电驱动采煤机控制系统设计与实现.pdf

:./.电驱动采煤机控制系统设计与实现李 乾(山西西山煤电(集团)有限责任公司山西 太原)摘 要:针对电牵引采煤机控制系统存在的灵活性差、数据处理能力不足的问题设计基于 的电牵引采煤机电控系统 重点分析了以 芯片和 芯片为中央控制单元的电驱动采煤机控制系统硬件、软件设计方案 中央控制单元周期性地采集采煤机机身的模拟数字信号以 总线通讯模式与主从变频器、触摸屏、远程控制计算机等进行交互完成采煤机的控制、本地显示以及远程控制 试验分析结果表明:设计并实现的电驱动采煤机控制系统满足设计要求提升了采煤机的智能化水平和控制系统的灵活性以及数据处理能力关键词:电牵引采煤机监测远程控制主从变频器中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言采煤机是煤矿井下综采工作面的“三机”设备之一其控制系统的灵活性、数据处理能力严重制约着综采工作面智能化进程 因此结合当前先进的、控制技术设计出数据处理能力强、灵活性好的智能型电驱动采煤机控制系统成为提升采煤机功能的重要目标 由于现有电驱动采煤机控制系统方案存在功能单一、灵活性差、数据处理能力不足等问题对提升采煤机的工作效率、保障煤矿井下高效安全生产带来诸多困难 通过、控制技术、主从变频控制技术以及 总线通讯技术的应用能够达到提升采煤机灵活性、增强数据处理能力的目的也为提升采煤机控制系统智能化水平及实现高效、稳定、安全生产奠定了基础笔者基于控制器技术、主从变频控制技术以及 总线通讯技术提出电驱动采煤机控制系统方案重点对系统设计硬件、软件设计进行阐述并通过试验验证了采煤机控制系统运行的有效合理性达到采煤机控制系统实现智能化的目的对提升综采工作面作业效率具有一定参考意义 设计总体方案电驱动采煤机控制系统结构框图如图 所示图 电驱动采煤机控制系统设计框图 工作原理为:截割电机电流、截割电机温度、瓦斯煤矿机电 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用收稿日期:作者简介:李 乾()男山西原平人工程师主要从事机械化、自动化、计量等方面的科研工作浓度、牵引变压器温度等传感器信号以及控制按钮、遥控接收器指令、绝缘监测等信号经输入模块传送至中央控制单元 远程控制计算机控制信号经 通讯传送至中央控制单元并由中央控制单元对输入信号进行分析、计算、逻辑处理经输出接口控制采煤机的截割电机、摇臂升降等动作通过 通讯控制主从变频器进而完成对左右牵引电机的控制通过 通讯将采煤机运行数据传送至远程控制计算机通过 通讯将采煤机运行数据传送至触摸屏实时显示电驱动采煤机控制系统由主控模块、接口模块、显示模块、模拟量采集模块以及远程控制模块五部分组成具体如下()主控模块:由 组成中央控制单元扩展 通讯接口分别与主从控制器、远程控制计算机、触摸显示屏通讯扩展模拟量信号输入模块、输入接口模块接收传感器信号、按钮信号并进行分析处理由 总线通讯、输出接口输出完成采煤机牵引部、截割部控制()接口模块:由模拟信号输入接口、输出接口组成用于采煤机机身模拟量信号、开关信号的处理与控制()显示模块:完成采煤机运行过程状态的本地显示方便采煤机的维护与维修()模拟量采集模块:周期性地采集采煤机左右截割电机电流及温度、瓦斯浓度以及牵引变压器温度数据()远程控制模块:以 总线通讯采集采煤机运行数据对采煤机运行状态进行分析进而发出指令完成对采煤机的远程控制 硬件设计.硬件选型电驱动采煤机控制系统的核心硬件主要包括 控制器、控制器、光耦合器、触摸显示屏、变频器具体选型如下()控制器及 控制器 控制器选用 的 控制芯片该芯片采用改进的哈佛总线结构计算处理能力强、中断快速响应好、支持/通讯、支持 个可复用的 引脚、支持静态 技术 选用 的 芯片该芯片采用快速启动、非易失结构具有低成本、低功耗等特点 选用的 以及 芯片组成采煤机电控系统的中央处理单元满足设计要求()光耦合器 选用 光耦合器件实现、输入管脚信号的光电隔离()触摸屏显示屏 选用三菱 系列的该触摸屏支持 总线通讯可在 软件平台对要显示的界面进行编辑满足采煤机监测界面设计要求()遥控器及接收器 遥控器选用的型号为接收器选用的型号为 矿用本安型供电电源为 最大输出电流为 使用时需串联 电阻 与中央控制器的输入口 相连控制采煤机总急停、牵引急停、左右牵引、摇臂上升/下降等动作()变频器 选用 采用 控制模式 选用两个同型号变频器分别作为主变频器、从变频器以分别控制左右牵引电机采用“一拖一”主从控制方式 通过数字量开关信号控制变频器的启停、加减速、正反转通过 总线通讯读取变频器运行状态数据.硬件接口电驱动采煤机控制系统硬件接口主要有中央控制单元扩展的输入接口处理开关按钮、遥控接收器、瓦斯监测、水流量监测、变频器故障等信号详细硬件地址分配如表 所列表 输入接口硬件地址分配地 址物理意义地 址物理意义总急停牵引总急停牵引总急停左牵引启停右牵引启停左摇臂升左摇臂降右摇臂升右摇臂降左截割启停右截割启停破碎启停牵引部送电牵引部断电水流量监测信号瓦斯断电信号绝缘监测信号左变频器故障信号右变频器故障信号故障复位信号保留 电驱动采煤机控制系统中央控制单元扩展的输出接口实现对采煤机的控制输出接口地址分配如表 所列表 输出接口硬件地址分配地 址物理意义地 址物理意义左截割电机启停右截割电机启停牵引部送/断电左摇臂升左摇臂降右摇臂升右摇臂降破碎机启停故障复位左牵引启停右牵引启停牵引加速牵引减速保留保留机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)煤矿机电 电驱动采煤机控制系统中央控制单元扩展模拟接口实现对采煤机传感器信号的采集和处理模拟通道地址分配如表 所列表 模拟通道硬件地址分配地 址物理意义 相左截割电机电流 相左截割电机电流 相左截割电机电流 相右截割电机电流 相右截割电机电流 相右截割电机电流水流量信号瓦斯浓度信号左截割电机温度右截割电机温度牵引变压器温度保留 电驱动采煤机控制系统中央控制单元扩展 总线通讯接口、以及 总线通讯接口电路如图 所示由接收模块 组成 通讯两端分别增设 电阻提升 总线通讯的准确率图 中央控制单元 总线通讯接口电路 软件设计控制系统软件分别在 控制芯片、控制芯片内实现 在进行 控制器编程时使用了基于 的.集成开发环境并采用 语言进行编写 根据前述电驱动采煤机系统设计、硬件设计方案进行软件设计与实现 对接收到的模拟量信号、开关量信号进行计算、分析、逻辑控制由输出接口及 总线输出完成采煤机控制主流程如图 所示 设计中断控制程序处理 通讯事件在进行 控制器编程时使用了基于 的 开发环境采用 语言进行编写主要处理采煤机外部数字量信号的逻辑关系 试验与分析.试验方案电驱动采煤机控制系统试验验证方案如图 所示 该试验方案中由遥控装置、控制面板采集采煤机控制指令并传入 中央控制单元由中央控制单元控制变频器、电磁制动器完成对采煤机牵引部的控制验证由中央控制单元控制截割电机、左右摇臂完成对采煤机截割部的控制验证由中央控制单元采集监测信号并在触摸屏实时显示完成对采煤机状态的监测与显示验证由中央控制单元与远程控制计算机进行指令、数据交互完成采煤机远程控制功能验证图 系统软件处理主流程图 电驱动采煤机控制系统试验方案示意.试验平台电驱动采煤机控制系统试验平台如图 所示 板用于指示采煤机左右摇臂、电磁启动器的工作状态接口扩展板上集成了模拟信号输入模块、输入接口、数字量接口模块以及输出接口 牵引电机由 、.变频调速三相异步电动机代替传感器模拟量信号由电位器生成的 电压信号所代替开关信号由控制面板上的按钮所代替煤矿机电 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用图 电驱动采煤机控制系统试验平台.遥控发射器.遥控接收器.为控制面板.远程控制计算机.触摸显示屏.板.电源模块.接口扩展板.中央控制板.变频器.试验验证()控制监测功能验证试验时分别通过遥控器、控制面板的按钮实现牵引电机启停、正反转以及加减速功能并实现截割电机启停、左右摇臂升降 同时左右截割电机为互锁启动启动间隔时间为 通过触摸屏显示界面可查看开关量信号“绿色”标识为动作“红色”标识为未动作可查看传感器信号实时值且当牵引部水流量小于阈值、牵引变压器温度大于阈值、主从变频器故障时可触发牵引电机自动停机左右截割电机温度大于阈值水流量小于阈值时也可触发截割电机自动停机 可通过图 所示的电驱动采煤机控制系统远程监控平台的运行状态图 电驱动采煤机控制系统远程监控平台 ()远程控制功能验证试验时通过 总线通讯、中央控制板将采煤机运行时的所有数据传送至远程控制计算机远程控制计算机对接收到的数据进行分析、计算并对采煤机发出控制指令 远程控制计算机发出牵引电机启停、正反转、加减速指令发出截割电机启停、左右摇臂升降等指令后观察 指示灯、触摸屏人机界面运行状态以确认对应控制指令功能是否完成 同时也可在如图 所示的远程控制计算机界面可动态、实时查看采煤机运行状态 结 语以综采工作面电驱动采煤机为研究对象重点阐述了系统设计、硬件设计以及软件设计的思路和方法 基于 控制器技术、主从变频技术、总线通讯技术设计电驱动采煤机控制系统并通过试验验证说明此设计并实现的电驱动采煤机控制系统灵活性好数据处理能力强 此控制系统满足设计要求提升了采煤机的智能化水平有助于提升综采工作面作业效率和安全系数参考文献:赵光瑞杨金楼刘浩明.高端采煤机电控系统分析.陕西煤炭():.淮文军王明芳.基于 和 的电牵引采煤机电控系统优化设计.煤矿机械():.索智文赵亦辉周展.超大采高采煤机智能诊断电气控制系统研究.煤炭工程():.王雪松.电牵引采煤机分布式控制系统的研究与开发.徐州:中国矿业大学.高 梅.基于 的电牵引采煤机远程监控系统研究.煤炭技术():.路染妮.采煤机智能化控制系统研究与设计.煤矿机械():.杨于林李 彬刘志明.型电牵引采煤机电控系统的研究.煤矿机电():.张旭辉姚 闯刘志明等.面向自动化工作面的电牵引采煤机控制系统设计.工矿自动化():.焦佳伟石云波邹 坤.基于 和 串行通信的控制系统设计.自动化与仪表():.毕可仁.基于 总线的电牵引采煤机电控系统的研究.徐州:中国矿业大学.(上接第 页)一种基于 控制的矿用无人值守自动化排水监控系统 该系统采用分布式结构可对各水平泵室设备工况参数及排水数据进行实时采集监测并可通过可靠通信网络实现远程在线监测与控制 经实际测试系统各项监控功能实现良好可保证矿井排水系统安全稳定运行参考文献:耿景磊.和善煤矿井下排水系统优化方案比选.矿业装备():.樊智强孟嘉楠.控制系统在煤矿井下排水系统中的应用.机械管理开发():.散利鹏.煤矿井下排水系统方案的研究与设计.机械管理开发():.刘晓斌.井下排水系统水泵自动化控制系统设计.能源与节能():.王俊青.煤矿井下排水系统方案优化.自动化应用():.机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)煤矿机电