700型采煤机使用过程中的电控系统应用研究

茹鹏

（晋能控股晋城煤炭事业部 晋圣上孔煤业有限公司，山西 晋城048000）

1 概 况

采煤机是煤矿开采中的重要设备，安全高效运行是保障矿井高效率开采的关键。市场上应用较为广泛的采煤机为螺旋滚筒式采煤机机构，主要通过滚削原理来实现对煤矿的开采。以700型采煤机为分析对象，结构包括了滚筒、截割电机、摇臂机构、行走部、变频箱、开关箱、变压器等部分，开关箱是采煤机通断电、动力控制的关键部分，变频器箱集成了主控制器、采集模块、微处理器等功能模块的核心部分，负责采煤机摇臂升级、前进后退行走的控制操作。由各个分系统组成的控制系统是实现采煤机各类操作动作的关键，但该型采煤机控制系统存在控制精度较低、响应速度较慢、报警功能较单一等问题，在采煤机作业过程中，无法及时对故障进行异常报警、故障定位及排除，整体控制性能比较落后。针对这些情况，对控制系统进行升级改进。

2 总体方案设计

根据采煤机的作业工况，对该设备的电气控制系统进行了总体设计。设计的控制系统包括控制器、GUI界面显示器、模拟量采集模块、信号采集模块、开关量采集模块、开关量输出模块、CAN总线通讯模块等部分，信号采集模块主要负责对采煤机中截割电机温度、牵引电机温度、变压器温度等进行实时数据检测，模拟量采集模块主要负责对进水压力、冷却水压力、轴倾角等参数进行检测。采集的数据信号通过CAN总线方式输送至RAM处理器，通过处理器将电信号向数字信号转换后，结合所设计的计算公式进行数据的分析、判断和处理，处理结果通过控制模块传输至遥控器、液晶显示器。当遥控器接收到遥控信息后，利用控制单元通过CAN总线进行控制信号发送，在开关量输出模块中进行电信号转换后，传输至各类变频器、电磁阀、继电器、接触器等执行部件中，实现对各部件的远程自动控制操作。通过控制系统中的主变频器部件，利用开关量采集模块能实现对电机漏电、超温节点、报警节点等信号的控制。整个控制系统的总体方案如图1所示。

图1 控制系统总体方案Fig.1 Overall scheme of control system

3 控制系统关键部分设计

3.1 主控制模块设计

主控模块是整个控制系统的核心部分，集成了微处理器、开关量输出模块、开关量输出模块、电源模块、LCD显示接口、CAN总线通讯模块等，其基础是基于PCB电路板和层叠结构进行设计，通过各分模块的相互连接，形成一套系统的主控模块，主控模块的电路板如图2所示。

图2 主控电路板Fig.2 Main control circuit board

控制板通过CAN总线实时接收模拟量采集模块、开关量采集模块等方面的数据信息，接收键盘、按键及遥控器等硬件输入的控制命令，经过微处理器分析计算后，将分析处理后的控制命令通过CAN总线输出至模拟量输出模块及执行单元中。LCD显示器能实时收集采煤机的各类操作状态及设备运行状态数据信息，完成整个控制系统的数据接收、处理分析及数据发送等操作。

3.2 CAN总线通信单元设计

针对700型采煤机电气控制系统，选用CAN总线进行设备的现场通讯。通讯单元模块选用SJA1000型总线控制芯片，并与TJA1040型高速收发器进行控制驱动，支持CAN2.0通讯协议和不同的通讯接口，电路如图3所示。

图3 CAN总线通讯单元电路图Fig.3 Circuit diagram of CANbus communication unit

CAN总线通讯模块配备多个电阻、电容，工作电压为DC24V，能实现通讯及数据采集和控制。在该电路中，对每个CAN节点采用了专用的CAN隔离接收器，提高网络抗干扰性能。电路中，FGND为屏蔽接地，CGND为收发器接地，保障整个电路的运行安全。

3.3 ARM处理器选型设计

根据该控制系统的现场使用情况，配备了3个ARM系列的微型处理器，主要选用了NXP公司的LPC2368型处理器，具有数据运算效率高、数据处理量大等特点。该处理器采用了32位指令，工作频率为72Hz，内部集成了512KB的Flash闪存。处理器能通过AHB1总线进行SRAM、USB3.0等接口扩展，通过AHB2进行以太网的功能扩展。该处理器主要作为采煤机控制系统中的主控制CPU，能将接收的电信号转化为数字信号，并对采集数据进行分析处理，判断结果直接传输至GUI控制界面中，若采煤机出现异常故障情况时，该处理能将故障处理信号发送至报警器中，以实现对采煤机运行状态的实时显示和报警。ARM处理器内部结构如图4所示。

图4 ARM处理器内部结构Fig.4 Internal structure of ARMprocessor

4 控制系统应用评价

在完成采煤机控制系统的总体设计后，为验证该控制系统的实际控制性能，在晋圣上孔煤业700型采煤机设备上进行了实际控制性能研究，对该控制系统对采煤机中截割电机和驱动电机的作业温度、截割进给速度、故障报警控制等方面进行验证。

实践表明，该控制系统运行良好，能实时、准确的对采煤机作业状态进行显示和控制，对数据的采集及分析处理能力较快，所设计的GUI显示界面可以全面显示采煤机的截割速度、各电机温度等参数。当采煤机出现油温过高、截割失效等异常情况时，系统可以针对性的切断采煤机的应急电源或主电源，并及时发出相应的报警提示。

经过6个月左右的应用测试，采煤机的故障率降低了40%，煤矿开采效率也得到了大幅度提高，人员也只需通过控制界面对采煤机各类情况进行操作控制，降低了人员的劳动强度，整体控制性能达到了预期效果。

5 结 语

随着控制技术的不断升级，开展采煤机控制系统的升级设计研究，已成为当前提高采煤机作业效率及安全性的重要方向。在分析晋圣上孔煤业700型采煤机结构特点基础上，对采煤机作业过程中的控制系统进行了总体方案及关键分系统设计。通过在晋圣上孔煤业的实际应用表明，该控制系统运行良好，能实时准确的对采煤机的远程控制及状态显示，整体智能化程度更高，故障报警功能全面，使采煤机的故障率降低了40%，提高了采煤机的作业效率及安全性，达到了预期控制效果。