(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院，山西 太原 030006)

0 引言

隨著我國(guó)煤礦生產(chǎn)能力的提高和安全高效生產(chǎn)的需要，連續(xù)采煤機(jī)、掘錨機(jī)等短壁高效采掘設(shè)備的廣泛應(yīng)用[1]，對(duì)與之相匹配的輔助運(yùn)輸設(shè)備要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的掘錨后配套產(chǎn)品(如梭車(chē)、運(yùn)煤車(chē))都是斷式運(yùn)輸設(shè)備，而連續(xù)采煤機(jī)在截割煤炭時(shí)受到中間運(yùn)輸?shù)南拗疲瑹o(wú)法連續(xù)工作，降低了連續(xù)采煤機(jī)的生產(chǎn)效率。

結(jié)合現(xiàn)代高產(chǎn)高效礦井的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)以及建設(shè)的要求，中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院研制的連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效煤炭短壁開(kāi)采的后配套設(shè)備。連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)由5臺(tái)具有獨(dú)立行走、破碎和運(yùn)輸功能的履帶式自移轉(zhuǎn)載機(jī)及5臺(tái)跨接橋式轉(zhuǎn)載機(jī)組成。系統(tǒng)與連續(xù)采煤機(jī)配套使用，可實(shí)現(xiàn)煤炭的采、裝、運(yùn)的機(jī)械化、連續(xù)化，取消了間斷運(yùn)輸?shù)闹芷谛缘却龝r(shí)間，延長(zhǎng)了采煤機(jī)截割時(shí)間，從而提高了采煤機(jī)的開(kāi)機(jī)率，在一定程序上實(shí)現(xiàn)了連續(xù)采煤機(jī)連續(xù)采煤的目標(biāo)。

電氣控制系統(tǒng)是連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)最重要的組成部分之一，通過(guò)Modbus通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)單元間信息交流，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)各單元的協(xié)同運(yùn)輸作業(yè)，以及對(duì)電動(dòng)機(jī)、預(yù)警、照明、急停等輔助設(shè)備的控制與保護(hù)。通過(guò)基于Modbus總線(xiàn)的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備各單元的邏輯控制、保護(hù)和組網(wǎng)通信。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了多種復(fù)合邏輯控制功能，而且任務(wù)分工明確、實(shí)時(shí)性好、控制系統(tǒng)集成度強(qiáng)。

1 運(yùn)輸電氣系統(tǒng)組成和功能

電氣控制系統(tǒng)主要由電氣控制箱、操作箱、顯示箱、傳感器及多個(gè)大功率電機(jī)等組成，如圖1所示。

圖1 電控系統(tǒng)組成

連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)[2]在滿(mǎn)足單臺(tái)獨(dú)立運(yùn)輸作業(yè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)Modbus總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)逆煤流啟動(dòng)、順煤流停止智能邏輯控制，保證各單元協(xié)同高效運(yùn)輸作業(yè)。同時(shí)，系統(tǒng)配有完善的故障診斷功能和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)顯示功能。

1.1 電氣控制箱

電氣控制箱是連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備的核心控制部分，主要由煤礦用防爆箱體、PLC控制器、斷路器、接觸器、繼電器、綜合保護(hù)器、電流傳感器等器件組成?？刂葡渚哂羞^(guò)載、短路、缺相保護(hù)以及電機(jī)超溫及漏電等多種保護(hù)功能，具有單系統(tǒng)及多系統(tǒng)控制工作模式。在連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)中，5臺(tái)履帶式自移轉(zhuǎn)載機(jī)分別配有相對(duì)獨(dú)立的電氣控制箱，能實(shí)現(xiàn)多個(gè)電機(jī)復(fù)合邏輯控制與保護(hù)以及傳感器采集與處理，還可與操作箱、顯示箱進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

1.2 操作箱

操作箱是系統(tǒng)各執(zhí)行器件的開(kāi)關(guān)，主要由煤礦用防爆箱體、控制按鈕、急停開(kāi)關(guān)及萬(wàn)轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)等組成。操作箱通過(guò)控制電纜直接與PLC輸入點(diǎn)相連。開(kāi)關(guān)按鈕主要包括電機(jī)啟?？刂?、照明控制、通信控制、故障查詢(xún)、復(fù)位等。萬(wàn)轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)主要包括選擇電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向及電氣控制箱工作模式。急停開(kāi)關(guān)的作用是當(dāng)機(jī)器處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)急停開(kāi)關(guān)切斷電源，停止設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到保護(hù)人身和設(shè)備安全的目的。

1.3 傳感器

連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備上裝有多個(gè)傳感器。電流傳感器用于采集各個(gè)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的工作電流。Pt100用于采集電機(jī)溫度，其采集信號(hào)傳給PLC模擬量輸入模塊，通過(guò)PLC控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，以達(dá)到對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和保護(hù)。溫度和壓力傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)，以達(dá)到對(duì)液壓系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和保護(hù)，并通過(guò)顯示器實(shí)時(shí)顯示電機(jī)電流、溫度及液壓系統(tǒng)壓力、溫度。傳感器的應(yīng)用提高了系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、可靠性，對(duì)保證設(shè)備的安全運(yùn)行具有積極意義。

1.4 顯示箱

顯示箱由煤礦用防爆箱體及顯示器等組成。顯示器通過(guò)RS- 485接口與S7-200 PLC的P1口相連，通過(guò)PPI協(xié)議將PLC狀態(tài)信息傳輸?shù)斤@示器。顯示器顯示連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)電機(jī)電流及溫度、液壓系統(tǒng)壓力及油溫等系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)；系統(tǒng)故障時(shí)顯示故障信息，供用戶(hù)參考。顯示器是操作者與系統(tǒng)進(jìn)行信息交換的窗口。

1.5 通信功能

連續(xù)運(yùn)輸電氣系統(tǒng)中各個(gè)電氣控制箱之間通過(guò)Modbus總線(xiàn)進(jìn)行信息交流。1號(hào)車(chē)為主站，采用主站輪詢(xún)機(jī)制查詢(xún)各子站運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯控制，以及系統(tǒng)高性能化、高可靠化、保養(yǎng)簡(jiǎn)便化，節(jié)省配線(xiàn)。

2 Modbus協(xié)議及其數(shù)據(jù)傳輸

Modbus[3]是工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，是現(xiàn)今工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。通過(guò)Modbus協(xié)議，控制器之間、控制器和其他設(shè)備之間可以通信。不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的控制設(shè)備可通過(guò)Modbus協(xié)議連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。

Modbus協(xié)議是一個(gè)主從架構(gòu)的協(xié)議。一個(gè)節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，其他使用Modbus協(xié)議參與通信的節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)從設(shè)備都有唯一的地址。在串行網(wǎng)絡(luò)中，只有被指定為主節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)可以啟動(dòng)一個(gè)命令(在以太網(wǎng)上，任何一個(gè)設(shè)備都能發(fā)送一個(gè)Modbus命令，但是通常也只有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)設(shè)備啟動(dòng)指令),其他的從設(shè)備只能通過(guò)提供數(shù)據(jù)響應(yīng)主節(jié)點(diǎn)的查詢(xún)或根據(jù)查詢(xún)作出相應(yīng)動(dòng)作。Modbus主、從設(shè)備查詢(xún)響應(yīng)原理框圖如圖2所示。

圖2 Modbus主從設(shè)備查詢(xún)響應(yīng)原理框圖

連續(xù)運(yùn)輸控制系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程終端設(shè)備(remote terminal unit,RTU)模式，包括串口通信參數(shù)(波特率、校驗(yàn)方式等)。在配置每個(gè)控制器時(shí)，一個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。當(dāng)連續(xù)運(yùn)輸控制系統(tǒng)1號(hào)車(chē)發(fā)送命令時(shí)，符合相應(yīng)地址碼的設(shè)備接收信息。如果信息沒(méi)有出錯(cuò)，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，然后把執(zhí)行結(jié)果返送給1號(hào)車(chē)。返回的信息包括地址碼、執(zhí)行動(dòng)作的功能碼、執(zhí)行動(dòng)作后結(jié)果的數(shù)據(jù)及錯(cuò)誤校驗(yàn)碼。信息幀結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 信息幀結(jié)構(gòu)

地址碼是信息幀的第一個(gè)字節(jié)，是主機(jī)將要訪(fǎng)問(wèn)的從站地址。從站回應(yīng)信息時(shí)，也將自己的地址存入地址碼，以便主機(jī)知道信息從哪個(gè)從站返回。

主機(jī)發(fā)送的功能碼告訴從機(jī)要執(zhí)行什么任務(wù)。如本控制程序的功能代碼03是要求從設(shè)備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容。

數(shù)據(jù)區(qū)是Modbus總線(xiàn)設(shè)備完成功能碼必需的附加信息。如保護(hù)寄存器地址、將要處理項(xiàng)目的數(shù)量和起始地址。

CRC校驗(yàn)碼是兩字節(jié)的錯(cuò)誤檢測(cè)碼。

3 PLC主站與從站的通信配制

主站與從站通過(guò)PLC上的通信口Port1組成Modbus通信網(wǎng)絡(luò)。編程軟件Step7 MircoWin自帶Modbus子令庫(kù)。根據(jù)連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)的工況特點(diǎn)，采用主站輪詢(xún)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。

控制系統(tǒng)1號(hào)車(chē)為Modbus主站。系統(tǒng)通過(guò)控制軟件輪流讀取[4]各從站運(yùn)行狀態(tài)及控制2、3、4、5號(hào)運(yùn)輸單元順序啟停[5]。系統(tǒng)正常時(shí)，1號(hào)車(chē)通過(guò)操作箱上的“轉(zhuǎn)載順啟/?！卑存I可控制整套連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)。從5號(hào)車(chē)開(kāi)始順序啟動(dòng)，從1號(hào)車(chē)順序停止。當(dāng)從站有停機(jī)時(shí)，其前面運(yùn)輸單元立即停止運(yùn)輸，防止堆煤現(xiàn)象產(chǎn)生。控制軟件通信流程如圖3所示。

圖3 軟件通信流程

4 抗干擾設(shè)計(jì)

應(yīng)用于煤礦井下的連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，空氣潮濕。控制系統(tǒng)工作時(shí)不僅要受到來(lái)自電網(wǎng)的“噪聲”干擾，而且系統(tǒng)內(nèi)也存在較大的干擾源，如各個(gè)主回路電流的頻繁變化和真空接觸器本身的操作過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲。更為嚴(yán)重的是該高頻信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)和空間進(jìn)入控制系統(tǒng)內(nèi)部，會(huì)造成通信程序中斷，導(dǎo)致控制系統(tǒng)不能正常工作。這對(duì)控制系統(tǒng)各單元的抗干擾性能提出了更高的要求[6]。

4.1 硬件抗干擾

為了提高通信的瞬間抗干擾能力，增大通信距離，采用高速光耦6N137實(shí)現(xiàn)Modbus總線(xiàn)間的光電隔離。此外，硬件還采用光電隔離、繼電器隔離、電源隔離、濾波、屏蔽、良好的接地及電路板布線(xiàn)等抗干擾措施。

4.2 軟件抗干擾

軟件抗干擾采用數(shù)字濾波、軟件攔截技術(shù)、去極值平均濾波算法、指令重復(fù)執(zhí)行等措施，可有效減少數(shù)據(jù)采樣誤差，屏蔽輸入的干擾信號(hào)[7]。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的提高，煤礦采掘設(shè)備的控制系統(tǒng)和策略日趨先進(jìn)?？刂萍夹g(shù)與網(wǎng)絡(luò)、通信等技術(shù)的結(jié)合與滲透，使總線(xiàn)控制方式成為煤礦電氣控制系統(tǒng)研究和開(kāi)發(fā)的新方向。連續(xù)運(yùn)輸電氣控制系統(tǒng)采用了基于Modbus總線(xiàn)技術(shù)的信息交互控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了整套系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)信息交流及運(yùn)輸?shù)募锌刂?。?shí)踐表明，該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和抗干擾能力，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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