煤機附近的溫度和濕度參數進行實時檢測。以上傳感器或者芯片分別通過SPI接口和I2C接口實現與MCU之間的連接，MCU可以對傳感器或者芯片中采集得到的數據信息進行采集。

4 應用效果

將上述的采煤機分布式控制系統設計方案在某煤礦工作面的采煤機中進行部署安裝。為了驗證控制系統的實踐效果，對其進行了連續6個月的現場監測。經過現場測試發現，控制系統的整體運行比較穩定，基本達到了預期效果，可以很好地對采煤機運行過程進行監測與控制。

(1)分布式控制系統可以準確、全面地對采煤機運行狀況進行實時監測與控制，軟件界面非常人性化，可以快速地在不同界面之間進行切換，方便監控人員查看數據信息。最重要的是，一旦采煤機出現安全隱患或者故障，軟件界面會立即彈出警告信息，并啟動緊急閉鎖功能，對工作人員進行提示，同時對設備進行保護。顯著提升了采煤機運行過程的自動化和智能化水平。

(2)應用分布式控制系統后，設備實現了自動化控制，其運行穩定性和可靠性有了顯著提升。根據6個月內統計的故障信息顯示，與應用系統前相比較，采煤機故障率降低了50%以上。為煤礦企業節省了大量的設備維護和保養成本，初步估算，6個月時間內為煤礦企業節省了50萬元左右的維修成本。另一方面，故障率降低的同時延長了采煤機的開機時間，為采煤效率的提升奠定了堅實的基礎，初步估算采煤能力提升了8.5%左右。

5 結論

主要以采煤機為研究對象，對其分布式控制系統進行了詳細的設計與研究，并將其應用到工程實踐中。

(1)基于分布式控制思想，設計研究了采煤機控制系統，利用多個控制器同時對不同模塊分別進行控制，最終將相關數據進行匯總分析。分布式控制系統采用主控制器和從控制器，分別完成不同的控制內容，共同實現系統功能。

(2)對電源模塊、通信模塊、PT100檢測模塊、傾角檢測模塊、溫濕度檢測模塊的功能及對應的電路進行了詳細介紹。

(3)將設計的分布式控制系統應用到采煤機中，顯著提升了采煤機的自動化水平，同時設備的運行效率也得到了很好的提升，為煤礦企業創造了良好的經濟效益。

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