基于煤礦井下綜采工作面機電設備集中控制系統(tǒng)的設計＊

吾布里·阿依丁，張文強

（新疆工程學院 電氣與信息工程系，新疆 烏魯木齊 830091）

1 引言

目前世界上最先進的采煤工藝是綜合機械化采煤，簡稱為“綜采”，綜采之所以先進是因為破、裝、運、支、處等5個主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)全部實現(xiàn)了機械化，減少了中間人力參與的環(huán)節(jié)，提高了勞動效率。

目前自動化生產(chǎn)礦井的煤炭開采，都采用綜采和綜放技術(shù)。自動化設備及技術(shù)得到廣泛應用。高產(chǎn)高效礦井的綜采工作面，應用大功率多電壓輸出的新型移動變電站，隔爆真空智能型高、低壓開關(guān)，軟啟動電磁啟動器，隔爆組合開關(guān)，電牽引采煤機，液壓支架電液控制系統(tǒng)，計算機安全監(jiān)控及通訊系統(tǒng)等新型機電設備。這些新設備的應用，保障了煤礦的安全、高產(chǎn)高效、自動化生產(chǎn)。

隨著煤炭自動化技術(shù)的發(fā)展，將采煤工作面的采煤機、液壓支架、破碎機、裝載機、刮板輸送機液壓泵站、帶式輸送機等設備的控制系統(tǒng)、工作面通信與監(jiān)控系統(tǒng)及工作面供電系統(tǒng)進行集成，并接入礦井自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)帶式輸送機及工作面設備的集中控制、保護、故障自檢、閉鎖、沿線通信等功能，達到安全、高產(chǎn)高效進行煤炭開采。以采煤機位置為依據(jù)的液壓支架自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)液壓支架跟隨采煤機自動操作，工作面無人化生產(chǎn)是工作面自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢。

由于綜采工作面設備容量大，電動機臺數(shù)多，常采用隔爆組合開關(guān)對工作面設備進行控制。組合開關(guān)是由多個真空接觸器及驅(qū)動器組成的多功能開關(guān)，通過驅(qū)動器控制真空接觸器，便可獨立驅(qū)動對應的電動機。由于現(xiàn)場工作情況復雜，人工觀察設備運行工況，發(fā)布命令控制相應設備，有可能發(fā)生狀態(tài)遺漏、控制不及時的現(xiàn)象，甚至造成誤操作，影響安全生產(chǎn)。

實現(xiàn)綜采工作面機械設備的集中控制，對提高礦井的供電安全、集中管理、集中調(diào)度、高產(chǎn)高效可起到至關(guān)重要的作用。為了更大程度地提高礦井安全、迎合未來無人化工作面的發(fā)展趨勢，煤礦井下綜采工作面大型設備遠程監(jiān)測監(jiān)控功能的實現(xiàn)也至關(guān)重要。

2 集中控制自動化系統(tǒng)

2.1 綜采工作面的集中控制

目前，我國大部分綜采工作面的大型設備都采用智能型組合電器進行集中控制，其中HT6L1-400Z/1140智能型組合開關(guān)是應用較為廣泛的一種，它可以對綜采工作面的采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機等進行集中控制和保護。盡管該組合開關(guān)中的PIC（單片機）具有RS232接口，但它并不具備通訊功能，更不能與現(xiàn)有安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控主干網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)進行遠程控制。以Modbus總線技術(shù)為監(jiān)測監(jiān)控主干網(wǎng)的安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦井下所占比例比較高，為了兼容Modbus現(xiàn)場總線，組合電器中的PIC（單片機）在對工作面電氣設備進行集中監(jiān)控的同時必須支持遠程監(jiān)測與控制，即該監(jiān)控分站對各個電機回路進行實時監(jiān)測、控制和保護的同時，還能響應主站的輪詢，將各負載的電壓、電流、運行狀態(tài)及故障信息上傳；此外該監(jiān)控分站還支持主站的控制命令，如強制多線圈命令（功能碼為十六進制數(shù)0F）、寫多個寄存器命令（功能碼為十六進制數(shù)10）等。

2.2 硬件設計

HT6L1-400Z/1140智能型組合電器的測控系統(tǒng)由信號檢測、信號采集、信號處理、控制方式轉(zhuǎn)換、漢字顯示和PiC組成，可以獨立完成對6路負荷的控制與保護。該測控系統(tǒng)能完成漏電閉鎖、過載、短路、斷相、欠壓和過壓等保護功能，其先導回路為本質(zhì)安全型電路。它有單回路獨立控制、多回路程序控制、單機雙速控制和雙機雙速控制4種運行方式，具有智能化程度高、性能穩(wěn)定、動作可靠等優(yōu)點。

控制系統(tǒng)主要由控制箱，電磁閥控制箱，遙控接收器，顯示箱，傳感器，操作箱等組成，框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計原理框圖

設計的控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對設備上多個電動機的復合邏輯控制和保護，還可實際電磁閥的控制和比例調(diào)節(jié)，本機控制，遙控控制，圖形顯示，網(wǎng)絡通訊，自動截割，采煤工作面控制，液壓系統(tǒng)和減速器齒輪潤滑油的檢測與保護等功能。

控制箱內(nèi)的中央控制器集成了CAN、Modbus、DP三個現(xiàn)場總線，中央控制器與各個主回路控制模塊之間采用DP總線；中央控制器與顯示器、電磁閥控制器、遙控接收器之間采用CAN總線；中央控制器與操作箱之間采用Modbus總線。此外，設備上配置了多個本質(zhì)安全性傳感器，輸出信號傳送給控制箱內(nèi)的隔離柵，經(jīng)隔離和信號轉(zhuǎn)換后輸入到控制箱內(nèi)的中央控制器［7］［8］。

3 電氣控制箱內(nèi)主回路控制模塊

主回路控制模塊內(nèi)的控制器配以相應的外圍接口及信號處理電路，在模塊化軟件的支持下對周期性電量交流采樣，實現(xiàn)各個主回路電機的本地控制，完成對所控制電機的過流、過載、斷相、過熱、過壓、欠壓、以及漏電閉錯等多種保護功能。中央控制器和各個控制模塊之間進行雙向DP通信，控制模塊在接收中央控制器控制信號的同時，并把運行狀態(tài)和故障參數(shù)通過DP總線傳送給中央控制器，框圖如圖2所示。

圖2 中央控制器和控制模塊的通信原理框圖

控制模塊集成了DP總線、模擬量模塊、數(shù)字量模塊和具有處理周期性交流電量信號的采樣模塊等，同時能實現(xiàn)漏電閉錯，過熱保護，PT100信號檢測?？刂颇K內(nèi)的控制器在對采集的信號進行分析、處理、判斷和發(fā)現(xiàn)故障時，能直接輸出給驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，并將具體故障信號傳送給中央控制器。控制模塊實時采集周期性交流電量信號，通過快速博里葉算法，計算出負荷的電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率、電度等，并對以上采集到的電量分析、判斷后，進行過流、過載、缺相、過壓、欠壓等保護。控制模塊的供電電源為220V，變換出工作所需的各種電源。每個控制模塊都有獨立的DP地址，通過硬件改變模塊的地址，可實現(xiàn)各個控制模塊功能的互換。

4 PIC控制電路

硬件電路選用PICl6F877單片機、PC串口通信的MAX232芯片、顯示LCD及信號按鈕、報警器組成。系統(tǒng)把安裝在采煤工作面機電設備信號輸入到PIC微控制器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集控制器，在PIC微控制器內(nèi)部經(jīng)過C語言編制的控制系統(tǒng)進行分析、判斷、軟件處理，輸出開關(guān)控制信號，達到控制的目的。RS232通信信號與PC串口通信用于數(shù)據(jù)傳送，顯示LCD用于裝置就地顯示，按鈕用于臨界值設定，報警器用于事故報警。系統(tǒng)采用KDW65隔爆兼本安多路電源，分別為微處理器系統(tǒng)和顯示報警提供電壓。圖3所示為PIC控制電路圖。

圖3 PIC控制電路圖

5 檢測軟件設計

檢測軟件由信息判斷程序部分、控制信號處理部分、LCD信息顯示部分、RS232串行通信部分組成，程序流程如圖4所示。

圖4 檢測程序流程圖

信息判斷信息處理部分：主要包括系統(tǒng)電機啟動程序、系統(tǒng)初始化程序、數(shù)據(jù)采集接收發(fā)送程序、信息中斷服務程序。

控制信號信息處理部分：主要包括輸入按鍵防抖動程序、輸入信號數(shù)字濾波程序、信號邏輯處理程序、系統(tǒng)優(yōu)化程序接口程序、電氣故障過載、短路、斷相、故障保護程序。

LCD信息處理部分：主要包括LCD初始化程序、LCD使能控制程序、LCD讀寫控制程序。

PICl6F877單片機與PC機RS232串行通信部分：主要包括PICl6F877單片機異步收發(fā)通信程序、應用VB6.0編寫的PC機串口通信程序及顯示界面程序。

6 結(jié)束語

利用現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)成的采掘設備可減少設備復雜的接線，提高了系統(tǒng)的可靠性，可維護性及靈活性，增加了系統(tǒng)的互換性和互操作性，可把各種控制功能分散到各種電氣設備中，實現(xiàn)了對現(xiàn)場設備的分布式控制?，F(xiàn)場總線的控制模塊能處理各種參數(shù)、運動狀態(tài)及故障信息；具有獨立控制功能，并能在網(wǎng)絡故障的情況下獨立工作，大大提高了整個控制系統(tǒng)的可靠性和容錯能力；每個控制模塊可以通過設定參數(shù)實現(xiàn)控制模塊的互換。對周期性電量的采集使用交流采樣技術(shù)，不僅采樣速度快，實時性強，而且能獲得比較多的電量參數(shù)，以實現(xiàn)更為準確的電動機保護。采用多樣化的傳感器，不僅對采掘設備的工況、關(guān)鍵部件進行檢測與保護，而且還實現(xiàn)采煤工作面自動控制和定向功能。此外，圖形顯示為工作人員提供了良好的人機界面，便于工作人員操作和維修，提高了工作效率。

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