煤礦井下綜采工作面機電設備集中控制系統的設計探究

王強強

摘 要：綜采工作面是礦井控制系統重要構成部分，應用集中控制系統可提升采礦作業效率和安全性。本文簡述了綜采工作面的特點，分析其設備集控要求，并重點研究了集控系統設計方法。

關鍵詞：控制系統設計;集中控制;綜采工作面;煤礦井

1綜采工作面特點

綜采即綜合機械化采煤，是現代采煤工藝中先進工藝。采煤過程分設5個生產環節，分別為破、裝、運、支、處。綜采工藝中，上述環節均為機械化，有效釋放人力，生產效率較高。在當前，自動化采礦實施綜采、綜放，自動化是主要生產形式。綜采工作面為提升產能效率，對所用移動變電站為多電壓、大功率類型。高低壓開關為隔爆真空類型，電磁啟動器采用軟啟動模式，聯合計算機通訊和監控設備、電牽引采煤設備等使用，提升礦采效率與安全性，增強自動化屬性。

2綜采設備集控要求

礦采技術漸趨成熟，采煤工作面集成控制各環節設備，整合通信與監控系統，智能化設計供電系統，與礦井自動化系統連接，進而集中控制工作面設備與輸送機，促進設備保護，加強故障自檢，提升沿線通信功能，優化閉鎖管理，實現高效安全采礦。以液壓支架自動控制系統為例，其控制操作基礎是采煤機定位。采煤機運行中，液壓支架以采煤機運行軌跡為依據，實現系統控制。工作面自動化的技術方向是無人化生產。

綜采工作面所用設備具有較高容量，由多臺電動機構成，控制工作面設備時多選擇隔爆組合開關。此類開關屬于多功能開關，驅動器與數臺真空接觸器構成，真空接觸器在驅動器控制下進行，促使相關電動機獨立驅動。采礦現場具有復雜工況，人工監控難以保證全面性和及時性，可能發生誤操作。工況管理中需要根據設備運行狀態指揮設備控制，人力執行困難，應用集中控制手段管理綜采工作面設備，可促進供電安全，在此系統設計中應重點關注集中調度管理，適應無人化工作面要求，同時應完善遠程監控。

3集控系統設計方法

3.1功能要求

綜采工作面通常以智能組合電器實現集控要求。在智能組合開關應用中，HT6L1-400Z/1140是常用型號。該開關可集中控制、保護工作面采、送、轉等設備。該開關單片機中雖然設置了RS232接口，然而缺少通訊功能，無法聯通監控網實施遠程控制。監控主干網的核心技術是Modbus總線技術，井下監控系統以該系統為主要構成，組合電器中單片機應同時實現遠程監控和集中監控，以促進Modbus現場總線兼容。為達到此要求，應通過監控分站實時監控保護相關電機回路，并對主站輪詢做出回應，上傳故障信息與運行信息，傳輸電壓電流負載數據等。與此同時，監控分站應積極執行主站控制要求[1]。

3.2整體設計

以智能組合電器為基礎的測控系統，核心部分是檢測、采集、處理信號，轉換控制手段，此外還有漢顯設備和單片機。通過該測控系統，可控制、保護6路負荷。應用該測控系統，還可實現漏電閉鎖功能，并進行過壓或欠壓保護、短路保護、過載保護、斷相保護等，使用本質安全型電路作為先導回路。測控系統分為4種運行方式，包括單機、雙機雙速控制，單回路獨立控制或者多回路程序控制等。該測控系統的應用優點是動作精準、性能穩定，同時較為智能化。在其控制系統中，分為遙控接收器、電磁閥控制箱、顯示器、操作箱、傳感器等。

控制系統設計目的是通過復合邏輯控制設備中電動機并保護電動機，調控電磁閥，控制本機和進行遙控等。該控制系統應設有網絡通信功能，可進行自動截割，控制工作面等，同時具有監測、保護液壓系統的功能。此外，控制系統須監控減速齒輪潤滑狀態。

在控制箱內，DP總線、CAN總線、Modbus總線通過集成構成中央控制器。DP總線負責將下設主回路控制模塊連接至中央控制器;通過CAN總線，顯示器、遙控接收裝置和電磁閥控制裝置等與中央控制器相連。Modbus總線連接中央控制器和操作箱。在設備中設有本質安全性傳感器若干個，向控制箱隔離柵傳輸信號，在隔離柵中完成隔離與信號轉換，最后信息被傳輸至控制箱中央控制器。

3.3主回路控制

主回路主體、信號處理器是控制箱主回路的兩個核心構成部分。上述兩部分協調配合采集系統階段性電流，有效預防電流過載、電壓過載、漏電或者電機過熱等情況。控制回路的核心設備是中央控制器，中央控制器監管分支控制模板。在電氣控制箱中設有主回路模塊，模塊中設有控制器，并配備外圍接口、信號處理電路。利用模塊軟件，通過交流采樣方式采集周期性電量信息，從而本地控制主回路電機，實現保護功能，例如對過載、過流、過壓、過熱或斷相、欠壓、漏電閉錯等進行監控，保護回路。下設控制模塊與中央控制器通過DP通信雙向溝通，中央控制器向控制模塊發送控制信號，系統運行數據和故障信息經由DP總線同步向中央控制器傳送。在運行中，中央控制器發出控制指令，分路控制器收到指令后執行指令要求，動作完成后向中央控制器反饋執行現狀。通過中央控制器和分路控制器的此種互動，雙向傳導信息。

例如，主回路處理信號時，先分析信號，檢出異常信號，然后向驅動執行機構發送異常信號，驅動執行機構診斷異常信號，并向中央控制器提交該問題，由中央控制器診斷信號，通過計算功率、電壓、電流等實際工作數據，對照標準數值，確定故障類型、

3.4控制電路

在系統中，控制電路分設4個部分，包括單片機、芯片、報警系統與LCD信號按鈕。在設計時，第一步在數據控制器中錄入信號，控制器單片機分析數據。第二部，根據信號診斷故障，采取處理措施。第三步，向開關傳輸控制信號，開關執行開關指令完成開啟或關閉動作。在此過程中，PC串口與通訊信號負責傳輸數據，通過LCD顯示系統可監控信號傳輸情況。突發故障出現時，警報系統負責發出警報。控制電路使用KDW多路電源，報警系統、處理系統通過此電源獲取電能支持。控制電路中還需要應用變電站，額定容量4500kVA，負荷峰值是3600kW。額定電流一次側、二次側分別是260A和780A，電壓額定功率50Hz，在（80～120）%區間適用[2]。

3.5軟件檢測

該部分核心功能是判斷、控制、顯示信息并管理信息串行。在處理信息時，主要流程為：（1）啟動電源，觀察轉速，達到額定值后信息在顯示系統中可見。低于額定值時，風速傳感器可自動啟動，促使轉速提升，轉速達到額定值后，單片機對信息進行判斷。（2）切換控制信息。在控制環節中發生異常情況，系統進行保護判斷。經診斷無異常，予以通訊處理。（3）信息檢測流程完成。在上述環節中，信息控制系統中設有邏輯處理、信息過濾、防抖和優化等多個功能系統。LCD處理結構中分設三個系統，分別負責初始化管理、使能控制與讀寫控制。

結論：綜上，為精簡非必要設備接線，應充分應用總線技術與先進采掘設備，促進系統穩定。此外，還應優化系統應用靈活性和維護便捷性，在相應電氣設備中分散控制功能，分布式控制現場設備。通過總線控制模塊監控運行參數，分析故障信息，可行獨立控制，不受網絡故障影響，容錯能力和應用穩定性提升。交流采樣采集周期性電量數據，精準保護電動機。多樣化傳感器聯合圖形顯示，人機界面應用更便捷。

參考文獻：

[1]張保瓊.煤礦井下綜采工作面機電設備集中控制系統的設計探究[J].當代化工研究，2020（20）：142-143.

[2]董相辰.煤礦井下綜采工作面機電設備集中控制系統的設計[J].內蒙古煤炭經濟，2020（02）：59.