采煤机分布式自动安全控制系统的设计_王新宇.pdf

采煤机分布式自动安全控制系统的设计王新宇（晋能控股煤业集团四台矿，山西大同037001）摘要：采煤机是进行自动化综采的重要设备，采用 CAN 总线通信的形式对采煤机电气控制系统进行分布式设计。分布式控制系统共分为 8 个模块，主控模块是控制系统的核心，对其他模块发送指令，其他模块依据接收到的指令进行动作，实现采煤机的自动化控制。进一步针对分布式控制系统的主要模块 CAN 驱动电路、主控模块及牵引模块的功能进行了详细设计，保证分布式控制系统的稳定运行。关键词：采煤机；分布式控制；自动化；CAN 总线中图分类号：TD632.1文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0207-020引言采煤机是进行煤矿开采重要的设备，在我国大量的煤矿开采中，采煤机开采工作环境复杂多变，井下工作面粉尘等较多1，条件恶劣，工作效率较低，且容易造成安全事故。随着煤矿综采技术的发展应用，采煤机的自动化水平得到了较大的发展，采煤机电气控制系统作为核心的技术2，对采煤机的性能具有重要的影响。针对采煤机的电气控制系统，采用分布式的控制方式可以提高采煤机的自动化水平，并减少人工干预3，提高安全性。针对分布式控制方式，对采煤机的自动化安全控制系统进行设计，从而提高矿井开采的效率及安全性。1采煤机分布式自动安全控制系统的整体设计采煤机在综采过程中对矿井的煤岩进行直接的截割、落煤及装煤作业，对采煤的安全性及效率具有重要的影响。采煤机通过截割部进行煤岩的截割，通过液压系统进行滚筒高度的调节，牵引电机控制采煤机的行走4，采煤机的电气控制系统主要包括整机的电气控制及外部传感器的控制。采煤机的电控箱一般位于整机的中部位置5，采用本质安全型的调速控制箱，是电气系统的核心设备。采用模块化分布式控制的方式对采煤机进行控制，系统设计为多功能模块的形式，采用 CAN 总线进行数据通信6，可以简化电器元件间的连线，简化系统的结构。依据采煤机系统的功能将控制对象进行分类，控制系统共分为 8 个子模块，控制系统的整体框图如图 1 所示。从图 1 中可以看出，控制系统的主控模块是进行采煤机端头及外部传感器控制的核心模块，与其他模块之间通过 CAN 总线通信，读取其他模块的数据，并进行系统的控制计算，控制其他模块的动作；主控模块与端头站之间通过 RS485 接口进行通信7，通过本安 CAN 接口与外界的水压、油压等传感器进行通信；模拟量模块是用于检测采煤机主电路上的电机信息，将采集的数据通过 CAN 总线传输到主控模块；开关量模块同样用于检测采煤机的盖板、电磁阀升降等信息，将采集的数据传输到主控模块；遥控模块通过信号发射器及接收器，进行无线信号的发射接收，并传输到主控模块中实现采煤机的遥控操作；语音模块接收主控模块的指令进行报警、故障等信息的语音播报，提高采煤机的安全性；载波通信模块实现载波的收发，将采煤机与上位机进行远程的通信连接8，实现对采煤机的远程控制；漏电检测模块在采煤机的电机启动前进行电机的绝缘检测，保证电机的安全性；牵引控制模块接收主控模块的指令对采煤机变频器进行控制，实现对牵引速度的调节控制。2采煤机分布式自动安全控制系统的模块设计2.1CAN 驱动电路的设计采煤机分布式控制系统通过 CAN 总线的形式进行不同模块间的通信，CAN 总线具有较高的可靠性及实时性，在汽车、工程机械等行业具有广泛的应用。在分布式控制系统中，8 个子模块间均采用相同的CAN 驱动电路进行系统的通信。常用的 CAN 控制芯片中可以自带 CAN 控制器，也可以是独立的 CAN 控制器进行控制，自带 CAN 控制器可以将多个控制器进行集成到一个芯片上9，简化系统的硬件连接，提高系统连接效率。在采煤机分布式控制系统中，采用自带 CAN 控制器的处理器，能够节省硬件的空间，并方便软件的调试。对处理器的收稿日期：2022-04-20作者简介：王新宇（1995），男，山西大同人，本科，毕业于昆明学院，助理工程师，研究方向为电气控制工程。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.083图 1采煤机自动安全控制系统整体结构左端头站右端头站本安 CAN水压、油压等CAN 接口传感器电机温度电机电流总线左变频器右变频器盖板按钮电机启动电磁阀升降主控模块模拟量模块开关量模块遥控模块语言模块载波通信模块漏电检测模块牵引控制模块自动化系统设计机械管理开发第 38 卷（下转第 213 页）连接如图 2 所示，将 CAN 接口通过驱动隔离电路接入到总线系统中，通过 CAN 收发器进行通信。在系统的连接中，每个 CAN 节点都必须通过隔离驱动电路连接到总线中，从而增加总线系统的稳定性10，保证采煤机控制系统的安全稳定。2.2主控模块的设计主控模块是进行采煤机分布式自动控制的核心模块，通过 CAN 通信对其他模块的信号进行处理，并将指令下发到其他模块执行。主控模块的功能框图如图 3 所示，主控模块采用 24 V 本安电源，并通过 1 路本安 CAN 接口与采煤机电气系统外部的传感器进行连接，获取相应的传感器信息；通过 1 路 485 接口与系统的显示屏连接，显示控制系统的数据及采煤机的运行状态，同时可通过显示屏进行远程的交互控制11，实现远程的控制；主控模块还包括 2 路本安 485 接口对左右端头的操作站进行控制，实现采煤机的分布式控制。2.3牵引模块的设计采煤机进行综采作业的过程中，需要与液压支架、刮板输送机等其他设备进行配套依据系统的指令进行牵引行走。牵引控制模块通过 CAN 总线接收主控模块的指令，并通过带有的 2 路 CAN 进行左右变频器的控制，同时将变频器的数据传输给主控模块，牵引模块的功能如图 4 所示。牵引模块主要包括采用24 V 电源供电，1 路 CAN 与主控模块通信，2 路 CAN分别与左右变频器通信，同时还包括 2 路继电器的驱动电路，实现对抱闸电磁阀的控制。牵引模块中的微处理器接收主控模块的指令，对变频器进行控制，从而实现对牵引电机速度的调节，实现采煤机行走与其他综采设备的匹配。在采煤机作业过程中，抱闸制动器保证采煤机停止时的稳定，当变频器工作时，牵引模块控制抱闸制动器打开，采煤机可以牵引行走，当变频器停止时，牵引模块控制抱闸制动器闭合，对采煤机进行制动，保证采煤机不会发生溜坡，提高采煤机工作的安全性。3应用效果分析对矿井采煤机的分布式自动安全控制系统在某煤矿工作面进行安装应用，经过 6 个月的运行验证，采煤机作业过程中通过分布式自动控制可减少作业人员 70 人，提高工效 20 t/人，提高幅度达到 70.5%，开采成本降低 4.2 元/t，可有效提高采煤机的作业效率，实现自动化的控制采煤，同时提高作业安全性。4结语采煤机是煤矿综采自动化开采的重要设备，其中电气控制系统对开采的安全及效率具有重要的影响。采用分布式控制的方式，对采煤机的电气控制系统进行设计，提高采煤机开采的安全及效率。分布式控制系统采用 CAN 总线通信的形式，系统共分为 8 个模块，主控模块是控制系统的核心，接收其他模块的数据并进行处理，对其他模块发送指令，其他模块依据接收到的指令进行动作，实现采煤机的自动化控制。针对分布式控制系统的主要模块 CAN 驱动电路、主控模块及牵引模块的功能进行了详细设计，保证分布式控制系统的稳定运行。通过分布式控制系统的使用，可以提高采煤机作业的安全性及效率，从而提高煤矿的开采安全及效率，实现综采自动化开采。参考文献1贺君鹏.MG200/500-WD 型采煤机状态监控系统研究J.能源与环保，2022，44（3）：213-218.2张平，沈丰，张成武，等.基于机器学习的采煤机拖缆装置控制系统研究J.煤矿机械，2022，43（3）：105-107.3杜伟.30902 综采工作面刮板输送机与采煤机协同调速技术应用J.煤，2021，30（12）：38-40.4杨旭艳.基于 CAN 总线的 MG400930 型采煤机控制系统的现场应用研究J.机械管理开发，2021，36（8）：280-282.5李鹏飞.基于模糊 RBF 神经网络的采煤机控制方法的研究J.机械管理开发，2021，36（6）：115-117.6刘侠，谢子殿.基于模糊控制的电磁调速采煤机控制系统的设计J.工业控制计算机，2009，22（5）：55-56；58.7李春龙.基于分级数字化监控的电牵引采煤机控制技术研究J.山东煤炭科技，2018（8）：137-139；142.8张旭辉，姚闯，刘志明，等.面向自动化工作面的电牵引采煤机控制系统设计J.工矿自动化，2017，43（4）：1-5.9田成金.可视化远程干预型智能化采煤关键控制技术研究J.煤炭科学技术，2016，44（7）：97-102.图 2CAN 驱动电路的连接图 3主控模块的功能图 4牵引模块的功能VDD1GND1TXDRXDNC1NC2NC3NC4VDD2GND2ISOTXDSCANHVDD2CANLSORXD12345678161514131211109U1371F5 V 1F0 VR531T1123+3.3 VCAN_ZXCAN_RXR532SW6D13CAN_LCAN_HCAN 输出本安电源本安 CAN本安 485本安 485电源STM32485 到显示屏隔离电源CAN左变频器左变频器CAN接变频器DO 驱动电路STM32CAN隔离2082023 年第 6 期2）针对矿井中的 3 台带式输送机，为每台设备配备 1 台 ET-200SP 采样控制站，将所有控制站采样数据均传入 S7-1200 型 PLC 控制器中进行分析与处理；3）对监控系统中使用的主要传感器和开关选型情况进行了详细介绍，这些传感器或开关均具有防爆功能，性能良好；4）将设计的监控系统部署到 DTL120 型带式输送机中，现场使用后发现各项功能都能实现，为设备的稳定可靠运行奠定了坚实基础，为企业创造了良好的经济效益。参考文献1吴涛.煤矿带式输送机智能化关键技术浅析J.中国设备工程，2022（5）：36-37.2剧江涛.煤矿伸缩式钢架带式输送机换向滚筒优化设计J.机械研究与应用，2022，35（1）：151-152.3元江博，李雪方.变频节能技术在煤矿机电设备中的应用J.能源与节能，2022（2）：146-149.4许建红.基于 CAN 总线通讯的煤矿用带式输送机控制系统设计J.江西煤炭科技，2022（1）：186-188.5付彤.矿用带式输送机智能集中控制系统设计J.机械管理开发，2021，36（9）：283-285.6姬魁.煤矿胶带输送机综合保护控制系统硬件设计研究J.能源与环保，2020，42（5）：109-112.（编辑：李俊慧）Design and Application Research of Mining Belt Conveyor Monitoring SystemWu Jinhua（Shanxi Xinyuan Coal Co.,Ltd.,Jinzhong Shanxi 045300）Abstract:In order to improve the operational stability and reliability of mining belt conveyors,a monitoring system was designed andstudied.Three belt conveyors are used in a coal mine for long-distance transportation.The monitoring system sets up equipment monitoringpoints,protection monitoring points and environmental monitoring points,which can grasp the operating status of the equipment and itsenvironment in real time and accurately,and provide data support for the control and protection of the equipment.For each conveyor set upa sampling control station,the selected model ET-200SP,the entire conveyor line set up a control master station,the selected processormodel for the Siemens S7-1200 PLC programmable controller,the main sensors and switches used in the system selection situation isintroduced.The monitoring system was applied to engineering practice and the analysis after use concluded that it could create an annualeconomic benefit of 1 million RMB for the enterprise.Key words:coal mine;belt conveyor;monitoring system;sampling control stationDesign of Remote Intelligent Monitoring System for Hydraulic Support in Fully MechanizedMining FaceSun Shanghua（Shanxi Guxian Xishan Hongxing Coal Industry Company,Linfen Shanxi 041000）Abstract:In response to the current bottleneck in the development of collaborative control and remote monitoring of hydraulic supports inthe comprehensive mining face of Hongxing Mining,according to the functional requirements of the electro-hydraulic control hydraulicsupport remote monitoring system,based on the CAN network communication structure and the relay and controller in PLC communication,the overall scheme of the hydraulic support remote monitoring system is designed,and the system hardware and platform are built,successfully applied to the comprehensive mining face of the mine.It has great promotional significance.Key words:hydraulic support;remote control;monitoring system;PLC（上接第 210 页）10杨帆，程建忠，马俊波，王海波.动力线载波模块在采煤机控制中的应用J.煤，2015，24（12）：46-47.11李方健.基于 DSP 的采煤机控制系统通信方式改造J.煤矿机械，2014，35（8）：189-190.（编辑：王慧芳）Design of Distributed Automatic Safety Control System for Coal Mining MachinesWang Xinyu（Jinneng Holdings Coal Industry Group Sitai Mine,Datong Shanxi 037001）Abstract:The shearer is an important equipment for automated comprehensive mining,and distributed design of the electrical controlsystem of the shearer is carried out using CAN bus communication.The distributed control system is divided into 8 modules,and the maincontrol module is the core of the control system.It sends instructions to other modules,which act based on the received instructions toachieve automatic control of the coal mining machine.Further detailed design has been carried out for the main modules of the distributedcontrol system,including the CAN drive circuit,main control module,and traction module,to ensure the stable operation of the distributedcontrol system.Key words:coal mining machine;distributed control;automation;CAN bus（上接第 208 页）武晋华：矿用带式输送机监控系统的设计与应用研究213