快速模塊化采煤機自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

吳 昊

（晉能控股煤業(yè)集團有限公司四臺礦，山西 大同 037000）

引言

隨著工作面綜采自動化水平的提高，對采煤機的自動化控制成為決定采煤機性能的重要參考。針對采煤機的電控系統(tǒng)，采用CAN總線形式的架構(gòu)，搭建快速模塊化的自動控制系統(tǒng)，依據(jù)采煤機的不同功能，劃分不同的功能模塊，對傳感信號進行處理，實現(xiàn)采煤機的自動化控制[1]。通過自動控制技術(shù)，可以減輕井下作業(yè)人員的勞動強度，提高煤礦的開采效率及作業(yè)水平。

1 采煤機模塊化自動控制系統(tǒng)的整體設(shè)計

采煤機是進行煤層截割、落煤及裝煤的關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)備多采用雙滾筒的形式提高采煤作業(yè)的效率，主要由左右截割部、左右牽引部及液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成。依據(jù)對采煤機電氣控制系統(tǒng)的功能模塊進行劃分，主要包括如圖1所示的8大模塊[2]，分別為主控模塊、模擬量模塊、開關(guān)量模塊、遙控模塊、語音模塊、載波通訊模塊、漏電檢測模塊及牽引控制模塊。總線協(xié)議采用基于CAN線的總線控制，是國際標準的工業(yè)級總線技術(shù)，具有較高的傳輸效率及良好的差錯糾錯機制，可實現(xiàn)設(shè)置不同的節(jié)點優(yōu)先級并可實時地進行數(shù)據(jù)傳輸。采用CAN線的總線協(xié)議可以保證各模塊之間的通訊便捷，保證系統(tǒng)整體的穩(wěn)定靈活。

圖1 采煤機模塊化自動控制系統(tǒng)整體框圖

在自動控制系統(tǒng)中，不同的模塊實現(xiàn)各自相應(yīng)的功能。主控模塊作為核心模塊，通過CAN線總線協(xié)議接收各個模塊的數(shù)據(jù)并進行計算處理后發(fā)回給各個模塊，其中通過本安CAN協(xié)議連接外接傳感器進行數(shù)據(jù)采集，并與左右端頭的操作站進行連接通訊；開關(guān)量模塊具有輸入輸出通道，控制電機及電磁閥等[3]；模擬量模塊實現(xiàn)對主回路電壓及電機連接電壓互感信號的檢測，通過總線傳輸?shù)街骺啬K；語音模塊依據(jù)主控模塊的指令進行語音的播報，包括系統(tǒng)的操作及預(yù)警故障等信息的輸出；遙控模塊可進行遙控信號的發(fā)送及接收，實現(xiàn)采煤機的遙控動作；載波通訊模塊能進行載波的發(fā)送及接收，實現(xiàn)采煤機的遠程通訊及控制；漏電檢測模塊對電機進行絕緣檢測，保證采煤機的安全作業(yè)；牽引控制模塊與左右變頻器相連接，控制變頻器的方向和速度，并進行數(shù)據(jù)的傳輸。

2 采煤機模塊化自動控制系統(tǒng)的模塊設(shè)計

2.1 CAN總線協(xié)議的驅(qū)動電路設(shè)計

采煤機模塊化自動控制系統(tǒng)共分為8個模塊，采用CAN線控制的總線協(xié)議，對于CAN驅(qū)動電路采用自帶的CAN控制器，節(jié)省電路板的空間，并簡化對系統(tǒng)的調(diào)試。CAN線驅(qū)動電路如圖2所示，各模塊的CAN控制器通過驅(qū)動電路的處理后接入總線系統(tǒng)，采用IL41050收發(fā)芯片，具有較高的傳輸速度，并且能提供總線的短路保護、熱保護及電源接地保護[4]。

圖2 CAN線驅(qū)動電路

2.2 功能模塊的設(shè)計

在采煤機模塊化自動控制系統(tǒng)中，主控模塊作為核心的功能模塊，通過CAN線對采集到的信號進行運算處理，并進行指令的下發(fā)，該模塊的功能如圖3所示[5]，主要包括本安電源模塊、CAN接口模塊實現(xiàn)通訊，本安CAN接口實現(xiàn)采煤機傳感器數(shù)據(jù)的采集、本安485信號實現(xiàn)與左右兩端操作站的連接、485信號實現(xiàn)與顯示屏的連接，進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時顯示。

圖3 主控模塊的功能框圖

開關(guān)量及模擬量采集模塊對不同信號的采集處理后傳輸給主控模塊，均采用24 V電源供電，相應(yīng)數(shù)量的檢測接口與傳感器信號相接；采煤機在作業(yè)過程中，在工作面上進行循環(huán)作業(yè)，信息較為閉塞，載波通訊模塊采用電力線載波及時進行信號的傳遞，通過已有的電力線為媒介實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞[6]。由于井下工作面的環(huán)境較為惡劣，載波通訊模塊采用1-10 MHz之間的工作頻帶，采用全雙工的工作模式保證高噪聲下的正常通訊。載波通訊模塊電路如圖4所示，采用FSK技術(shù)進行信號的調(diào)制，經(jīng)功率放大器后耦合到電力線上進行信號的發(fā)送；信號接收時，首先進行濾波處理經(jīng)解調(diào)后得到接收的原始數(shù)據(jù)。

圖4 載波通訊模塊電路設(shè)計

語音模塊通過音頻接口，進行語音的合成，經(jīng)過電路放大之后進行語音的播報，采用集成芯片的方式可以實現(xiàn)語音的編碼及解碼，可支持進行狀態(tài)的查詢及多種命令形式；遙控模塊通過遙控器實現(xiàn)對天線信號的發(fā)送和接收，經(jīng)過系統(tǒng)采集后傳輸?shù)娇偪啬K。牽引控制模塊通過微處理器進行主控模塊牽引控制信號的接收，通過另一路CAN線控制左右的變頻器，從而實現(xiàn)對采煤機的控制。同時，由于采煤機上具有抱閘制動器，當變頻器進行工作時，同步控制制動器打開，變頻器停止時，控制制動器閉合，從而實現(xiàn)采煤機的動作。

3 結(jié)論

采煤機的自動化控制采用CAN線的總線控制，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速通信。系統(tǒng)共分8種功能模塊進行采煤機的自動作業(yè)，各模塊的結(jié)構(gòu)簡單，便于布置，并且便于檢測維修。相比傳統(tǒng)的PLC控制，該系統(tǒng)降低了作業(yè)的難度，簡化了配置，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對采煤機進行模塊化自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用，可以減少工作面作業(yè)人員的數(shù)量，降低工作面的勞動強度，提高采煤機的作業(yè)效率，可以實時地進行采煤機狀態(tài)的監(jiān)測及遠程控制，提高了煤礦作業(yè)自動化的水平及效率。