矿用采煤机电控系统的设计开发.pdf

ｄｏｉ１０.１６５７６/ ｊ.ｃｎｋｉ.１００７－４４１４.２０２０.０１.０５８ 矿用采煤机电控系统的设计开发 ∗ 张晋敏 山煤集团蒲县豹子沟煤业ꎬ山西 临汾 ０４１０００ 摘 要电控系统作为采煤机中重要系统ꎬ其性能的稳定性直接关系到采煤机开采效率和企业的经济效益ꎬ不断加大 对采煤机电控系统综合性能的研究ꎬ已成为当下发展的重要方向ꎮ 在采煤机电控系统工作原理分析基础上ꎬ从电控 系统总体方案、ＣＰＵ 核心控制单元、电源模块、遥控器程序等方面ꎬ开展了电控系统了总体设计研究ꎬ并将其在淮北矿 业中采煤机上进行了应用测试ꎬ测试结果表明ꎬ该电控系统运行良好ꎬ功能更加全面ꎬ能对采煤机工作过程中的各类 状态信息进行准确检测和控制ꎮ 该研究对后期进一步开展采煤机电控系统的优化升级设计提供了重要参考ꎮ 关键词煤矿ꎻ采煤机ꎻ电控系统 中图分类号ＴＰ２７３ 文献标志码Ａ 文章编号１００７－４４１４２０２００１－０１９８－０３ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎ－ｍｉｎ Ｐｕｘｉａｎ Ｂａｏｚｉｇｏｕ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ｏｆ Ｓｈａｎｘｉ Ｃｏａｌ Ｉｍｐｏｒｔ ａｎｄ Ｅｘｐｏｒｔ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ.ꎬ Ｌｔｄꎬ Ｌｉｎｆｅｎ Ｓｈａｎｘｉ ０４１０００ꎬ Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｓｈｅａｒｅｒꎬ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ. Ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｒｅ￣ ｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｅａｒｅｒｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ. Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅꎬ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｅａｒｅｒꎬ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｄｅ￣ ｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓ￣ ｔｅｍꎬ ｔｈｅ ＣＰＵ ｃｏｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔꎬ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅꎬ ｔｈｅ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｇｒａｍꎬ ｅｔｃ.ꎬ ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｈｅａｒｅｒ ｉｎ Ｈｕａｉｂｅｉ ｍｉｎｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｙ. Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｒｕｎｓ ｗｅｌｌꎬ ｉｔ ｈａｓ ｍｏｒｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓꎬ ａｎｄ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｓｔａｔｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｍａｃｈｉｎｅ. Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｐｇｒａｄｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｅａｒｅｒ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｃｏａｌ ｍｉｎｅꎻ ｓｈｅａｒｅｒꎻ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ０ 引 言 煤矿是国家重要的能源ꎬ而在国家快速发展的趋 势下ꎬ对煤矿的需求量也逐年增多ꎮ 采煤机作为井下 煤矿开采的重要设备ꎬ已在全国各大煤矿中进行了最 为广泛的应用ꎮ 而电控系统则是保证采煤机高效率 煤矿开采和设备运行安全的重要部位ꎮ 目前ꎬ采煤机 中的电控系统存在控制精度较低、响应速度慢、误判 率高等问题ꎬ随着控制技术的不断提升ꎬ现有的电控 系统已无法满足当下采煤机的使用需求ꎮ 提高采煤 机电控系统的综合性能ꎬ已成为当下各煤矿企业和科 研机构重点关注的方向ꎮ 因此ꎬ以采煤机电控系统工 作原理分析为基础ꎬ开展了对电控系统的设计开发ꎬ 并将该系统在淮北矿业采煤机上进行了应用测试ꎬ这 对提高采煤机的工作效率及作业安全具有重要作用ꎮ １ 采煤机电控系统工作原理 采煤机的采煤作业ꎬ必须通过电控系统进行控 制ꎬ实现采煤机不同开采力及采煤工况的使用需求ꎮ 结合市场上采煤机电控系统组成情况ꎬ其结构主要由 信号采集单元、核心控制单元、Ｉ/ Ｏ 控制层、运行参数 采集单元、上机位监控层等组成ꎬ而不同功率的采煤 机则根据开采需要ꎬ进行性能选装设计ꎮ 电控系统的 工作原理主要为首先在采煤机上安装机载传感器ꎬ 通过该传感器对采煤机设备进行信号采集ꎬ再将采集 的信号进行过滤、处理后ꎬ传输至电控系统的控制中 心进行数据判断ꎬ电控系统最终会根据控制指令大 小ꎬ调节电机的工作电流ꎬ以此实现对电机不同功率 大小的控制ꎮ 同时ꎬ所设计的电控系统配备了人机显 示界面ꎬ可将采煤机的工作电流、工作温度、工作电压 等信号进行实时显示ꎬ以此实现对采煤机工作状态 的实时控制ꎮ 目前ꎬ所设计的电控系统具有较大 的数据存储能力和信号分析能力ꎬ且运行较为稳 定ꎬ各传输数据之间也采用专门的通讯协议ꎬ由 此ꎬ保障了电控系统的综合性能ꎬ也大大提高了采 煤机的开采效率ꎮ 􀅱８９１􀅱 煤矿机电 ２０２０ 年第 １ 期 第 ３３ 卷ꎬ总第 １６５ 期􀅱机械研究与应用􀅱 ∗收稿日期２０１９－１０－１２ 作者简介张晋敏１９８７－ꎬ男ꎬ山西长治人ꎬ机电助理工程师ꎬ主要从事机电技术方面的研究工作ꎮ ２ 采煤机电控系统总体方案设计 结合采煤电控系统的结构特点和工作原理ꎬ在现 有市场上采煤机电控系统基础上ꎬ对电控系统进行了 优化升级设计ꎬ其系统结构主要包括关量电路、数据 采集单元、电源模块、模拟量电路、ＣＰＵ 核心控制单 元、通信电路、Ｉ/ Ｏ 控制单元等部分ꎮ 其中ꎬ数据采集 单元中设置了多种传感器ꎬ可对采煤机中的工作电 流、工作温度、工作电压、线路是否漏电等情况进行数 据采集ꎬ基本包含了采煤机运行过程中主要数据参数 的采集ꎮ 而 ＣＰＵ 核心控制单元则主要负责整个系统 中采集数据的运算、判断、相关通讯协议的连接控制 及转换、处理结果传输至人机显示界面等功能ꎬ其处 理器采用的是 ５００ ＭＨｚꎬ具有较高的处理速度ꎻ另外ꎬ 该电控系统的电源模块中设置了 ＡＣ/ ＤＣ 转换器ꎬ可 将交流市电转为 ２４ Ｖ 的直流电压ꎬ再通过设计的 ＤＣ/ ＤＣ 和电容滤波进行降压ꎬ最终转为为不同等级 的电压值ꎬ包括 ３ Ｖ、６ Ｖ、１２ Ｖ 等ꎬ以此为控制系统中 各元器件提供电源ꎮ 整个采煤机电控系统的结构框 架图如图 １ 所示ꎮ 图 １ 采煤机电控系统结构框架图 ３ 采煤机电控系统关键模块设计 ３.１ ＣＰＵ 核心控制单元模块 ＣＰＵ 核心控制单元是电控系统的硬件组成部 分ꎬ主要负责电控系统中数据的存储、数据的分析、数 据的逻辑运算等工作ꎬ而处理器则是整个模块中的重 要部件ꎮ 因此ꎬ整个模块的处理器采用了 ３２ 位 ＲＩＳＣ 处理器ꎬ其主频有 ５００ ＭＨｚꎬ配备了 ２８ 个 ＤＭＡ 通道 和 ＤＭＡ 专用通道ꎬ另外ꎬ在模块中配备了 ２ 个高速存 储卡主机和多个定时器ꎬＭＭＣ 接口也进行了两个的 冗余设计ꎬ整个处理器能支撑 ＡＲＭ 的双指令集ꎮ 所 设计的 ＣＰＵ 控制单元模块具有处理速度快、存储量 大、性能稳定等特点ꎬ所选用的处理器已在国内诸多 采煤机设备中进行了广泛应用ꎮ 由此ꎬ完成了电控系 统 ＣＰＵ 核心控制单元的设计ꎮ ３.２ 电源模块设计 由于电控系统中包含了较多类型的不同种类的 用电部件ꎬ对电控系统提供较为全面的不同等级电 源ꎬ能有效保证系统中各部件的正常运行ꎮ 同时ꎬ在 电控系统电源模块设计时ꎬ需将强电和弱电进行充分 隔离ꎬ以提高系统运行的稳定性和安全性ꎮ 所设计的 电源模块ꎬ配备了 ＡＣ/ ＤＣ 转换器ꎬ可将外部 ２２０ Ｖ 交 流电流转换为低电压的直流电流ꎮ 在整个电控系统 中ꎬ显示界面和各类继电器等设备主要采用的是 ２４ Ｖ 电源ꎬ而其他用电设备基本采用的是 ５ Ｖ 电压ꎬ因 此ꎬ可首先通过 ＡＣ/ ＤＣ 转换器ꎬ将交流电源转换为 ２４ Ｖ 直流电源ꎬ以满足 ２４ Ｖ 用电设备的使用需求ꎬ 同时ꎬ通过降压和电容滤波后ꎬ再将 ２４ Ｖ 电源转换为 ５ Ｖ 电源ꎬ以满足其他设备的用电需求ꎮ 为保证电压 降低过程中的安全性ꎬ在交流转直流过程中ꎬ设计了 保险丝ꎬ以防止过大电流的影响ꎮ 另外ꎬ在 ５ Ｖ 输出 端增加了陶瓷电容和电解电容ꎬ可有效保证输出电压 的稳定性ꎮ 最后ꎬ在整个电源模块中ꎬ设计了对应电 压的电源指示灯ꎮ 由此ꎬ完成了电控系统电源模块的 设计ꎮ ３.３ 遥控器程序设计 遥控器程序是电控系统软件系统的重要组成部 分ꎬ因此ꎬ该程序进行了设计ꎮ 电控系统开始后ꎬ首先 对遥控器进入初始化状态ꎬ并在电流为 ２２ｕＡ 状态下 进入休眠状态ꎬ等待外部信号的输入ꎮ 当操作人员接 受到操作命令后ꎬ开始对电控系统进行操作ꎬ通过手 动方式ꎬ对系统中的单片机进行启动或切断操作ꎬ遥 控器对输入操作信号进行判断ꎬ发出是否进入工作模 式的命令ꎬ由此ꎬ激活系统中的无线模块ꎬ并向主机发 出相应的任务信号ꎬ通过显示灯来提示是否完成任务 发送ꎮ 同时ꎬ遥控器通过对人机显示界面上采煤机运 行参数的信号分析ꎬ发出操作命令信号ꎬ当操作信号 成功发送后ꎬ将通过遥控器上的显示灯进行常亮显 示ꎬ由此ꎬ准确、快速完成采煤机相关操作信号的远程 发送和控制ꎮ 遥控器数据接收程序设计流程图如图 ２ 所示ꎮ 图 ２ 电控系统遥控器程序设计流程图 􀅱９９１􀅱 􀅱机械研究与应用􀅱２０２０ 年第 １ 期 第 ３３ 卷ꎬ总第 １６５ 期 煤矿机电 ４ 电控系统现场应用效果分析 根据前文的设计分析ꎬ完成了采煤机电控系统的 系统设计ꎬ但其系统性基本为理论分析ꎬ为进一步掌 握其系统的控制性能ꎬ将其在淮北矿业中采煤机上进 行了应用测试ꎬ首先在采煤机上安装各类传感器设 备ꎬ通过专门的信号传输线ꎬ将整个系统硬件和软件 进行快速连接ꎬ完成了采煤机电控系统将近 ６ 个月的 现场应用测试ꎬ测试结果表明ꎬ该电控系统各项功能 运行正常ꎬ且能对采煤机的工作电压、电机功率、电机 温度、设备振动情况等信号进行准确采集和显示ꎬ针 对采煤机设备发生故障问题时ꎬ能及时发出相应的报 警提示ꎻ同时ꎬ在显示界面中ꎬ能准确的将各类信息进 行实时显示ꎬ所反映的数据信息基本包括了采煤机运 行过程中的所有状态信息ꎮ 据现场人员介绍ꎬ该控制 系统在运行过程中ꎬ采煤机的发生的故障率降低了 ６５％左右ꎬ整体生产效率提高了 ３０％ꎬ初步估算ꎬ半年 后ꎬ为企业增加了将近 ５０ 万的经济效益ꎬ并得到了该 煤矿工作人员的一致好评ꎮ 由此ꎬ验证了所设计的采 煤机电控系统在一定程度上具有较好的可行性ꎮ ５ 结 论 提高采煤机电控系统的综合性能ꎬ是当下保证采 煤机高效率煤矿开采的重要基础ꎮ 因此ꎬ采用现有的 控制技术ꎬ对采煤机电控系统中的总体方案、ＣＰＵ 核 心控制单元、电源模块、遥控器程序等方面进行了设 计研究及现场应用测试ꎬ得出 １ 该电控系统功能更加全面ꎬ控制精度更高ꎬ 智能化远程控制能力更强ꎮ ２ 该电控系统的应用ꎬ使企业的生产效率提高 了３０％ꎬ增加企业经济效益５０ 万左右ꎬ得到行业人员 的一致好评ꎮ ３ 该系统可在其他采煤机上进行推广应用ꎬ也 对提高采煤机的工作效率及作业安全具有重要作用ꎮ 参考文献 [１] 孔林玺.采煤机电控系统常见故障及解决对策[Ｊ].能源与节能ꎬ ２０１９７１３０－１３１. [２] 刘 凯.采煤机电控系统运行可靠性分析[Ｊ].机电工程技术ꎬ ２０１８ꎬ４７１２２００－２０１. [３] 梁吉智.ＦＣＳ 在采煤机电控系统中的应用[Ｊ].煤矿机电ꎬ２０１８ ４１１５－１１７. [４] 李雄伟.基于 ＰＬＣ 的电牵引采煤机电控系统优化设计[Ｊ].化工 管理ꎬ２０１８２２１９. [５] 秦新华.浅谈采煤机电控部分的应用和原理[Ｊ].山东工业技术ꎬ ２０１７２０８５. 􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩􀤩 上接第 １９７ 页 分析的基础上ꎬ分析了液压支架后连杆开焊的原因ꎬ 采取相应的整改及预防措施ꎬ并通过实际制作样品加 以验证ꎮ 这为今后指导此类机构的设计及制造提供 了重要依据ꎮ 参考文献 [１] 丁绍南.采煤工作面液压支架设计[Ｍ].北京世界图书出版公 司ꎬ１９９２. [２] 中华人民共和国煤炭行业标准.ＭＴ/ Ｔ ５５６－１９９６ 液压支架设计 规范[Ｓ].中国标准出版社ꎬ１９９７. [３] 冯玉香ꎬ许民龙.ＺＹ５０００ 型液压支架后连杆失效分析及改造 [Ｊ].煤矿机械ꎬ２００１７５０－５１. 􀅱００２􀅱 煤矿机电 ２０２０ 年第 １ 期 第 ３３ 卷ꎬ总第 １６５ 期􀅱机械研究与应用􀅱