張晉敏

(山煤集團(tuán)蒲縣豹子溝煤業(yè)，山西 臨汾 041000)

0 引 言

煤礦是國(guó)家重要的能源，而在國(guó)家快速發(fā)展的趨勢(shì)下，對(duì)煤礦的需求量也逐年增多。采煤機(jī)作為井下煤礦開采的重要設(shè)備，已在全國(guó)各大煤礦中進(jìn)行了最為廣泛的應(yīng)用。而電控系統(tǒng)則是保證采煤機(jī)高效率煤礦開采和設(shè)備運(yùn)行安全的重要部位。目前，采煤機(jī)中的電控系統(tǒng)存在控制精度較低、響應(yīng)速度慢、誤判率高等問(wèn)題，隨著控制技術(shù)的不斷提升，現(xiàn)有的電控系統(tǒng)已無(wú)法滿足當(dāng)下采煤機(jī)的使用需求。提高采煤機(jī)電控系統(tǒng)的綜合性能，已成為當(dāng)下各煤礦企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)重點(diǎn)關(guān)注的方向。因此，以采煤機(jī)電控系統(tǒng)工作原理分析為基礎(chǔ)，開展了對(duì)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，并將該系統(tǒng)在淮北礦業(yè)采煤機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試，這對(duì)提高采煤機(jī)的工作效率及作業(yè)安全具有重要作用。

1 采煤機(jī)電控系統(tǒng)工作原理

采煤機(jī)的采煤作業(yè)，必須通過(guò)電控系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)不同開采力及采煤工況的使用需求。結(jié)合市場(chǎng)上采煤機(jī)電控系統(tǒng)組成情況，其結(jié)構(gòu)主要由信號(hào)采集單元、核心控制單元、I/O控制層、運(yùn)行參數(shù)采集單元、上機(jī)位監(jiān)控層等組成，而不同功率的采煤機(jī)則根據(jù)開采需要，進(jìn)行性能選裝設(shè)計(jì)。電控系統(tǒng)的工作原理主要為：首先在采煤機(jī)上安裝機(jī)載傳感器，通過(guò)該傳感器對(duì)采煤機(jī)設(shè)備進(jìn)行信號(hào)采集，再將采集的信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾、處理后，傳輸至電控系統(tǒng)的控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷，電控系統(tǒng)最終會(huì)根據(jù)控制指令大小，調(diào)節(jié)電機(jī)的工作電流，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)不同功率大小的控制。同時(shí)，所設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)配備了人機(jī)顯示界面，可將采煤機(jī)的工作電流、工作溫度、工作電壓等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制。目前，所設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)具有較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和信號(hào)分析能力，且運(yùn)行較為穩(wěn)定，各傳輸數(shù)據(jù)之間也采用專門的通訊協(xié)議，由此，保障了電控系統(tǒng)的綜合性能，也大大提高了采煤機(jī)的開采效率。

2 采煤機(jī)電控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合采煤電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，在現(xiàn)有市場(chǎng)上采煤機(jī)電控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括關(guān)量電路、數(shù)據(jù)采集單元、電源模塊、模擬量電路、CPU核心控制單元、通信電路、I/O控制單元等部分。其中，數(shù)據(jù)采集單元中設(shè)置了多種傳感器，可對(duì)采煤機(jī)中的工作電流、工作溫度、工作電壓、線路是否漏電等情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，基本包含了采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中主要數(shù)據(jù)參數(shù)的采集。而CPU核心控制單元?jiǎng)t主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)中采集數(shù)據(jù)的運(yùn)算、判斷、相關(guān)通訊協(xié)議的連接控制及轉(zhuǎn)換、處理結(jié)果傳輸至人機(jī)顯示界面等功能，其處理器采用的是500 MHz，具有較高的處理速度；另外，該電控系統(tǒng)的電源模塊中設(shè)置了AC/DC轉(zhuǎn)換器，可將交流市電轉(zhuǎn)為24 V的直流電壓，再通過(guò)設(shè)計(jì)的DC/DC和電容濾波進(jìn)行降壓，最終轉(zhuǎn)為為不同等級(jí)的電壓值，包括3 V、6 V、12 V等，以此為控制系統(tǒng)中各元器件提供電源。整個(gè)采煤機(jī)電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

3 采煤機(jī)電控系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

3.1 CPU核心控制單元模塊

CPU核心控制單元是電控系統(tǒng)的硬件組成部分，主要負(fù)責(zé)電控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的分析、數(shù)據(jù)的邏輯運(yùn)算等工作，而處理器則是整個(gè)模塊中的重要部件。因此，整個(gè)模塊的處理器采用了32位RISC處理器，其主頻有500 MHz，配備了2×8個(gè)DMA通道和DMA專用通道，另外，在模塊中配備了2個(gè)高速存儲(chǔ)卡主機(jī)和多個(gè)定時(shí)器，MMC接口也進(jìn)行了兩個(gè)的冗余設(shè)計(jì)，整個(gè)處理器能支撐ARM的雙指令集。所設(shè)計(jì)的CPU控制單元模塊具有處理速度快、存儲(chǔ)量大、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，所選用的處理器已在國(guó)內(nèi)諸多采煤機(jī)設(shè)備中進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。由此，完成了電控系統(tǒng)CPU核心控制單元的設(shè)計(jì)。

3.2 電源模塊設(shè)計(jì)

由于電控系統(tǒng)中包含了較多類型的不同種類的用電部件，對(duì)電控系統(tǒng)提供較為全面的不同等級(jí)電源，能有效保證系統(tǒng)中各部件的正常運(yùn)行。同時(shí)，在電控系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)時(shí)，需將強(qiáng)電和弱電進(jìn)行充分隔離，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。所設(shè)計(jì)的電源模塊，配備了AC/DC轉(zhuǎn)換器，可將外部220 V交流電流轉(zhuǎn)換為低電壓的直流電流。在整個(gè)電控系統(tǒng)中，顯示界面和各類繼電器等設(shè)備主要采用的是24 V電源，而其他用電設(shè)備基本采用的是5 V電壓，因此，可首先通過(guò)AC/DC轉(zhuǎn)換器，將交流電源轉(zhuǎn)換為24 V直流電源，以滿足24 V用電設(shè)備的使用需求，同時(shí)，通過(guò)降壓和電容濾波后，再將24 V電源轉(zhuǎn)換為5 V電源，以滿足其他設(shè)備的用電需求。為保證電壓降低過(guò)程中的安全性，在交流轉(zhuǎn)直流過(guò)程中，設(shè)計(jì)了保險(xiǎn)絲，以防止過(guò)大電流的影響。另外，在5 V輸出端增加了陶瓷電容和電解電容，可有效保證輸出電壓的穩(wěn)定性。最后，在整個(gè)電源模塊中，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)電壓的電源指示燈。由此，完成了電控系統(tǒng)電源模塊的設(shè)計(jì)。

3.3 遙控器程序設(shè)計(jì)

遙控器程序是電控系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的重要組成部分，因此，該程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)。電控系統(tǒng)開始后，首先對(duì)遙控器進(jìn)入初始化狀態(tài)，并在電流為22uA狀態(tài)下進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待外部信號(hào)的輸入。當(dāng)操作人員接受到操作命令后，開始對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行操作，通過(guò)手動(dòng)方式，對(duì)系統(tǒng)中的單片機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)或切斷操作，遙控器對(duì)輸入操作信號(hào)進(jìn)行判斷，發(fā)出是否進(jìn)入工作模式的命令，由此，激活系統(tǒng)中的無(wú)線模塊，并向主機(jī)發(fā)出相應(yīng)的任務(wù)信號(hào)，通過(guò)顯示燈來(lái)提示是否完成任務(wù)發(fā)送。同時(shí)，遙控器通過(guò)對(duì)人機(jī)顯示界面上采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)的信號(hào)分析，發(fā)出操作命令信號(hào)，當(dāng)操作信號(hào)成功發(fā)送后，將通過(guò)遙控器上的顯示燈進(jìn)行常亮顯示，由此，準(zhǔn)確、快速完成采煤機(jī)相關(guān)操作信號(hào)的遠(yuǎn)程發(fā)送和控制。遙控器數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 電控系統(tǒng)遙控器程序設(shè)計(jì)流程圖

4 電控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

根據(jù)前文的設(shè)計(jì)分析，完成了采煤機(jī)電控系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但其系統(tǒng)性基本為理論分析，為進(jìn)一步掌握其系統(tǒng)的控制性能，將其在淮北礦業(yè)中采煤機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試，首先在采煤機(jī)上安裝各類傳感器設(shè)備，通過(guò)專門的信號(hào)傳輸線，將整個(gè)系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行快速連接，完成了采煤機(jī)電控系統(tǒng)將近6個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該電控系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行正常，且能對(duì)采煤機(jī)的工作電壓、電機(jī)功率、電機(jī)溫度、設(shè)備振動(dòng)情況等信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確采集和顯示，針對(duì)采煤機(jī)設(shè)備發(fā)生故障問(wèn)題時(shí)，能及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示；同時(shí)，在顯示界面中，能準(zhǔn)確的將各類信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，所反映的數(shù)據(jù)信息基本包括了采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的所有狀態(tài)信息。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員介紹，該控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，采煤機(jī)的發(fā)生的故障率降低了65%左右，整體生產(chǎn)效率提高了30%，初步估算，半年后，為企業(yè)增加了將近50萬(wàn)的經(jīng)濟(jì)效益，并得到了該煤礦工作人員的一致好評(píng)。由此，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)電控系統(tǒng)在一定程度上具有較好的可行性。

5 結(jié) 論

提高采煤機(jī)電控系統(tǒng)的綜合性能，是當(dāng)下保證采煤機(jī)高效率煤礦開采的重要基礎(chǔ)。因此，采用現(xiàn)有的控制技術(shù)，對(duì)采煤機(jī)電控系統(tǒng)中的總體方案、CPU 核心控制單元、電源模塊、遙控器程序等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，得出：

(1) 該電控系統(tǒng)功能更加全面，控制精度更高，智能化遠(yuǎn)程控制能力更強(qiáng)。

(2) 該電控系統(tǒng)的應(yīng)用，使企業(yè)的生產(chǎn)效率提高了30%，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益50萬(wàn)左右，得到行業(yè)人員的一致好評(píng)。

(3) 該系統(tǒng)可在其他采煤機(jī)上進(jìn)行推廣應(yīng)用，也對(duì)提高采煤機(jī)的工作效率及作業(yè)安全具有重要作用。