采煤機電氣控制器的設計與實現

王喆偉

（晉能控股煤業集團地煤精通興旺煤業有限公司，山西 大同 037000）

引言

采煤機是綜采工作面的主要生產設備，其直接決定煤礦的生產能力和生產效率[1]。電氣控制器作為采煤機的核心系統，控制采煤機截割滾筒升降、行走及截割速率等。鑒于綜采工作面環境相對惡劣且電氣控制器的空間減小，在實際工作中極易受到復雜電磁環境的影響，從而導致其可靠性和穩定性降低。因此，研發一套高可靠性、高抗干擾能力及高穩定性的電氣控制器服務于采煤機具有現實意義。

1 采煤機控制系統研究

根據工作面采煤方式的不同，可將采煤機分為鋸削式、刨削式及銑削式采煤機。本文著重針對滾筒采煤機開展研究，而且滾筒采煤機由于其生產效率高、功率大、調高簡便及標準化、系列化等被廣泛應用。本文所研究采煤機的具體型號為MG200/458-BWD，并針對其配套的電氣部分，為其配套設計電氣控制器。結合采煤機的實際工作任務和控制需求，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行控制，主要控制對象為采煤機截割部、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關鍵部件的溫度、電流等參數進行監測，并具備模擬信號和數字信號轉化的功能。

3）電氣控制器可對采煤機所有電機實現保護。

4）電氣控制器配有冗余的接口，可根據實際需求接入其他模塊、設備等。

5）電氣控制器具備較好的人機交互界面，用戶可直觀獲取采煤機的運行狀態參數和相關的故障信息[2]。

結合采煤機工作任務和控制系統的需求，要求電氣控制器輸入/輸出接口數量統計如表1 所示。

表1 采煤機電氣控制系統輸入/輸出接口數量統計

由表1 所示，開關量輸入接口主要為反饋接點和按鍵輸入；開關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。

結合采煤機的控制需求，采煤機電氣控制器主體結構如圖1 所示。

圖1 采煤機電氣控制器主體結構示意圖

由圖1 所示，可將采煤機電氣控制器分為主控制板、數據采集板和牽引電機控制板。其中，主控制模塊與HMI 模塊基于RS422 進行通信；主控制模塊與數據采集模塊和牽引電機控制模塊基于RS485 進行通信；主控制模塊與左右端頭站、遙控接收模塊基于CAN 接口進行通信；牽引電機控制模塊與左右端頭站、遙控接收模塊基于CAN 接口進行通信。

2 采煤機電氣控制器的設計

本節著重完成采煤機電氣控制器的硬件設計和軟件設計。其中，硬件設計將根據電氣控制器的主體結構完成部分設計。

2.1 采煤機電氣控制器的硬件設計

本節主要對采煤機電氣控制器主控制板、數據采集板和牽引電機控制板三大核心部件進行設計，根據控制需求要求控制器具備接收控制指令，對截割分系統、牽引分系統及電機等進行分別控制，實時監測采煤機運行狀態等功能[4]。

2.1.1 主控制板的設計

主控制板包括17 個開關量輸入接口，7 個開關量輸出接口，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，對應的主控制板模塊的結構如圖2 所示。

圖2 采煤機電氣控制器主控制板結構示意圖

由圖2 所示，電氣控制器主控制板有兩個CAN總線收發裝置和一個RS-485 串行總線收發裝置，且兩類主控制板均符合ISO11898-2 標準的相關規范要求。采用ULN2003 芯片實現對繼電器的驅動和控制；采用EPROM 對主控制板的相關數據及參數進行存儲。

2.1.2 數據采集板的設計

數據采集板主要功能是對采煤機各個系統及對象運行時的電流和溫度進行采集，預防采煤機截割電機、行走電機出現溫度超標或者電流超限導致其損壞。根據數據采集板的功能，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。數據采集板硬件結構如圖3 所示。

由圖3 所示，數據采集板溫度采集模塊主要對采煤機左右牽引電機、左右截割電機及供油電機的溫度進行監測。除此之外，還為其配置了一個溫度補償接口；對采煤機截割電機、油泵電機的三相異步電機中的各相電流進行監測，對左右牽引電機電流進行監測。

圖3 采煤機電氣控制器數據采集板硬件結構

數據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 ℃。數據采集模塊所采用的核心模塊為AD7708 芯片[5]。

2.1.3 牽引電機控制板的設計

根據牽引電機的控制需求，針對其控制板設計3 個開關量輸入（反饋接點）、6 個開關量輸出（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）進行設計。牽引電機控制板硬件結構如圖4 所示。

圖4 牽引電機控制板硬件結構示意圖

2.2 采煤機電氣控制器的軟件設計

采用ARM 公司開發的RealView MDK 軟件對采煤機電氣控制器的軟件進行編程設計。同樣，根據電氣控制器的三大系統主控制板、數據采集板和牽引電機控制板的程序進行設計。系統初始化后開始自檢。

針對系統主控制板主要對數據采樣是否完成進行判斷，其次對485 接口、422 接口是否有數據；422/485 主機是否發送數據進行判斷，并根據判斷結果執行相應指令。

針對數據采集模塊，系統初始化后啟動A/D 轉換功能，判斷A/D 轉換流程是否完成，若完成將所采集的數據存入存儲器中；若A/D 轉換流程未完成，則由主控制模塊請求發送數據繼續進行A/D 轉換。

結合牽引電機的功能要求，牽引電機控制模塊流程如下頁圖5 所示。

圖5 牽引電機控制模塊軟件流程圖

3 結語

采煤機作為綜采工作面的主要生產設備之一，其截割能力和牽引速度直接決定工作面的生產效率與生產能力。為適應煤礦高產量、安全的生產需求，并滿足工作面狹小空間、惡劣的生產環境，需為其配置一套具備強抗干擾能力、高穩定性的電氣控制器。因此以STM32F107VCT 芯片為控制核心完成采煤機電氣控制器中主控制板、數據采集板及牽引電機控制板三大模塊設計，對保證采煤機高效、安全生產具有重要意義。