采煤機(jī)電氣控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王喆偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)地煤精通興旺煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

引言

采煤機(jī)是綜采工作面的主要生產(chǎn)設(shè)備，其直接決定煤礦的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率[1]。電氣控制器作為采煤機(jī)的核心系統(tǒng)，控制采煤機(jī)截割滾筒升降、行走及截割速率等。鑒于綜采工作面環(huán)境相對惡劣且電氣控制器的空間減小，在實(shí)際工作中極易受到復(fù)雜電磁環(huán)境的影響，從而導(dǎo)致其可靠性和穩(wěn)定性降低。因此，研發(fā)一套高可靠性、高抗干擾能力及高穩(wěn)定性的電氣控制器服務(wù)于采煤機(jī)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 采煤機(jī)控制系統(tǒng)研究

根據(jù)工作面采煤方式的不同，可將采煤機(jī)分為鋸削式、刨削式及銑削式采煤機(jī)。本文著重針對滾筒采煤機(jī)開展研究，而且滾筒采煤機(jī)由于其生產(chǎn)效率高、功率大、調(diào)高簡便及標(biāo)準(zhǔn)化、系列化等被廣泛應(yīng)用。本文所研究采煤機(jī)的具體型號為MG200/458-BWD，并針對其配套的電氣部分，為其配套設(shè)計(jì)電氣控制器。結(jié)合采煤機(jī)的實(shí)際工作任務(wù)和控制需求，要求電氣控制器滿足如下功能：

1）電氣控制器可對多路信號進(jìn)行控制，主要控制對象為采煤機(jī)截割部、行走部的變頻器和電磁閥等部件。

2）電氣控制器可對采煤機(jī)關(guān)鍵部件的溫度、電流等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并具備模擬信號和數(shù)字信號轉(zhuǎn)化的功能。

3）電氣控制器可對采煤機(jī)所有電機(jī)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

4）電氣控制器配有冗余的接口，可根據(jù)實(shí)際需求接入其他模塊、設(shè)備等。

5）電氣控制器具備較好的人機(jī)交互界面，用戶可直觀獲取采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)和相關(guān)的故障信息[2]。

結(jié)合采煤機(jī)工作任務(wù)和控制系統(tǒng)的需求，要求電氣控制器輸入/輸出接口數(shù)量統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)輸入/輸出接口數(shù)量統(tǒng)計(jì)

由表1 所示，開關(guān)量輸入接口主要為反饋接點(diǎn)和按鍵輸入；開關(guān)量輸出接口為繼電器輸出；模擬量輸入接口主要為溫度和濕度檢測；模擬量輸出接口為0～10 V 電壓的輸出；通信接口包括CAN 接口、RS422 接口和RS485 接口[3]。除此之外，鑒于綜采工作面環(huán)境惡劣的情況，要求電氣控制器具備一定的防爆型、防潮型和抗振動性。

結(jié)合采煤機(jī)的控制需求，采煤機(jī)電氣控制器主體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)電氣控制器主體結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 所示，可將采煤機(jī)電氣控制器分為主控制板、數(shù)據(jù)采集板和牽引電機(jī)控制板。其中，主控制模塊與HMI 模塊基于RS422 進(jìn)行通信；主控制模塊與數(shù)據(jù)采集模塊和牽引電機(jī)控制模塊基于RS485 進(jìn)行通信；主控制模塊與左右端頭站、遙控接收模塊基于CAN 接口進(jìn)行通信；牽引電機(jī)控制模塊與左右端頭站、遙控接收模塊基于CAN 接口進(jìn)行通信。

2 采煤機(jī)電氣控制器的設(shè)計(jì)

本節(jié)著重完成采煤機(jī)電氣控制器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。其中，硬件設(shè)計(jì)將根據(jù)電氣控制器的主體結(jié)構(gòu)完成部分設(shè)計(jì)。

2.1 采煤機(jī)電氣控制器的硬件設(shè)計(jì)

本節(jié)主要對采煤機(jī)電氣控制器主控制板、數(shù)據(jù)采集板和牽引電機(jī)控制板三大核心部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)控制需求要求控制器具備接收控制指令，對截割分系統(tǒng)、牽引分系統(tǒng)及電機(jī)等進(jìn)行分別控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等功能[4]。

2.1.1 主控制板的設(shè)計(jì)

主控制板包括17 個開關(guān)量輸入接口，7 個開關(guān)量輸出接口，2 個CAN 總線接口，1 個RS422 串口和2 個RS485 串口。主控制板的控制核心芯片類型為STM32F107VCT，對應(yīng)的主控制板模塊的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)電氣控制器主控制板結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2 所示，電氣控制器主控制板有兩個CAN總線收發(fā)裝置和一個RS-485 串行總線收發(fā)裝置，且兩類主控制板均符合ISO11898-2 標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)范要求。采用ULN2003 芯片實(shí)現(xiàn)對繼電器的驅(qū)動和控制；采用EPROM 對主控制板的相關(guān)數(shù)據(jù)及參數(shù)進(jìn)行存儲。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集板的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集板主要功能是對采煤機(jī)各個系統(tǒng)及對象運(yùn)行時(shí)的電流和溫度進(jìn)行采集，預(yù)防采煤機(jī)截割電機(jī)、行走電機(jī)出現(xiàn)溫度超標(biāo)或者電流超限導(dǎo)致其損壞。根據(jù)數(shù)據(jù)采集板的功能，為其配置30 個模擬量輸入接口，包括10 個溫度檢測輸入和20 個電流檢測輸入；1 個CAN 總線接口和1 個RS485 串口。數(shù)據(jù)采集板硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

由圖3 所示，數(shù)據(jù)采集板溫度采集模塊主要對采煤機(jī)左右牽引電機(jī)、左右截割電機(jī)及供油電機(jī)的溫度進(jìn)行監(jiān)測。除此之外，還為其配置了一個溫度補(bǔ)償接口；對采煤機(jī)截割電機(jī)、油泵電機(jī)的三相異步電機(jī)中的各相電流進(jìn)行監(jiān)測，對左右牽引電機(jī)電流進(jìn)行監(jiān)測。

圖3 采煤機(jī)電氣控制器數(shù)據(jù)采集板硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集模塊所采用的溫度檢測模塊為PT100鉑熱電阻，該電阻的測量范圍為-50～200 ℃。數(shù)據(jù)采集模塊所采用的核心模塊為AD7708 芯片[5]。

2.1.3 牽引電機(jī)控制板的設(shè)計(jì)

根據(jù)牽引電機(jī)的控制需求，針對其控制板設(shè)計(jì)3 個開關(guān)量輸入（反饋接點(diǎn)）、6 個開關(guān)量輸出（繼電器輸出）、2 個模擬量輸入（0～10 V 輸入接口）、2 個模擬量輸出（0～10 V 輸出接口），5 個通信接口（2個CAN 接口和3 個RS-485）進(jìn)行設(shè)計(jì)。牽引電機(jī)控制板硬件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 牽引電機(jī)控制板硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 采煤機(jī)電氣控制器的軟件設(shè)計(jì)

采用ARM 公司開發(fā)的RealView MDK 軟件對采煤機(jī)電氣控制器的軟件進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。同樣，根據(jù)電氣控制器的三大系統(tǒng)主控制板、數(shù)據(jù)采集板和牽引電機(jī)控制板的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)初始化后開始自檢。

針對系統(tǒng)主控制板主要對數(shù)據(jù)采樣是否完成進(jìn)行判斷，其次對485 接口、422 接口是否有數(shù)據(jù)；422/485 主機(jī)是否發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)指令。

針對數(shù)據(jù)采集模塊，系統(tǒng)初始化后啟動A/D 轉(zhuǎn)換功能，判斷A/D 轉(zhuǎn)換流程是否完成，若完成將所采集的數(shù)據(jù)存入存儲器中；若A/D 轉(zhuǎn)換流程未完成，則由主控制模塊請求發(fā)送數(shù)據(jù)繼續(xù)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。

結(jié)合牽引電機(jī)的功能要求，牽引電機(jī)控制模塊流程如下頁圖5 所示。

圖5 牽引電機(jī)控制模塊軟件流程圖

3 結(jié)語

采煤機(jī)作為綜采工作面的主要生產(chǎn)設(shè)備之一，其截割能力和牽引速度直接決定工作面的生產(chǎn)效率與生產(chǎn)能力。為適應(yīng)煤礦高產(chǎn)量、安全的生產(chǎn)需求，并滿足工作面狹小空間、惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，需為其配置一套具備強(qiáng)抗干擾能力、高穩(wěn)定性的電氣控制器。因此以STM32F107VCT 芯片為控制核心完成采煤機(jī)電氣控制器中主控制板、數(shù)據(jù)采集板及牽引電機(jī)控制板三大模塊設(shè)計(jì)，對保證采煤機(jī)高效、安全生產(chǎn)具有重要意義。