煤矿井下综采工作面机电设备集中控制系统的设计探究

王强强

摘 要：综采工作面是矿井控制系统重要构成部分，应用集中控制系统可提升采矿作业效率和安全性。本文简述了综采工作面的特点，分析其设备集控要求，并重点研究了集控系统设计方法。

关键词：控制系统设计;集中控制;综采工作面;煤矿井

1综采工作面特点

综采即综合机械化采煤，是现代采煤工艺中先进工艺。采煤过程分设5个生产环节，分别为破、装、运、支、处。综采工艺中，上述环节均为机械化，有效釋放人力，生产效率较高。在当前，自动化采矿实施综采、综放，自动化是主要生产形式。综采工作面为提升产能效率，对所用移动变电站为多电压、大功率类型。高低压开关为隔爆真空类型，电磁启动器采用软启动模式，联合计算机通讯和监控设备、电牵引采煤设备等使用，提升矿采效率与安全性，增强自动化属性。

2综采设备集控要求

矿采技术渐趋成熟，采煤工作面集成控制各环节设备，整合通信与监控系统，智能化设计供电系统，与矿井自动化系统连接，进而集中控制工作面设备与输送机，促进设备保护，加强故障自检，提升沿线通信功能，优化闭锁管理，实现高效安全采矿。以液压支架自动控制系统为例，其控制操作基础是采煤机定位。采煤机运行中，液压支架以采煤机运行轨迹为依据，实现系统控制。工作面自动化的技术方向是无人化生产。

综采工作面所用设备具有较高容量，由多台电动机构成，控制工作面设备时多选择隔爆组合开关。此类开关属于多功能开关，驱动器与数台真空接触器构成，真空接触器在驱动器控制下进行，促使相关电动机独立驱动。采矿现场具有复杂工况，人工监控难以保证全面性和及时性，可能发生误操作。工况管理中需要根据设备运行状态指挥设备控制，人力执行困难，应用集中控制手段管理综采工作面设备，可促进供电安全，在此系统设计中应重点关注集中调度管理，适应无人化工作面要求，同时应完善远程监控。

3集控系统设计方法

3.1功能要求

综采工作面通常以智能组合电器实现集控要求。在智能组合开关应用中，HT6L1-400Z/1140是常用型号。该开关可集中控制、保护工作面采、送、转等设备。该开关单片机中虽然设置了RS232接口，然而缺少通讯功能，无法联通监控网实施远程控制。监控主干网的核心技术是Modbus总线技术，井下监控系统以该系统为主要构成，组合电器中单片机应同时实现远程监控和集中监控，以促进Modbus现场总线兼容。为达到此要求，应通过监控分站实时监控保护相关电机回路，并对主站轮询做出回应，上传故障信息与运行信息，传输电压电流负载数据等。与此同时，监控分站应积极执行主站控制要求[1]。

3.2整体设计

以智能组合电器为基础的测控系统，核心部分是检测、采集、处理信号，转换控制手段，此外还有汉显设备和单片机。通过该测控系统，可控制、保护6路负荷。应用该测控系统，还可实现漏电闭锁功能，并进行过压或欠压保护、短路保护、过载保护、断相保护等，使用本质安全型电路作为先导回路。测控系统分为4种运行方式，包括单机、双机双速控制，单回路独立控制或者多回路程序控制等。该测控系统的应用优点是动作精准、性能稳定，同时较为智能化。在其控制系统中，分为遥控接收器、电磁阀控制箱、显示器、操作箱、传感器等。

控制系统设计目的是通过复合逻辑控制设备中电动机并保护电动机，调控电磁阀，控制本机和进行遥控等。该控制系统应设有网络通信功能，可进行自动截割，控制工作面等，同时具有监测、保护液压系统的功能。此外，控制系统须监控减速齿轮润滑状态。

在控制箱内，DP总线、CAN总线、Modbus总线通过集成构成中央控制器。DP总线负责将下设主回路控制模块连接至中央控制器;通过CAN总线，显示器、遥控接收装置和电磁阀控制装置等与中央控制器相连。Modbus总线连接中央控制器和操作箱。在设备中设有本质安全性传感器若干个，向控制箱隔离栅传输信号，在隔离栅中完成隔离与信号转换，最后信息被传输至控制箱中央控制器。

3.3主回路控制

主回路主体、信号处理器是控制箱主回路的两个核心构成部分。上述两部分协调配合采集系统阶段性电流，有效预防电流过载、电压过载、漏电或者电机过热等情况。控制回路的核心设备是中央控制器，中央控制器监管分支控制模板。在电气控制箱中设有主回路模块，模块中设有控制器，并配备外围接口、信号处理电路。利用模块软件，通过交流采样方式采集周期性电量信息，从而本地控制主回路电机，实现保护功能，例如对过载、过流、过压、过热或断相、欠压、漏电闭错等进行监控，保护回路。下设控制模块与中央控制器通过DP通信双向沟通，中央控制器向控制模块发送控制信号，系统运行数据和故障信息经由DP总线同步向中央控制器传送。在运行中，中央控制器发出控制指令，分路控制器收到指令后执行指令要求，动作完成后向中央控制器反馈执行现状。通过中央控制器和分路控制器的此种互动，双向传导信息。

例如，主回路处理信号时，先分析信号，检出异常信号，然后向驱动执行机构发送异常信号，驱动执行机构诊断异常信号，并向中央控制器提交该问题，由中央控制器诊断信号，通过计算功率、电压、电流等实际工作数据，对照标准数值，确定故障类型、

3.4控制电路

在系统中，控制电路分设4个部分，包括单片机、芯片、报警系统与LCD信号按钮。在设计时，第一步在数据控制器中录入信号，控制器单片机分析数据。第二部，根据信号诊断故障，采取处理措施。第三步，向开关传输控制信号，开关执行开关指令完成开启或关闭动作。在此过程中，PC串口与通讯信号负责传输数据，通过LCD显示系统可监控信号传输情况。突发故障出现时，警报系统负责发出警报。控制电路使用KDW多路电源，报警系统、处理系统通过此电源获取电能支持。控制电路中还需要应用变电站，额定容量4500kVA，负荷峰值是3600kW。额定电流一次侧、二次侧分别是260A和780A，电压额定功率50Hz，在（80～120）%区间适用[2]。

3.5软件检测

该部分核心功能是判断、控制、显示信息并管理信息串行。在处理信息时，主要流程为：（1）启动电源，观察转速，达到额定值后信息在显示系统中可见。低于额定值时，风速传感器可自动启动，促使转速提升，转速达到额定值后，单片机对信息进行判断。（2）切换控制信息。在控制环节中发生异常情况，系统进行保护判断。经诊断无异常，予以通讯处理。（3）信息检测流程完成。在上述环节中，信息控制系统中设有逻辑处理、信息过滤、防抖和优化等多个功能系统。LCD处理结构中分设三个系统，分别负责初始化管理、使能控制与读写控制。

结论：综上，为精简非必要设备接线，应充分应用总线技术与先进采掘设备，促进系统稳定。此外，还应优化系统应用灵活性和维护便捷性，在相应电气设备中分散控制功能，分布式控制现场设备。通过总线控制模块监控运行参数，分析故障信息，可行独立控制，不受网络故障影响，容错能力和应用稳定性提升。交流采样采集周期性电量数据，精准保护电动机。多样化传感器联合图形显示，人机界面应用更便捷。

参考文献：

[1]张保琼.煤矿井下综采工作面机电设备集中控制系统的设计探究[J].当代化工研究，2020（20）：142-143.

[2]董相辰.煤矿井下综采工作面机电设备集中控制系统的设计[J].内蒙古煤炭经济，2020（02）：59.