采煤机分布式控制系统设计与应用研究

张文元

(西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089)

在我国的能源结构体系中，煤炭资源始终占据第一重要位置，在可预见的未来，煤炭作为第一能源的现状基本不会出现颠覆性的变化。采煤机是煤矿开采过程中非常重要的设备，随着社会对煤炭资源需求量的不断增加，对采煤机生产效率的要求也越来越高[1]。为顺应社会发展，当前使用的采煤机性能越来越优越，是集液压、电气和机械于一体的综合装备。如此复杂的装备，如何对其进行精确、高效的控制是一个难度较大的问题，也是煤矿企业提升采煤效率的瓶颈[2-3]。近几年来，我国煤矿领域正由粗放型发展逐渐转向精细化方向发展，对煤矿设备控制系统的要求越来越高。在此期间对采煤机控制系统进行了大量的研究，也取得了很多的成果[4]。笔者结合自己工作实践，研究设计了一种分布式控制系统，并将其应用到采煤机工程实践中，取得了很好的应用效果，对于提升采煤机的自动化水平具有重要的实践意义。

1 采煤机分布式控制系统整体方案

1.1 分布式控制基本思想

根据对系统控制的集中程度，可以将控制系统分为集中控制系统和分布式控制系统。所谓集中控制系统，是将所有数据信息传输到控制器中进行分析和处理，控制指令也由该控制器发出。这种控制模式对控制器的CPU性能要求较高，必须具备高的可靠性，一旦控制器出现故障，整个控制系统就无法正常工作[5]。

分布式控制系统是将整个系统划分成为不同部分，每个部分利用控制器进行单独控制，再将每个控制器的数据进行汇总分析[6]。这种控制模式具有分散控制、集中管理的优势，能有效规避集中控制系统在实践中暴露出的缺陷。采煤机是一个非常复杂的系统，涉及到机械控制、电机控制等，非常适合采用分布式控制系统。在设计采煤机分布式控制系统时，充分利用采煤机当前已有的各种控制系统，对这些系统进行整合，实现集中管理[7]。

1.2 分布式控制系统整体框架

在采煤机已有的多个控制系统的基础上，开发分布式控制系统，对原系统的整体框架、硬件选型及功能进行优化设计。新系统的控制器为32位，可以实现DSP+FPGA并行运算，性能优越，其中主控制器和从控制器分别为DX-M3530型和DX-M302型。该控制器的CPU具有超强的计算能力，计算次数可以超过5亿次/s，总共设置了8路CAN总线，可以利用USB接口和网络接口实现数据信息的传输。采煤机分布式控制系统原理如图1所示。

图1 采煤机分布式控制系统原理Fig.1 Principle of distributed control system of coal shearer

为了确保数据信息的传输速度，设计的分布式控制系统采用CAN总线技术来构建网络传输通道[8]。用传感器对采煤机不同部位的运行状态数据信息(包括温度、油路、水路、电流、电压、通信等数据)进行采集，不同控制单元之间通过CAN总线实现数据信息的交流与共享。通过对数据信息的综合分析，能显著提升系统控制的可靠性及正确性。采煤机是综采工作面中最为关键和重要的设备，如何提升其运行过程的可靠性和稳定性是所有采煤企业面临的重要问题。通过分布式控制系统可以实现采煤机不同部位的分布式控制，从而提升控制系统本身的可靠性，为采煤机稳定运行奠定坚实的基础。

1.3 分布式控制系统网络模型

通过调研和查阅文献可以发现，当前阶段采煤机控制系统中采用的网络通信形式主要包括CAN总线、RS485、RS232等[9-10]。通过对不同网络通信方式优点和缺点的对比，最终选用CAN总线作为本分布式控制系统的网络通信形式，因为这种网络通信模式可以解决不同控制系统与现场检测装置之间进行数据传输的问题。采煤机分布式控制系统的网络模型如图2所示。分布式控制系统由多个子系统共同构成，比如采集系统、遥控器系统、变频器系统等。各子系统都具备CAN总线通信的功能，各子系统可以对系统内装置的运行动态数据进行采集、分析处理，并下达控制指令。同时，各子系统之间还可以基于CAN-BUS实现数据信息的互联互通。基于分布式控制系统，不仅可以对采煤机的运行状态进行监测与控制，还可对系统进行拓展并配套使用软件程序，实现采煤机的记忆结构、远距离通信控制、自动牵引等功能，达到智能化生产的效果。

图2 采煤机分布式控制系统的网络模型Fig.2 Network model of distributed control system of coal shearer

2 基于CAN总线的控制器设计

2.1 控制器的技术参数

(1)主控制器。主控制器为DX-M3530型，该控制器配置的微处理器及内存分别为32位和6 M，具有多个CAN接口和串行接口，可以根据实际情况对处理器的拓展模块进行灵活配置，满足该系统的实际使用需要。DX-M3530型主控制器的优势在于可以对分布式控制系统中的各种执行程序以及电压进行监控。控制器的供电电压为8～32 V，内置的CPU处理器型号为TC1796，为32位，工作主频为150 MHz，性能优越。具有CAN总线接口4个，RS485接口2个，RS232接口1个。

(2)从控制器。从控制器通过CAN总线实现与主控制器之间的连接，作用是对主控制器的性能和接口进行进一步扩展，以提升分布式控制系统的性能和扩展性。选用的从控制器型号为DX-M302，基于CAN-OPEN与主控制器进行连接。该控制器的供电电压为8～32 V，内置的CPU处理器型号为XC2287，为32位，工作主频为80 MHz。通信方面，具有CAN总线接口2个，RS232接口1个。

2.2 控制器工作流程设计

分布式控制系统设置有主控制器和从控制器，不同控制器负责完成不同的内容，两者分工合作。其中，主控制器需要完成的任务主要包括采煤机通信，控制信号接收，控制传感器并接收、处理传感器的数据信息，对从控制器的运行状况进行监测等。主控制器的工作流程如图3所示。

从控制器需要完成的任务主要是采煤机自保、设备故障闭锁、各个电机运行状态监控等。从控制器的工作流程如图4所示。

2个控制器间通过CAN总线实现数据信息交互。主控制器下达的控制指令需要经过从控制器才能够对采煤机各电机的启停进行控制，从控制器对采煤机的多个电机运行状态进行实时监测，一旦发现电机参数存在安全隐患，则会立即启动故障闭锁功能，对设备进行停机处理。

2.3 控制器显示部分设计

为了提升采煤机分布式控制系统应用的便捷性，结合实际情况设计了控制系统的软件界面。软件界面分为多个层级，不同层级显示不同画面。以下对主要功能进行简要阐述。

图3 主控制器的工作流程Fig.3 Work flow chart of the main controller

图4 从控制器的工作流程Fig.4 Work flow chart of slave controller

(1)主界面。采煤机分布式控制系统主界面如图5所示。由图5可知，在该模块可以实时显示油泵、左牵引、右牵引、破碎机、变频器等设备运行过程中的电流值以及温度，还可以显示工作面相关数据信息，包括工作面倾角、瓦斯浓度等。

图5 采煤机控制系统界面Fig.5 Software interface of shearer control system

(2)遥控系统。该模块可以对遥控器按钮的输入状态进行监测显示，还可显示采煤机遥控器、端头控制站的通信状态信息。

(3)变频器监测。该模块可以对采煤机中使用的两台变频器的运行参数信息进行实时显示，查看变频器状态信息随时间的演变曲线。

(4)参数设置。该模块主要是对采煤机相关结构参数进行输入设置，比如采煤机滚筒半径、牵引中心距离、摇臂长度等。另外，还可输入工作面相关参数，以便采煤机自动化运行，比如可以输入工作面中使用的支架数量、支架宽度等信息。

(5)传感器监测。对分布式控制系统中使用的传感器运行状态进行监测，可以查看这些传感器监测得到的数据信息。

(6)采煤机历史故障。采煤机运行过程中产生的故障信息，全部会存储到数据服务器中以便后续调取查看。采煤机运行时，一旦控制系统检测发现存在故障问题，立即会在软件界面弹出警告信息，同时启动故障闭锁功能，自动转入历史故障界面。

3 分布式控制模块的设计

3.1 分布模块及其功能

(1)电源模块。由于分布式控制系统内部包含有很多硬件，不同硬件对电源的要求存在一定差异。电源模块的作用是将24 V DC电源转换成为3.3 V DC和5 V DC的电源，供分布式控制系统不同硬件使用。

(2)通信模块。通信模块的作用是实现不同模块之间数据信息的交互，系统中选用的CAN收发器芯片属于隔离芯片。

(3)PT100检测模块。该模块主要是对PT100运行过程中的温度进行检测，系统中共包含8路PT100接口，且全部使用三线制接法。

(4)倾角检测模块。该模块的作用是对采煤机倾角进行实时检测。选用ADXL362型加速度传感器。

(5)温湿度检测模块。该模块的作用是对采煤机周围环境中的温度和湿度进行实时检测，选用HDC1050型传感器。

3.2 分布式模块硬件

分布式控制模块的硬件框架如图6所示，从图6中可以看出，分布式模块硬件主要由倾角检测模块、电源模块、PT100检测模块、CAN通信模块、温湿度检测模块等部分构成，以下针对这些模块进行详细介绍。

图6 分布式控制模块的硬件框架Fig.6 Hardware framework of the distributed control module

(1)电源缓冲电路。缓冲电路的作用是对硬件部分的输入电源进行稳定处理，确保供电过程的稳定性。分布式模块硬件部分电源缓冲电路基本原理如图7所示。由图7可知，24 V电源需要经过保险丝再通过肖特基二极管，防止电源反向供电。然后再通过电源缓冲电路，其中缓冲电路由3个元器件构成，分别为MOS管Q1、电阻R2、电容C1。

图7 电源缓冲电路基本原理Fig.7 Basic schematic diagram of power buffer circuit

(2)CAN通信电路。CAN通信电路的作用是实现CAN总线的数据传输，CAN通信电路原理框架如图8所示。U1是CAN通信电路中的核心模块，可以对通信电路进行控制，选用的处理器型号为PIC18F45K80，该处理器内置有CAN模块，非常适合本系统。CAN通信电路中的CAN收发器是非常重要的构成部分，会影响数据的收发效率和质量，结合实际情况选用的CAN收发器芯片型号为ISO1050。此芯片属于隔离芯片，需要采用专门的隔离电源对其进行供电，系统中选用的隔离电源型号为B0505D-1W。CAN通信过程中需要使用ID拨码和波特率拨码，可以利用旋转拨码开关对上述2种拨码形式进行控制。

图8 CAN通信电路原理Fig.8 Block diagram of CAN communication circuit

(3)PT100检测电路。系统中PT100采用三线制接法，为了确保PT100运行过程的可靠性和稳定性，需要对PT100运行过程中的温度值进行检测，PT100检测电路原理如图9所示。PT100运行时的电阻值受温度的影响，两者之间存在紧密关系，因此可以利用桥电路对PT100运行时的电阻值进行测量，再通过数据转换，就可以测量得到其温度值。检测得到的电阻值为模拟量信号，需要利用A/D转换模块将其转换成为数字量信号，该部分选用的转换芯片为ADS7844N。另外，SPI通信线路需要利用CAN收发器芯片对其进行隔离，具体的芯片型号分别为ISO7220和ISO7221。同样的，由于芯片属于隔离芯片，需要采用专门的隔离电源对其进行供电，此部分选用的隔离电源型号为B0509D-1W。

图9 PT100检测电路原理Fig.9 Principle block diagram of PT100 detection circuit

(4)倾角和温湿度检测模块。利用ADXL362加速度传感器可以对采煤机的倾角进行实时检测，利用HDC1050芯片可以对采煤机附近的温度和湿度参数进行实时检测。以上传感器或者芯片分别通过SPI接口和I2C接口实现与MCU之间的连接，MCU可以对传感器或者芯片中采集得到的数据信息进行采集。

4 应用效果

将上述的采煤机分布式控制系统设计方案在某煤矿工作面的采煤机中进行部署安装。为了验证控制系统的实践效果，对其进行了连续6个月的现场监测。经过现场测试发现，控制系统的整体运行比较稳定，基本达到了预期效果，可以很好地对采煤机运行过程进行监测与控制。

(1)分布式控制系统可以准确、全面地对采煤机运行状况进行实时监测与控制，软件界面非常人性化，可以快速地在不同界面之间进行切换，方便监控人员查看数据信息。最重要的是，一旦采煤机出现安全隐患或者故障，软件界面会立即弹出警告信息，并启动紧急闭锁功能，对工作人员进行提示，同时对设备进行保护。显著提升了采煤机运行过程的自动化和智能化水平。

(2)应用分布式控制系统后，设备实现了自动化控制，其运行稳定性和可靠性有了显著提升。根据6个月内统计的故障信息显示，与应用系统前相比较，采煤机故障率降低了50%以上。为煤矿企业节省了大量的设备维护和保养成本，初步估算，6个月时间内为煤矿企业节省了50万元左右的维修成本。另一方面，故障率降低的同时延长了采煤机的开机时间，为采煤效率的提升奠定了坚实的基础，初步估算采煤能力提升了8.5%左右。

5 结论

主要以采煤机为研究对象，对其分布式控制系统进行了详细的设计与研究，并将其应用到工程实践中。

(1)基于分布式控制思想，设计研究了采煤机控制系统，利用多个控制器同时对不同模块分别进行控制，最终将相关数据进行汇总分析。分布式控制系统采用主控制器和从控制器，分别完成不同的控制内容，共同实现系统功能。

(2)对电源模块、通信模块、PT100检测模块、倾角检测模块、温湿度检测模块的功能及对应的电路进行了详细介绍。

(3)将设计的分布式控制系统应用到采煤机中，显著提升了采煤机的自动化水平，同时设备的运行效率也得到了很好的提升，为煤矿企业创造了良好的经济效益。

参考文献(References)：

[1] 梁毅勇.煤矿采煤系统智能控制技术研究[J].能源与环保，2021，43(3)：154-157，168.

Liang Yiyong.Research on intelligent control technology of coal mine mining system[J].China Energy and Environmental Protection，2021，43(3)：154-157，168.

[2] 雍建军.煤矿采煤机牵引速度和滚筒高度智能协调控制方法研究[J].能源与环保，2020，42(7)：159-162.

Yong Jianjun.Study on intelligent coordinated control method of traction speed and drum height of coal shearer[J].China Energy and Environmental Protection，2020，42(7)：159-162.

[3] 李光.电牵引采煤机变频器设备常见故障及处理措施[J].黑龙江科学，2016(1)：153.

Li Guang.Common faults and treatment measures of frequency converter equipment of electric traction shearer[J].Heilongjiang Science，2016(1)：153.

[4] 杨德财，李磊，王义亮.采煤机截割部行星传动轮系动力学分析[J].矿山工程，2019，7(3)：304-312.

Yang Decai，Li Lei，Wang Yiliang.Dynamic analysis of the planetary gear train in the cutting section of the shearer[J].Mine Engineering，2019，7(3)：304-312.

[5] 禹明哲.大倾角放顶煤智能化工作面建设方案与分析[J].能源与环保，2021，43(2)：141-145.

Yu Mingzhe.Construction plan and analysis of intelligent top coal caving working face with large inclined angle[J].China Energy and Environmental Protection，2021，43(2)：141-145.

[6] 黎锦棠.基于混合型分布式终端配置的智能馈线自动化控制研究[J].能源与环保，2017，39(12)：259-262，271.

Li Jintang.Research on intelligent feeder automation control based on hybrid distributed terminal configuration[J].China Energy and Environmental Protection，2017，39(12)：259-262，271.

[7] 王志鹏.采煤机电气分布式控制系统应用[J].区域治理，2019(4)：283.

Wang Zhipeng.Application of electric distributed control system of shearer[J].Regional Governance，2019(4)：283.

[8] 杨秀宇，李晓波，孙鹏亮.采煤机远程通信控制技术研究[J].煤矿机械，2020，41(6)：38-40.

Yang Xiuyu，Li Xiaobo，Sun Pengliang.Research on remote communication control technology for shearer[J].Coal Mine Machinery，2020，41(6)：38-40.

[9] 周洋.采煤机滚筒自动调高控制系统研究[J].机械管理开发，2020，35(10)：238-240.

Zhou Yang.Automatic control and high regulating system of the rattler of the shearer[J].Mechanical Management and Development，2020，35(10)：238-240.

[10] 刘春亮.交流变频调速采煤机恒功率自动控制系统研究[J].机电工程技术，2019，48(4)：49-50，139.

Liu Chunliang.Research on constant power automatic control system of AC variable frequency speed control shearer[J].Mechanical & Electrical Engineering Technology，2019，48(4)：49-50，139.