吾布里·阿依丁，張文強(qiáng)

（新疆工程學(xué)院 電氣與信息工程系，新疆 烏魯木齊 830091）

1 引言

目前世界上最先進(jìn)的采煤工藝是綜合機(jī)械化采煤，簡(jiǎn)稱(chēng)為“綜采”，綜采之所以先進(jìn)是因?yàn)槠啤⒀b、運(yùn)、支、處等5個(gè)主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)全部實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，減少了中間人力參與的環(huán)節(jié)，提高了勞動(dòng)效率。

目前自動(dòng)化生產(chǎn)礦井的煤炭開(kāi)采，都采用綜采和綜放技術(shù)。自動(dòng)化設(shè)備及技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。高產(chǎn)高效礦井的綜采工作面，應(yīng)用大功率多電壓輸出的新型移動(dòng)變電站，隔爆真空智能型高、低壓開(kāi)關(guān)，軟啟動(dòng)電磁啟動(dòng)器，隔爆組合開(kāi)關(guān)，電牽引采煤機(jī)，液壓支架電液控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)安全監(jiān)控及通訊系統(tǒng)等新型機(jī)電設(shè)備。這些新設(shè)備的應(yīng)用，保障了煤礦的安全、高產(chǎn)高效、自動(dòng)化生產(chǎn)。

隨著煤炭自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，將采煤工作面的采煤機(jī)、液壓支架、破碎機(jī)、裝載機(jī)、刮板輸送機(jī)液壓泵站、帶式輸送機(jī)等設(shè)備的控制系統(tǒng)、工作面通信與監(jiān)控系統(tǒng)及工作面供電系統(tǒng)進(jìn)行集成，并接入礦井自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)及工作面設(shè)備的集中控制、保護(hù)、故障自檢、閉鎖、沿線(xiàn)通信等功能，達(dá)到安全、高產(chǎn)高效進(jìn)行煤炭開(kāi)采。以采煤機(jī)位置為依據(jù)的液壓支架自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液壓支架跟隨采煤機(jī)自動(dòng)操作，工作面無(wú)人化生產(chǎn)是工作面自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

由于綜采工作面設(shè)備容量大，電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)多，常采用隔爆組合開(kāi)關(guān)對(duì)工作面設(shè)備進(jìn)行控制。組合開(kāi)關(guān)是由多個(gè)真空接觸器及驅(qū)動(dòng)器組成的多功能開(kāi)關(guān)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制真空接觸器，便可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)。由于現(xiàn)場(chǎng)工作情況復(fù)雜，人工觀(guān)察設(shè)備運(yùn)行工況，發(fā)布命令控制相應(yīng)設(shè)備，有可能發(fā)生狀態(tài)遺漏、控制不及時(shí)的現(xiàn)象，甚至造成誤操作，影響安全生產(chǎn)。

實(shí)現(xiàn)綜采工作面機(jī)械設(shè)備的集中控制，對(duì)提高礦井的供電安全、集中管理、集中調(diào)度、高產(chǎn)高效可起到至關(guān)重要的作用。為了更大程度地提高礦井安全、迎合未來(lái)無(wú)人化工作面的發(fā)展趨勢(shì)，煤礦井下綜采工作面大型設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)也至關(guān)重要。

2 集中控制自動(dòng)化系統(tǒng)

2.1 綜采工作面的集中控制

目前，我國(guó)大部分綜采工作面的大型設(shè)備都采用智能型組合電器進(jìn)行集中控制，其中HT6L1-400Z/1140智能型組合開(kāi)關(guān)是應(yīng)用較為廣泛的一種，它可以對(duì)綜采工作面的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等進(jìn)行集中控制和保護(hù)。盡管該組合開(kāi)關(guān)中的PIC（單片機(jī)）具有RS232接口，但它并不具備通訊功能，更不能與現(xiàn)有安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控主干網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。以Modbus總線(xiàn)技術(shù)為監(jiān)測(cè)監(jiān)控主干網(wǎng)的安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦井下所占比例比較高，為了兼容Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，組合電器中的PIC（單片機(jī)）在對(duì)工作面電氣設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控的同時(shí)必須支持遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，即該監(jiān)控分站對(duì)各個(gè)電機(jī)回路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)的同時(shí)，還能響應(yīng)主站的輪詢(xún)，將各負(fù)載的電壓、電流、運(yùn)行狀態(tài)及故障信息上傳；此外該監(jiān)控分站還支持主站的控制命令，如強(qiáng)制多線(xiàn)圈命令（功能碼為十六進(jìn)制數(shù)0F）、寫(xiě)多個(gè)寄存器命令（功能碼為十六進(jìn)制數(shù)10）等。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

HT6L1-400Z/1140智能型組合電器的測(cè)控系統(tǒng)由信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)采集、信號(hào)處理、控制方式轉(zhuǎn)換、漢字顯示和PiC組成，可以獨(dú)立完成對(duì)6路負(fù)荷的控制與保護(hù)。該測(cè)控系統(tǒng)能完成漏電閉鎖、過(guò)載、短路、斷相、欠壓和過(guò)壓等保護(hù)功能，其先導(dǎo)回路為本質(zhì)安全型電路。它有單回路獨(dú)立控制、多回路程序控制、單機(jī)雙速控制和雙機(jī)雙速控制4種運(yùn)行方式，具有智能化程度高、性能穩(wěn)定、動(dòng)作可靠等優(yōu)點(diǎn)。

控制系統(tǒng)主要由控制箱，電磁閥控制箱，遙控接收器，顯示箱，傳感器，操作箱等組成，框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理框圖

設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備上多個(gè)電動(dòng)機(jī)的復(fù)合邏輯控制和保護(hù)，還可實(shí)際電磁閥的控制和比例調(diào)節(jié)，本機(jī)控制，遙控控制，圖形顯示，網(wǎng)絡(luò)通訊，自動(dòng)截割，采煤工作面控制，液壓系統(tǒng)和減速器齒輪潤(rùn)滑油的檢測(cè)與保護(hù)等功能。

控制箱內(nèi)的中央控制器集成了CAN、Modbus、DP三個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，中央控制器與各個(gè)主回路控制模塊之間采用DP總線(xiàn)；中央控制器與顯示器、電磁閥控制器、遙控接收器之間采用CAN總線(xiàn)；中央控制器與操作箱之間采用Modbus總線(xiàn)。此外，設(shè)備上配置了多個(gè)本質(zhì)安全性傳感器，輸出信號(hào)傳送給控制箱內(nèi)的隔離柵，經(jīng)隔離和信號(hào)轉(zhuǎn)換后輸入到控制箱內(nèi)的中央控制器［7］［8］。

3 電氣控制箱內(nèi)主回路控制模塊

主回路控制模塊內(nèi)的控制器配以相應(yīng)的外圍接口及信號(hào)處理電路，在模塊化軟件的支持下對(duì)周期性電量交流采樣，實(shí)現(xiàn)各個(gè)主回路電機(jī)的本地控制，完成對(duì)所控制電機(jī)的過(guò)流、過(guò)載、斷相、過(guò)熱、過(guò)壓、欠壓、以及漏電閉錯(cuò)等多種保護(hù)功能。中央控制器和各個(gè)控制模塊之間進(jìn)行雙向DP通信，控制模塊在接收中央控制器控制信號(hào)的同時(shí)，并把運(yùn)行狀態(tài)和故障參數(shù)通過(guò)DP總線(xiàn)傳送給中央控制器，框圖如圖2所示。

圖2 中央控制器和控制模塊的通信原理框圖

控制模塊集成了DP總線(xiàn)、模擬量模塊、數(shù)字量模塊和具有處理周期性交流電量信號(hào)的采樣模塊等，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)漏電閉錯(cuò)，過(guò)熱保護(hù)，PT100信號(hào)檢測(cè)。控制模塊內(nèi)的控制器在對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析、處理、判斷和發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，能直接輸出給驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并將具體故障信號(hào)傳送給中央控制器?？刂颇K實(shí)時(shí)采集周期性交流電量信號(hào)，通過(guò)快速博里葉算法，計(jì)算出負(fù)荷的電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率、電度等，并對(duì)以上采集到的電量分析、判斷后，進(jìn)行過(guò)流、過(guò)載、缺相、過(guò)壓、欠壓等保護(hù)?？刂颇K的供電電源為220V，變換出工作所需的各種電源。每個(gè)控制模塊都有獨(dú)立的DP地址，通過(guò)硬件改變模塊的地址，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制模塊功能的互換。

4 PIC控制電路

硬件電路選用PICl6F877單片機(jī)、PC串口通信的MAX232芯片、顯示LCD及信號(hào)按鈕、報(bào)警器組成。系統(tǒng)把安裝在采煤工作面機(jī)電設(shè)備信號(hào)輸入到PIC微控制器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集控制器，在PIC微控制器內(nèi)部經(jīng)過(guò)C語(yǔ)言編制的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、判斷、軟件處理，輸出開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，達(dá)到控制的目的。RS232通信信號(hào)與PC串口通信用于數(shù)據(jù)傳送，顯示LCD用于裝置就地顯示，按鈕用于臨界值設(shè)定，報(bào)警器用于事故報(bào)警。系統(tǒng)采用KDW65隔爆兼本安多路電源，分別為微處理器系統(tǒng)和顯示報(bào)警提供電壓。圖3所示為PIC控制電路圖。

圖3 PIC控制電路圖

5 檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)軟件由信息判斷程序部分、控制信號(hào)處理部分、LCD信息顯示部分、RS232串行通信部分組成，程序流程如圖4所示。

圖4 檢測(cè)程序流程圖

信息判斷信息處理部分：主要包括系統(tǒng)電機(jī)啟動(dòng)程序、系統(tǒng)初始化程序、數(shù)據(jù)采集接收發(fā)送程序、信息中斷服務(wù)程序。

控制信號(hào)信息處理部分：主要包括輸入按鍵防抖動(dòng)程序、輸入信號(hào)數(shù)字濾波程序、信號(hào)邏輯處理程序、系統(tǒng)優(yōu)化程序接口程序、電氣故障過(guò)載、短路、斷相、故障保護(hù)程序。

LCD信息處理部分：主要包括LCD初始化程序、LCD使能控制程序、LCD讀寫(xiě)控制程序。

PICl6F877單片機(jī)與PC機(jī)RS232串行通信部分：主要包括PICl6F877單片機(jī)異步收發(fā)通信程序、應(yīng)用VB6.0編寫(xiě)的PC機(jī)串口通信程序及顯示界面程序。

6 結(jié)束語(yǔ)

利用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)構(gòu)成的采掘設(shè)備可減少設(shè)備復(fù)雜的接線(xiàn)，提高了系統(tǒng)的可靠性，可維護(hù)性及靈活性，增加了系統(tǒng)的互換性和互操作性，可把各種控制功能分散到各種電氣設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的分布式控制。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的控制模塊能處理各種參數(shù)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及故障信息；具有獨(dú)立控制功能，并能在網(wǎng)絡(luò)故障的情況下獨(dú)立工作，大大提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力；每個(gè)控制模塊可以通過(guò)設(shè)定參數(shù)實(shí)現(xiàn)控制模塊的互換。對(duì)周期性電量的采集使用交流采樣技術(shù)，不僅采樣速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，而且能獲得比較多的電量參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的電動(dòng)機(jī)保護(hù)。采用多樣化的傳感器，不僅對(duì)采掘設(shè)備的工況、關(guān)鍵部件進(jìn)行檢測(cè)與保護(hù)，而且還實(shí)現(xiàn)采煤工作面自動(dòng)控制和定向功能。此外，圖形顯示為工作人員提供了良好的人機(jī)界面，便于工作人員操作和維修，提高了工作效率。

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