目前國外先進(jìn)的采煤機(jī)主控制系統(tǒng)都是基于網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)構(gòu)的微機(jī)控制系統(tǒng)，牽引控制系統(tǒng)采用了一拖一變頻調(diào)速系統(tǒng)。這些系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)完善的動作控制，系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)的故障自診斷和實(shí)時保護(hù)，工況監(jiān)測和運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)初步分析和遠(yuǎn)程監(jiān)測等功能。部分系統(tǒng)還具有局部網(wǎng)絡(luò)化擴(kuò)展和記憶切割功能。
這些先進(jìn)的性能建立在以下三個方面的基礎(chǔ)之上：
² 遍布在采煤機(jī)各關(guān)鍵部位上數(shù)目眾多的各種類型傳感器能提供可靠準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)；
² 主控制器具有強(qiáng)大的數(shù)字運(yùn)算功能，能在極短的時間里對采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速高效的運(yùn)算，并得出正確的結(jié)果；
² 主控制器和各種傳感器、動作執(zhí)行單元及變頻器之間有高速高可靠性的總線連接。
近年來，國內(nèi)采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)也有較大的發(fā)展。許多高校、科研院所和采煤機(jī)制造廠在這方面作了很多工作。目前國內(nèi)主要有兩類煤機(jī)控制系統(tǒng)，一類是基于PLC的控制系統(tǒng)，另一種是基于工控機(jī)的控制系統(tǒng)，但都是普通產(chǎn)品應(yīng)用級的控制系統(tǒng)。
PLC技術(shù)比較成熟，開發(fā)環(huán)境簡單，但作為通用產(chǎn)品與采煤機(jī)上的專用傳感器和特殊的操作設(shè)備接口不便，實(shí)際應(yīng)用中還需要引入許多接口轉(zhuǎn)換器和特殊的擴(kuò)展模塊，使系統(tǒng)速度降低，不能滿足系統(tǒng)大量數(shù)據(jù)實(shí)時檢測處理，難以實(shí)現(xiàn)一些高級復(fù)雜的控制和故障診斷算法。
在工控機(jī)方面，國內(nèi)主要采用一體化工控機(jī)外配基于485總線的各類輸入輸出模塊構(gòu)建系統(tǒng)。這類系統(tǒng)在硬件上開發(fā)投入少，軟件開發(fā)環(huán)境簡單，但由于結(jié)構(gòu)緊湊的工控機(jī)系統(tǒng)對外接口數(shù)目比較少且多為低速串口，與外圍模塊之間通信速度低使訪問控制效率較低，在實(shí)際使用中表現(xiàn)為操作反應(yīng)比較遲鈍，保護(hù)的實(shí)時性比較差。
根據(jù)國內(nèi)煤炭開采對采煤機(jī)先進(jìn)可靠控制技術(shù)的迫切需求，我們在本公司九十年代開發(fā)的、以PLC為核心的采煤機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開拓性的開發(fā)了新一代分布嵌入式控制系統(tǒng)。在總體設(shè)計(jì)方案中，新的控制系統(tǒng)繼承了老的控制系統(tǒng)中經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證的經(jīng)典設(shè)計(jì)部分，并建立了一個技術(shù)先進(jìn)，具有高度擴(kuò)展能力，主體結(jié)構(gòu)能滿足今后5-10年采煤技術(shù)發(fā)展的體系結(jié)構(gòu)。
控制系統(tǒng)采用模塊化網(wǎng)絡(luò)分布式結(jié)構(gòu)，根據(jù)控制對象的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)將控制系統(tǒng)劃分為若干功能模塊，各模塊相對獨(dú)立，模塊之間以高可靠的現(xiàn)場總線相連。主控模塊設(shè)計(jì)成以DSP控制器為核心的功能單元，利用DSP控制器的超強(qiáng)數(shù)字運(yùn)算功能，將大量傳感器的信息進(jìn)行綜合處理，從而實(shí)現(xiàn)高實(shí)時性的智能控制。
主控制系統(tǒng)部分（見圖15）
圖15 采煤機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
² 采用網(wǎng)絡(luò)分布式控制結(jié)構(gòu)，具有高度靈活的可擴(kuò)展性，主體結(jié)構(gòu)可滿足今后5-10年采煤機(jī)技術(shù)發(fā)展需求；
² 采用在汽車、機(jī)器人等工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用，被證明是成熟可靠的CAN控制總線；
² 首次在采煤機(jī)上采用高性能DSP控制器，利用DSP技術(shù)提高采煤機(jī)控制系統(tǒng)的基本性能，并為進(jìn)一步發(fā)展煤巖界面自動識別、煤機(jī)自動操作技術(shù)和在線故障診斷，提供強(qiáng)大的硬件支持；
² 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中大量采用數(shù)字傳感器技術(shù)，利用數(shù)字傳感器技術(shù)提高采煤機(jī)控制系統(tǒng)功能和性能；
實(shí)現(xiàn)了主控制器與變頻器的總線連接，將變頻器故障與主控部分的故障統(tǒng)一顯示，方便了觀察與操作，并將變頻器難以記憶的故障代碼翻譯為中文標(biāo)識，便
采用實(shí)時濃度顯示的瓦斯傳感器，并提供瓦斯?jié)舛瘸耷暗恼Z音與聲光預(yù)警以及超限斷電保護(hù)功能。
采用大屏幕的嵌入式平板機(jī)作為主顯示單元，主畫面的顯示內(nèi)容豐富生動，通過多級菜單，可觀察到詳盡的參數(shù)趨勢圖，故障處理的圖文提示，主控計(jì)算機(jī)的各種狀態(tài)（見圖17、圖18、圖19）?？捎涗涢L達(dá)一年的采煤機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并可通過存儲介質(zhì)方便導(dǎo)出，以便分析使用。
圖17采煤機(jī)主顯系統(tǒng)操作的主界面
為了滿足現(xiàn)代采煤機(jī)監(jiān)控功能不斷增強(qiáng)的要求，采用基于現(xiàn)場總線的分布式控制結(jié)構(gòu)，形成星型和總線型相結(jié)合的分布式控制網(wǎng)絡(luò)。控制系統(tǒng)關(guān)鍵模塊間采用了高速CAN控制總線連接，具有如下特點(diǎn)：
①優(yōu)先級的消息結(jié)構(gòu)；
②可以保證的傳輸延遲時間；
③靈活的配置特性；
④時間同步的多播特性；
⑤系統(tǒng)范圍的數(shù)據(jù)一致性；
⑥多主機(jī)結(jié)構(gòu)；
⑦錯誤偵測與通知；
⑧當(dāng)總線空閑時立即重傳出錯的消息；
⑨能夠區(qū)分臨時錯誤和節(jié)點(diǎn)的永久失效，并自動將失效節(jié)點(diǎn)關(guān)閉。
利用CAN總線自身優(yōu)勢，結(jié)合面向消息的透明控制信息傳送技術(shù)，可以使系統(tǒng)中各模塊以很小通信開銷，便能獲得充分實(shí)時的全系統(tǒng)消息共享。
這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可將通信連接故障限制在非常有限的范圍，可以避免因部分通信線損壞造成系統(tǒng)癱瘓，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可靠地用于井下電纜容易損壞場合。機(jī)上兩臺變頻器及左右端頭操作站可直接互換無需設(shè)置通信地址，方便了用戶備配件的采購和管理。
系統(tǒng)提供順槽通信接口，采用標(biāo)準(zhǔn)modbus協(xié)議，可與工作面及礦井綜合信息網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)三機(jī)聯(lián)動。
在控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，大量采用高集成度和高性能的DSP控制器作為各模塊和功能單元的核心。所選用的DSP控制器,采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，具有片上CAN總線模塊等。采用性能優(yōu)異的數(shù)字濾波與運(yùn)算，大幅提高了系統(tǒng)性能。采用專用的動力監(jiān)測模塊，可實(shí)現(xiàn)五路大功率設(shè)備的三相負(fù)荷監(jiān)控，具有理想的反時限過載保護(hù)特性、相不平衡和短路保護(hù)，并實(shí)現(xiàn)了電機(jī)電流檢測傳感器通道的故障自檢測，可檢測電流傳感器失效、精度超限、零點(diǎn)飄移等故障。
DSP控制器的高速處理能力，可以直接對一些關(guān)鍵信號進(jìn)行實(shí)時的在線頻譜、功率譜分析，這些處理和分析對發(fā)展機(jī)械系統(tǒng)故障的在線監(jiān)測和煤巖界面自動識別有重要意義。
在系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)完成后，我們對原理電路邏輯進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，重點(diǎn)對關(guān)鍵部分建模仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對原設(shè)計(jì)進(jìn)行修改和優(yōu)化。部分模塊內(nèi)部時序仿真波形見圖20、圖21、圖22。
在軟件開發(fā)過程中，將系統(tǒng)軟件分為控制軟件和通訊軟件兩大部分進(jìn)行開發(fā)與測試。在實(shí)驗(yàn)室模擬系統(tǒng)實(shí)際工作狀態(tài)。
完成系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)后，在模擬現(xiàn)場條件的情況下對系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行整體功能測試，效果良好。
圖20 主控制器部分操作仿真波形
電氣控制系統(tǒng)中，使用了許多DSP控制器為核心的印制電路板。其均為多層應(yīng)制板，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，密度高，制作難度大。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，不斷完善，最終獲得合格的電路板。
系統(tǒng)的布置、接線和連線，從可靠性和抗干擾性著手，再結(jié)合結(jié)構(gòu)緊湊合理，防震、防水、防潮，滿足散熱等要求，一處一處把關(guān)，使得集成系統(tǒng)的性能、可靠程度達(dá)到滿意的效果。
在對系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真基礎(chǔ)上，系統(tǒng)軟件在調(diào)試過程中經(jīng)過多次修改和優(yōu)化，并模擬現(xiàn)場條件進(jìn)行測試，效果良好。
補(bǔ)充材料：
三種控制方式
對于整機(jī)的控制有三種人機(jī)交互方式：無線遙控器、端頭操作站、機(jī)身按鈕。
1）無線遙控器：操作人員可以隨身攜帶，通過無線方式實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的牽引停止、牽引方向、加/減速、主停、左搖臂升降（左搖控器）、右搖臂升降（右搖控器）的控制。井下控制距離
2）端頭操作站：置于采煤機(jī)兩端，通過有線方式,從采煤機(jī)的兩端實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的牽引停止、牽引方向、加/減速、主停、左搖臂升降(左端頭站)、右搖臂升降(右端頭站)的控制。端頭操作信號的流程：端頭操作信號通過端頭站的處理后，通過485總線送入中央控制模塊。
3）機(jī)身按鈕：置于電控箱面板上，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的主啟、主停、牽電、牽啟、牽停、方向、加/減速、運(yùn)閉、截割/調(diào)動方式、顯示等控制。按鈕信號的流程：除主啟和主停兩按鈕外，其余按鈕信號送入牽引控制/備用遠(yuǎn)控切換盒。其中，牽啟、向左、向右、牽停四個按鈕通過繼電器切換，一方面送入數(shù)字量模塊，一方面控制相應(yīng)的繼電器，完成備用遠(yuǎn)控功能。牽電、加速、減速、方式、顯示按鈕則送入數(shù)字量模塊。以上按鈕信號經(jīng)數(shù)字量模塊處理后送入中央控制模塊。
三種控制方式的指令通過不同路徑匯總到中央控制模塊后，統(tǒng)一由中央控制模塊進(jìn)行處理，再送入牽引控制/備用遠(yuǎn)控切換盒。驅(qū)動相應(yīng)的繼電器后，接點(diǎn)信號經(jīng)牽引電纜的控制芯線送入變頻調(diào)速箱。指令信號則由中央控制模塊輸出，送入牽引控制/備用遠(yuǎn)控切換盒，經(jīng)牽引電纜的控制芯線送入變頻調(diào)速箱。
MG300/666-BWD薄煤層采煤機(jī)電控系統(tǒng)方案說明
一 電氣控制系統(tǒng)方案說明
1． 電氣系統(tǒng)概述
MG300/666-BWD薄煤層采煤機(jī)總裝機(jī)功率為666kW，整個電氣系統(tǒng)分為順槽內(nèi)電氣系統(tǒng)和采煤機(jī)上電氣系統(tǒng)，系統(tǒng)方案圖見附錄A。系統(tǒng)采用變頻器機(jī)外載、一拖二方式。順槽內(nèi)電氣系統(tǒng)主要有3300V/380V牽引變壓器、變頻調(diào)速箱、采煤機(jī)順槽同步顯示箱。其中變頻調(diào)速箱采用我公司生產(chǎn)的ZBT-80/
采煤機(jī)機(jī)上電氣系統(tǒng)，包括七個電機(jī)、采煤機(jī)控制部件電控箱、端頭操作站、遙控發(fā)射機(jī)、瓦斯傳感器、語音預(yù)警揚(yáng)聲器、以及各種傳感器等。七個電機(jī)分別是：四個截割電機(jī)，截割電機(jī)功率為150kW；兩個牽引電機(jī)，牽引電機(jī)功率為30kW；一個泵電機(jī)，功率為6kW。每個電機(jī)均安裝有電流互感器和溫度傳感器，可以為電機(jī)提供可靠的功率和過熱等保護(hù)。采煤機(jī)具有截割電機(jī)恒功率自動控制、重載反牽等保護(hù)功能；具有牽引電機(jī)恒功率自動控制、超載保護(hù)功能，泵電機(jī)過載保護(hù)功能。采煤機(jī)具有面板操作、端頭操作、遙控操作等多點(diǎn)操作功能，同時提供電控系統(tǒng)故障情況下的備用遠(yuǎn)控功能。
2． 控制系統(tǒng)說明
采煤機(jī)控制系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)功能將系統(tǒng)劃分為：中央控制單元、數(shù)字量模塊、模擬量模塊、語音預(yù)警模塊和機(jī)載通信模塊。各個模塊之間采用CAN Bus進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)指令傳遞和數(shù)據(jù)共享。所有模塊均采用高集成度和高性能的DSP控制器作為核心。采用DSP技術(shù)不但可以使采煤機(jī)控制系統(tǒng)具有性能優(yōu)異的控制和保護(hù)功能。從技術(shù)發(fā)展的角度來講，由于DSP控制器高速處理能力，可以直接對一些關(guān)鍵信號進(jìn)行實(shí)時的在線頻譜、功率譜分析，這些處理和分析對發(fā)展機(jī)械系統(tǒng)故障的在線監(jiān)測和煤巖界面自動識別有重要意義。
下面簡要介紹一下個模塊的功能。
中央控制模塊:該模塊是采煤機(jī)的中央控制器，負(fù)責(zé)整個采煤機(jī)的電氣系統(tǒng)控制，通過CAN 總線與其他模塊交換信息；同時該模塊還有數(shù)個RS485通信端口，其中兩個端口用于與左、右端頭操作站交換信息、一個端口與顯示器傳輸數(shù)據(jù)、一個端口用于從參數(shù)存儲/更新器中讀取參數(shù)，還有一個端口與瓦斯傳感器交換信息，另備有RS485通信端口。由于采用非機(jī)載方式，用于給變頻器發(fā)送速度指令的模擬量輸出也由該模塊實(shí)現(xiàn)。
數(shù)字量模塊：該模塊用于接收來自于面板按鈕和遙控接收機(jī)的信號，并輸出開關(guān)量信號去驅(qū)動液壓電磁閥組，同時發(fā)給變頻器的開關(guān)量指令也是由該模塊輸出的。
模擬量模塊：該模塊用于采集七路電流互感器提供的各個電動機(jī)電流數(shù)據(jù)和七路電機(jī)溫度傳感器提供的電機(jī)溫度數(shù)據(jù)，只有模擬量采集功能，不具有模擬量輸出功能。
機(jī)載通信模塊：該模塊基本功能為順槽載波通信，通過CAN 總線采集采煤機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過載波通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)巾槻埏@示箱，同步顯示采煤機(jī)的工作狀況。當(dāng)機(jī)器發(fā)生故障時，可在順槽對采煤機(jī)的故障作出預(yù)判。同時，為實(shí)現(xiàn)薄煤層采煤機(jī)的順槽控制提供可能。
語音預(yù)警模塊：該模塊主要用于語音預(yù)警，接收機(jī)器當(dāng)前主要操作狀態(tài)和故障信息，經(jīng)處理后送語音預(yù)警器，實(shí)施報(bào)警。
除了以上說明的五大功能模塊外，還有無線遙控接收模塊、牽引備用切換模塊和電源模塊。牽引備用控切換模塊內(nèi)部主要為用于直接控制牽引系統(tǒng)的繼電器組；電源模塊則提供整個控制系統(tǒng)的控制電源，包括非本安+12V和+24V電源，以及本安+5V電源。
3．順槽同步顯示箱：
為了能在相對安全的地方監(jiān)視采煤機(jī)的運(yùn)行情況，提供一順槽同步顯示裝置。該顯示裝置可安裝在遠(yuǎn)離采煤機(jī)的順槽組合開關(guān)旁邊，同步顯示采煤機(jī)的運(yùn)行狀況和故障信息。同步顯示裝置的基本功能如下：
（1） 實(shí)現(xiàn)順槽與采煤機(jī)之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸；
（2） 允許在順槽靜止的開關(guān)架上同步顯示采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息，顯示方與煤機(jī)上主顯示器形式相同；
（3） 提供能與運(yùn)輸機(jī)和支架控制系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)端口，形成工作面三機(jī)聯(lián)動的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)；
支持將采煤機(jī)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時送入礦井綜合信息網(wǎng)，并允許地面調(diào)度室對采煤機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
二 電控箱結(jié)構(gòu)說明
電控箱的結(jié)構(gòu)圖見附錄B。
附圖A
附圖B
全新設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)繼承了老的控制系統(tǒng)中經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證的經(jīng)典設(shè)計(jì)部分，并建立了一個技術(shù)先進(jìn)，具有高度擴(kuò)展能力，主體結(jié)構(gòu)能滿足今后5-10年采煤技術(shù)發(fā)展的體系結(jié)構(gòu)。
控制系統(tǒng)采用模塊化網(wǎng)絡(luò)分布式結(jié)構(gòu)，根據(jù)控制對象的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)將控制系統(tǒng)劃分為若干功能模塊，各模塊相對獨(dú)立，模塊之間以高可靠的CAN Bus現(xiàn)場總線相連。主要控制模塊的設(shè)計(jì)以DSP控制器或ARM控制器為核心，充分利用DSP控制器的超強(qiáng)數(shù)字運(yùn)算功能，并結(jié)合ARM控制器豐富的外部接口，從而實(shí)現(xiàn)了高實(shí)時性的智能控制。
本采煤機(jī)電控系統(tǒng)具有常規(guī)的控制和保護(hù)功能，如截割電機(jī)恒功率控制、重載反牽控制、截割電機(jī)熱保護(hù)、牽引電機(jī)熱保護(hù)、變頻器漏電保護(hù)和過電流保護(hù)等，以及無線電遙控系統(tǒng)等。除此之外，還可以通過在CAN Bus總線上增加功能模塊的方式對控制系統(tǒng)進(jìn)行功能上的擴(kuò)展和完善，為今后更高層次的應(yīng)用提供了良好的平臺。
