采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙 磊

（山西省霍州煤電汾河焦煤有限公司三交河煤礦，山西 洪洞 031400）

引言

采煤機(jī)是煤礦開(kāi)采中的重要設(shè)備，保證采煤機(jī)的高效率、高智能化、低故障率，是增加煤礦開(kāi)采量、實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益增漲的關(guān)鍵[1]。目前，市場(chǎng)上使用的采煤機(jī)種類(lèi)較多，加上井下作業(yè)環(huán)境的惡劣，以及部分煤礦企業(yè)無(wú)更多資金投入到煤礦設(shè)備的開(kāi)發(fā)中，導(dǎo)致當(dāng)前采煤機(jī)的整體控制性能相對(duì)較低，使用時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)各類(lèi)故障，嚴(yán)重影響著煤礦的開(kāi)采效率及井下作業(yè)安全[2]。采煤機(jī)一旦停機(jī)維修，將會(huì)直接導(dǎo)致該區(qū)域的井下煤礦開(kāi)采出現(xiàn)癱瘓，嚴(yán)重影響著井下的煤礦開(kāi)采量。為此，結(jié)合當(dāng)前更加成熟的自動(dòng)化控制技術(shù)，開(kāi)展了采煤機(jī)控制系統(tǒng)的升級(jí)設(shè)計(jì)研究和新系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，驗(yàn)證了新控制系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，對(duì)保證采煤機(jī)的高效開(kāi)采作業(yè)具有重要價(jià)值。

1 現(xiàn)有采煤機(jī)控制系統(tǒng)存在問(wèn)題

采煤機(jī)作為煤礦開(kāi)采中的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)主要包括截割部分、行走部部分、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等，但市場(chǎng)上現(xiàn)有的較多采煤機(jī)設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，控制系統(tǒng)整體相對(duì)落后，存在較多問(wèn)題，具體如下：

1）當(dāng)前控制系統(tǒng)所采用的控制器處理能力相對(duì)較差，針對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的較多數(shù)據(jù)信號(hào)，無(wú)法快速、精準(zhǔn)地進(jìn)行分析計(jì)算處理[3]；

2）現(xiàn)有控制系統(tǒng)大多只實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤機(jī)截割速度、電機(jī)溫度等基本參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，所采集的數(shù)據(jù)量相對(duì)較少，且未實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；

3）現(xiàn)有控制系統(tǒng)基本未實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通過(guò)RS485接口和CAN 通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，檢測(cè)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中存在信號(hào)失真、干擾信號(hào)較多等問(wèn)題，最終所處理的信號(hào)準(zhǔn)確性相對(duì)較差，無(wú)法準(zhǔn)確反應(yīng)出采煤機(jī)的作業(yè)狀態(tài)[4]；

4）采煤機(jī)控制系統(tǒng)所具有的報(bào)警功能單一，僅能完成采煤機(jī)溫度、速度、油壓等基本故障的報(bào)警提示，無(wú)法完成更多故障類(lèi)型的顯示及報(bào)警提示，這對(duì)保證采煤機(jī)的作業(yè)安全，提高故障排除效率具有較大的局限性[5]。

隨著當(dāng)前自動(dòng)化、智能化控制技術(shù)的不斷提升，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)控制系統(tǒng)的升級(jí)更新，已成為當(dāng)前提升設(shè)備綜合性能的必然發(fā)展方向。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為提高采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)的綜合性能，開(kāi)展了控制系統(tǒng)的升級(jí)設(shè)計(jì)研究。所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)包括了信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、微處理器、GUI顯示界面、電壓處理模塊等分系統(tǒng)部分。其中，信號(hào)采集模塊中配備了多種溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、速度傳感器、油壓傳感器、電壓傳感器等，主要負(fù)責(zé)對(duì)采煤機(jī)作業(yè)過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，所采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)CAN 總線傳輸至PLC 控制器中進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換、分析及處理。其中，所匹配的PLC 控制器選用了西門(mén)子的S7-300型PLC 控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的處理，具有較高的運(yùn)算速度及響應(yīng)精度。在控制系統(tǒng)中的模擬量采集模塊采用了7 路模擬量設(shè)計(jì)，能提供4～40 mA 電流信號(hào)和0～5 V 電壓信號(hào)，16路開(kāi)關(guān)量輸入，模擬量的采集周期設(shè)計(jì)為了300 ms，CAN 總線的最大傳輸距離超過(guò)了500 m，能快速完成對(duì)采煤機(jī)各類(lèi)數(shù)據(jù)的采集及傳輸[6]。所有采集數(shù)據(jù)均需在分析處理后傳輸至GUI 顯示界面中，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的直觀顯示，針對(duì)設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)的故障問(wèn)題，也能及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示。整套系統(tǒng)的智能化控制水平顯著提高。控制系統(tǒng)的總體框架圖如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體框架圖

3 控制系統(tǒng)主要部分設(shè)計(jì)

3.1 開(kāi)關(guān)量輸入模塊設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)量輸入模塊主要負(fù)責(zé)為采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中電控系統(tǒng)提供多路開(kāi)關(guān)控制功能，包括電機(jī)漏電節(jié)點(diǎn)、電機(jī)超溫節(jié)點(diǎn)、冷卻水流量節(jié)點(diǎn)、語(yǔ)音報(bào)警節(jié)點(diǎn)、截割電機(jī)節(jié)點(diǎn)、漏電電流等，整個(gè)模塊結(jié)構(gòu)包括了電源部分、LPC2368 控制器部分、CAN 通訊、信號(hào)處理等部分，整體電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制操作。在電路中，并聯(lián)設(shè)計(jì)了TVS 管D39，可用于防止瞬態(tài)電壓的產(chǎn)生，防止開(kāi)關(guān)量的擾動(dòng)。同時(shí)，設(shè)計(jì)了PC817 光電耦合器和二極管D10等，以防止電路出現(xiàn)反相擊穿現(xiàn)象。另外，在電路中進(jìn)行了移動(dòng)平均濾波設(shè)計(jì)，當(dāng)采集到連續(xù)相同開(kāi)關(guān)信號(hào)后，方可確認(rèn)開(kāi)關(guān)量狀態(tài)發(fā)生變化。開(kāi)關(guān)量輸入模塊的電路圖如圖2 所示。

圖2 開(kāi)關(guān)量輸入模塊的電路圖

3.2 電壓及電流處理電路設(shè)計(jì)

采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中由于涉及到較多的信號(hào)參數(shù)，包括各類(lèi)油泵壓力、搖臂傾角、低油壓、泵電機(jī)電流、溫度傳感器等，此項(xiàng)參數(shù)均需外部提供穩(wěn)定的電壓及電流信號(hào)，而電壓及電流參數(shù)則需經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)及AD 轉(zhuǎn)換后，方可直接使用。故需設(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)中的電壓及電流處理信號(hào)。該信號(hào)處理電路包括了多個(gè)R 電阻、二極管、電容等元器件，能將外部輸入的電信號(hào)調(diào)整轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電路電壓為0～24VDC，電流信號(hào)為4～20 mA，以為整個(gè)控制系統(tǒng)中的相關(guān)元器件提供穩(wěn)定的電壓及電流。電壓、電流的處理電路如圖3 所示。

圖3 電壓、電流處理電路圖

3.3 控制系統(tǒng)GUI 程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的GUI 界面主要負(fù)責(zé)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和控制。故在GUI 界面設(shè)計(jì)中，主要基于LCD 驅(qū)動(dòng)接口進(jìn)行了設(shè)計(jì)，LCD 屏幕分辨率可達(dá)320*234，液晶顯示模式，分配了文本顯存，并在界面中設(shè)計(jì)了設(shè)置、上下左右、確定、報(bào)警等功能按鍵。同時(shí)，在GUI 界面的后臺(tái)程序中，采用了LOC2368 和ROM和RAM存儲(chǔ)容量設(shè)計(jì)，按鈕控件、列表控件及網(wǎng)絡(luò)控件等，能直觀對(duì)輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)等進(jìn)行顯示。為此實(shí)現(xiàn)GUI 界面的正常運(yùn)行，采用了STEPS 軟件，對(duì)GUI 界面進(jìn)行了程序編輯。由此，從硬件及軟件方面完成了GUI 界面的設(shè)計(jì)。

4 控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在完成控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)后，將該控制系統(tǒng)在采煤機(jī)中進(jìn)行了系統(tǒng)的集成應(yīng)用研究。主要是將該控制系統(tǒng)程序?qū)胫敛擅簷C(jī)中，并在采煤機(jī)上增加相應(yīng)的采集傳感器、更換控制器及增加GUI 顯示界面等內(nèi)容，測(cè)試周期為5 個(gè)月。在此測(cè)試期間，整套控制系統(tǒng)全面實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的各類(lèi)工作狀態(tài)及參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的采集精度和處理速度相對(duì)較快，與原有控制系統(tǒng)相比，系統(tǒng)的處理能力更強(qiáng)，顯示參數(shù)更多。針對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的異常故障問(wèn)題，該系統(tǒng)也能通過(guò)GUI 顯示界面進(jìn)行故障類(lèi)型及故障發(fā)生位置提示，相關(guān)人員僅需根據(jù)顯示內(nèi)容快速對(duì)故障問(wèn)題進(jìn)行維修處理。在測(cè)試期間，采煤機(jī)的故障率同比降低了45%，采煤機(jī)效率也得到明顯提升，減少了操作人員及維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。這對(duì)提高采煤機(jī)的作業(yè)效率及安全性具有重要意義。驗(yàn)證了此系統(tǒng)的可靠性及可行性。

5 結(jié)論

1）該控制系統(tǒng)具有更高的智能化控制能力，功能更加全面，對(duì)數(shù)據(jù)的采集及分析處理能力更強(qiáng)；

2）該控制系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了對(duì)采煤機(jī)的故障報(bào)警率，加快了人員對(duì)采煤機(jī)故障的排除效率；

3）該控制系統(tǒng)的應(yīng)用，采煤機(jī)的故障發(fā)生率降低了將近45%，減輕了作業(yè)及維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤機(jī)的遠(yuǎn)程檢測(cè)控制；

4）該研究可對(duì)提高采煤機(jī)的開(kāi)采效率及作業(yè)安全性具有重要意義，也可為進(jìn)一步開(kāi)展采煤機(jī)控制功能的升級(jí)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供重要參考。