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1、精选优质文档-倾情为你奉上毕业设计（论文）题目综采机电气控制部分设计 专 业 年 级： XXXXXXX 学 生 学 号： XXXXXX 学 生 姓 名： XXX 指 导 教 师： XXX 永城职业学院矿业工程系2O12 年 10月 20 日专心-专注-专业 毕业设计（论文）任务书年级专业 XXXXXXXXX 学生学号XXXXXXXXXX 学生姓名 XXX 一、设计（论文）题目：综采机电气控制部分设计 二、 设计（论文）任务与要求三、设计（论文）时间： XXXX 年X 月 XX日至 XXXX 年 XX 月 XX日指导教师 （签名）主管院长(系主任) （签名）毕业设计（论文）评定书年级专业 XXX
2、XXX 学生学号 XXXXXXXXX学生姓名 XXXX一、 设计（论文）题目： 综采机电气控制部分设计 二、 设计（论文）共 42 页，附图 16 张三、 审阅意见及评语 根据学院教学管理的有关规定，同意（不同意）该生参加毕业答辩 指导教师 （签名） 职 称 工作单位 附4：决议 毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议年级专业 XXXXXXX学生学号 XXXXXXXXX 学生姓名 XXX 该生 年 月 日进行毕业设计（论文）答辩 设计（论文）题目： 综采机电气控制部分设计 答辩委员会：主任委员（组长） 委 员（成员）答辩学生向答辩委员会（小组）提交如下资料：设计说明书 设计图纸 指导教师评阅意
3、见 根据学生所提供的毕业设计材料和指导教师意见摘要煤炭是我国的基础能源,在我国煤炭资源分布中,薄煤层(煤层厚度小于1.2米)资源丰富且分布广泛,约占总可采储量的20%。但是由于地质条件复杂,开采环境恶劣,一直没能广泛推广综合机械化采煤技术,导致开采效率低下,安全隐患严重。采煤机作为综合机械化采煤技术的核心设备之一,研究推广针对于薄煤层这种特殊开采环境的采煤机,有助于提高薄煤层开采效率,减少井下危险区工人数量,有效降低安全事故的发生。 本文研究的课题来自于2006年国家科技支撑计划“煤炭资源高效采掘关键技术与装备研发”项目中的“薄煤层高效开采机电一体化关键技术”(项目编号:2006BAB16B0
4、3)。为了应对极薄煤层下限开采高度为0.8m的项目要求,采煤机机身高度仅为0.6m,在保证机械强度和矿用防爆要求的情况下,实际电气控制腔体的内部净高仅为22cm,安装空间十分狭小。同时机体重量轻,煤层夹矸严重,薄煤层采煤机电控系统的设计还需要适当考虑械振动的影响。目前国内使用的PLC或者工控机技术的采煤机控制系统,体积较大、功能简单、扩展性能差、安装走线繁琐、并且几乎没有抗振动性能。无论是从电气性能还是机械安装的角度均无法满足极薄煤层采煤机的性能要求,为此,需要研究开发一套专用的电气控制系统。 在详细分析了极薄煤层采煤机电气控制系统需求的基础上,结合了现代电子技术和工业控制先进技术,并且充分考
5、虑后续技术发展的要求,研究实现了这套全新的电控系统。论文主要进行了以下三个方面的研究和实现工作: 1.提出了采用分布式总线结构,将控制系统划分为若干模块,以CAN总线进行连接,结构灵活、可扩展性强、可以方便地更替或增加功能模块扩展采煤机性能。 2.首次在采煤机控制领域使用ARM芯片控制技术,同时部分模块使用了性能优异的DSP控制器作为核心。结合ARM和DSP技术,为日后实现无人工作面、故障自诊断等,奠定了强大的硬件平台。实现了新兴电子技术和控制技术与传统工业控制设备的融合,大幅提升了薄煤层采煤机电控系统的性能。 3.针对极薄煤层采煤机特殊的工作环境,在抗电磁干扰、抗机械振动、耐潮防爆等方面,分
6、别从电气设计和机械设计的角度采取了多种措施,确保电控系定在采煤机上稳定可靠的运行。 论文还通过该套控制系统性能测试工作,验证了方案的可行性,并对测试结果结果和现场使用情况的反馈进行分析,针对部分设计不足之处提出了具体的改进建议。论文成果对于其它矿用电气控制系统的设计具有一定的参考价值。关键词：采煤机 薄煤层 电气控制系统 CAN总线 大倾角目录 引言随着近年来我国煤炭行业的快速发展，与之唇齿相依的煤机行业也日益受到重视。从去年出台的煤炭行业纲领性文件关于促进煤炭工业健康发展的若干意见，到去年召开的全国煤炭工业科学技术大会，再到近日的国家发改委出台的煤炭行业结构调整政策，都涉及到发展大型煤炭井下
7、综合采煤设备等内容。有关人士指出，大型煤炭井下综合采煤设备走进人们的视野，这是煤机行业发展的必然趋势。加快发展煤机制造业意义重大我国是世界煤炭第一生产和消费大国。由于我国富煤少油，所以煤炭在我国的一次能源中占有极其重要的地位。近年来，国际油价高企，这在某种程度上更加凸显了我国煤炭资源的战略意义。建设强大的煤炭工业须有强大的煤矿机械制造能力作为后盾。然而，生产技术总体水平落后正在制约着煤炭工业的快速发展。据统计，目前全国采煤机械化程度仅为42%。众多小煤矿仍沿用传统落后的开采方式。为解决这一矛盾，国家提出了加快提升煤炭生产和设备制造技术水平的战略目标。根据“十一五”煤炭行业结构调整的主要目标，到
8、2010年，全国大、中型煤矿采煤机械化程度要分别达到95%和80%以上。据有关专家介绍，大型煤炭井下综合采掘设备等重大专项，主要是面向煤矿高产、高效集约化生产及其配套的设备和技术。包括年产600万1000万吨厚煤层综采成套技术装备研制；年产150万200万吨薄煤层自动化综采成套技术装备研制；年产100万吨以上短壁综采成套技术装备研制；巷道快速综掘成套技术装备研制等。有关业内人士指出，我国发展大型煤炭井下综合采煤设备，不仅是为了解决煤炭行业发展的设备需求，也不仅是间接地为提高我国煤机行业技术水平提供难得的发展机遇，更重要的是，它将为我国重要能源资源开采提供有力保障。制约因素加大综合差距煤机行业的
9、发展并非一帆风顺。在经过多年的低谷期后，虽然近年来市场逐步转暖，但在其自身发展中仍有诸多制约因素。诸如基础技术及基础元器件发展滞后、国产原材料不能满足要求、企业数量多规模小且分散重复、科技开发投入少、技术创新能力弱等。目前，煤机全行业最突出的问题之一就是成套能力薄弱，市场竞争力不强。据了解，改革开放以来，在煤炭专用设备研制和国产化工作上取得了巨大成就。但是，由于体制和机制的制约，在煤炭专用设备研制和国产化工作中，力量主要集中在提高单机的设计制造能力和水平上。因而，煤炭专用设备的系统开发、系统设计、系统成套及系统服务，则显得十分薄弱。同时，由于煤炭装备制造业发展滞后，产品的性能和可靠性难以满足高
10、产、高效矿井要求，导致企业在市场竞争中缺乏竞争力。另据了解，目前国内仅有山西焦煤集团和中国煤炭机械工程装备集团具有综合煤机制造实力。第一章 煤层大薄倾角采煤机的应用与展望1.1薄煤层分布及开采现状我国煤炭储量大且赋存多样化，其中薄与极薄煤层资源丰富，并且分布广泛。在已探明矿区中，842的矿区均有薄煤层分布，资源量约为67Gt，其主要分布在河南、山西、河北、山东、四川、贵州、吉林、辽宁、安徽、内蒙古等省区其中有的矿区薄煤层储量占有相当大的比重，如安徽占72、四川占518、贵州省占372。在全国95个重点煤炭企业(集团)中有80个企业445处矿井都赋存薄煤层，薄煤层可采储量615Gt，约占总可采储
11、量的19。由于受工作面空间的限制，薄煤层一直是井工矿井开采的薄弱环节，设备的能力、安装、检修、操作等均受到很大的限制，煤层生产能力低，单产水平低，巷道掘进率高、接替紧张经济效益差，而对于大倾角薄煤层的开采更是难上加难。受经济效益影响，我国多数矿井对于煤厚小于12m的薄煤层，存在弃之不采的现象，资源损失严重。1.2国内外薄煤层采煤机使用现状目前，国外长壁式薄煤层滚筒采煤机高效开采的主要采煤国有美国、英国、德国，其开采煤层多为08一13m的薄煤层和13一18m较薄煤层，主要使用的采煤机有美国JOY公司的4LS，英国Anderson公司的AM420，AS270，德国Eickhoff公司的EDW-17
12、0LN，EDW300LN，平均日产在50007000t。国内采煤机生产厂家也先后试制薄煤层采煤机，如河北金牛能源股份有限公司的MGNl32316一DW、鸡西煤矿机械厂的MGl32315WD，MGl32320一WD，无锡盛达机械制造公司的MGl 32320一WD等。天地科技股份有限公司上海分公司前身是国家采煤机专业归口单位，行业标准化委员会采煤机分会主持单位，在国内首先研制开发了液压牵引和交流变频电牵引二大系列采煤机，现已有研制成功采煤机23个系列近百种型号。公司从成立之初就致力于薄煤层大倾角采煤机的研制，从2003年第1台薄煤层采煤机MG200456一WD样机在四川华蓥山广能(集团)公司使用成
13、功，到今天为止公司已为四川、贵州、山东、山西、河北、河南、东北等省区30多个局矿的新老客户提供了近50台456系列采煤机，并于2006年3月10日在同煤集团晋华宫矿，创下了同等条件下、单头单面薄煤层13产原煤7362t的全国最高记录(该煤层厚度12。14m，煤层硬度系数f=4、多夹石、多黄铁矿结核)。2004年在MG200456WD型通用非机载两象限变频调速运行系统的基础上派生出非机载能量回馈型四象限运行系统，使适用倾角范围扩大到045。，并在贵州盘江精煤股份有限公司煤层倾角达到38。的情况下，实现平均日产原煤2kt以上。通过多年来对456系列采煤机的使用统计，该机型最佳采煤高度为1217m，
14、在采高14m，工作面长200m时，平均日产30005000t，大倾角工作面平均日产15003000t，开机率在90以上。MG200456QWl3采煤机主要技术参数如下：采高范围1020m，适用倾角045。，总装机功率4555kW，截割功率2 X 200kW，牵引功率225kW，泵站功率55kW，牵引力440220kN，牵引速度0612mmin，截深630800mm，滚筒转速44rrain，滚筒直径牵1150mm，qbl250mm，qbl400mm，整机重量22t。1.3薄煤层大倾角采煤机的发展趋势1.3.1改变采煤杌与变频器间信号传输方式因为从以上的介绍可以看出，对于薄煤层采煤机而言，由于受到
15、工作面高度的限制，如果把变频器和牵引变压器放在机身上，会使得采煤机机身过长，从而导致采煤机对工作面的通过性和适应性很差，所以，要把变频器和牵引变压器放在工作面巷道内。但与此同时，增加了1根连接采煤机与变频器之问的牵引电缆，由于井下工作面条件恶劣尤其是薄煤层工作面，所以，牵引电缆在使用一段时间以后，可能会导致电缆控制芯线的折断，另外由于外界的干扰信号很多，也可能影响传输信号的失真。基于以上原因，在采煤机与变频器之间的信号传输方式上如果能采用双向载波通讯方式，即通过牵引电缆的主芯线利用载波通信的方式，实现采煤机与变频器之问的信号传输，这样可以避免牵引电缆中控制芯线长时间使用后易折断的问题，从而更好
16、地提高采煤机的可靠性。1.3.2提高单进带上山岩巷采用混合掏槽爆破技术，循环进度由原来的12一13m提高到1819m，炮眼利用率由原来的不足80提高到90以上，实现了快速成巷；剔除其他影响，月进尺由原来的50一60m提高到95m左右，进尺效率是原来的190。1.3.3降低了施工成本及支护工作量。岩巷中采用混合掏槽爆破技术，不但单位炸药消耗量、炮眼长度、雷管消耗量均有明显的降低，而且巷道成型，超欠挖也得到了很好控制，眼痕率也得到大幅度提高。减小了打眼、出矸工作量，控制了爆破成本，提高了劳动效率，同时还在支护时，减少了因超欠挖而要扩帮或充填空洞的工作量及其支护材料等，节约了大量的时间和支护成本。1
17、.4大倾角采煤机械化适应性分析大倾角煤层是指35 55啪煤层，对这类煤层的机械化开采问题，许多矿区都在开展试验研究。例如在薄煤层中试用的钢丝绳煤锯、刨煤机，以及薄及中厚煤层应用的弧形金属支架配滚筒采煤机等。但根据我国目前的实际情况，在大倾角煤层中应用机械化开采还存在以下问题：现有自移式液压支架的防倒、防滑、防倾覆以及架闻的相互哎合，不适应大倾角煤层的要求采煤机在运行过程中的导向、防下滑，以及煤炭自溜等问题没有很好解决普机采面单体支柱的防倒、防滑以及顶板管理控制等存在不少问题此前对大倾角煤层矿压显现规律的研究不够。由于上述问题的存在，所以机械化开采在大倾角煤层中应用较少。1.4.1大倾角煤层采场
18、矿压显现的基本规律1 994年，焦作矿院完成了煤炭部“大倾角煤层开采及嘎板岩层活动规律研究 科研项目，掌握了此类煤层采场矿压显现的基本规律，主要结论如下：大倾角煤层采场上覆岩层由于受采动影响，按岩石破坏程度不同自下而上可分为冒落带、裂腾滞和弯曲下沉带.沿倾斜方向，工作面下部采空区冒落带岩层运动较缓，而中上部岩层运动较剧裂；冒落带形状为上、下不对称的拱形，其上部拱边缘与采空区垮落岩层完全脱离，并存在一定间隙，下部拱边缘与采空区岩层未完全脱离。图1为平顶山市香山煤矿1437工作面(倾角40。)实测的上覆岩层破坏形态图。其特点是冒落带和裂隙带的上部轮廓类似于一个抛物线，上下不对称，中、上部略呈马鞍状
19、。经在实验室模拟研究，工作面上部冒落高度约为采高的36倍，上拱脚与层面夹角约8O。，下拱脚与层面夹角约35。38。裂隙带内裂隙体梁呈弯曲下沉，最大下沉值位于采空区中部偏上。沿走向方向，大倾角煤层走向长壁面有与缓倾斜长壁面相似的初次来压和周期来压。其特点是厚煤层上分层初次来压步距和强度大、持续时间长；周期来压强度小、持续时间短。厚煤层下分层来压步距和强度均比上分层要小得多，有时不明显。例如，平顶山市香山煤矿上分层1427工作面初次来压步距28m，周期来压步距1416m，下分层1437工作面初次来压步距15m，周期来压步距仅89m，见图2、图3。在大倾角薄及中厚煤层，一般初次来压步距和强度大，而周
20、期来压不明显。例如香山煤矿1414工作面(煤厚平均16m，倾角42 48。)，初次来压步距22m，支柱平均载荷达146KN根，顶底板移近量平均580来压持续23d；周期来压时支柱平均载荷只有77kn/根比平时平均载荷51kn/根略高，对生产影响较小。大倾角煤层放顶后采空区矸石在其本身重力下将随放顶下滑，使采空区下段得到充分充填，采空区上方形成自由空间，图4为香山矿1437工作面的充填示意。经观测，煤层倾角越大垮落矸石下滑越明显，采空区下段充填也就越大。其充填长度受面长和倾角双重影响。经香山矿l5个工作面统计，充填长度L和倾角a及工作面斜长L之间存在近似线性关系，经回归得到如下方程：L一一394
21、+084a+ 023L ( 36 )这种充填不均造成了工作面上、中、下部不同的矿压显现，即工作面中、上部的顶板下沉量及支柱载荷普遍比下部大。大倾角煤层开采后围岩应力重新分布，沿走向方向在工作面前后存在增压区、减压区、稳压区。图5是根据模拟试验测出的支承压力分布曲线。模拟采深83113m，原岩应力为495Mp。从图5可见，超前支承压力的影响范围在前方30m左右，其峰值位于工作面前方512m，最大压力为77Mp工作面推过后，应力几乎下降为零，随工作面推进应力又逐渐增大。沿倾斜方向，采空区下方侧向支承压力分布存在着应力降低区、应力升高区、原岩应力区。图6为实验室模拟香山煤矿1427、1437工作面的
22、结果，其侧向支承压力分布曲线呈指教函数形式。开采上分层时其方程为经计算，上分层回采后，应力集中系数大，为218，峰值位置在距采空边缘46m处，其影响范围为185mt下分层回采后，侧向应力最大集中系数为29，峰值位置距采空区边缘65m 影响范围为25m。太倾角煤层工作面和缓倾斜煤层相比，支柱的载荷普遍低于缓斜面。但由于下精力大，采场支柱的稳定性差太倾角厚煤层倾斜分层开采的集中回风巷，由于处在工作面上部采空区边缘，上覆岩层压力大，所以巷道围岩变形量大，维护困难 而下部的共用运输机巷，由于采空区矸石对大部的充填，围岩移动量不大，木支护也能满主要求。在大倾角中厚煤层中应用沿空留巷时，巷道一次和二次采动
23、影响的矿压显现规律和缓斜面类似。所不同的是由于下滑力的增大，巷道两帮移近量大，这是导致巷道破坏的主要因素之一。1.4.1 采爆机I作状态分析在大倾角煤层中由于采煤机本身的重力作用将向下滑动，使采煤机牵引力增大。因此，应增加安全保险钢丝绳，可在回风巷内安设牵引绞车，在运输巷内安紧绳绞车。这样，在采煤机上行割煤时牵引绞车可防止采煤机下精，又能起辅助牵引作用。采煤机的运行过程的受力如图7。当采煤机正常工作时，采煤机的牵引力为P，锚链非工作边的张力为P ，工作边的张力为， 则：P2=P1+ p。而采煤机牵引力P则是采煤机割煤阻力P ，运行摩擦阻力P ，装煤阻力Pn机体下精力P ，纹车牵引力P。等力的合
24、力。上述各力随着工作面的倾斜角度、工作面采高、煤的硬度，采煤机的牵引速度和滚筒转速等因素的变化而变化，即采煤机运行中的牵引力不是一个定值。要使采煤机在运行过程中不出现故障，要考虑将控制上述诸力控制在合理范围之内。如在倾角一定时对采煤机的牵引速度，工作面高度滚筒转速等加以限制，则能计算出采煤机在运行中的阻力变化，从而采取合理的措旅保证采煤机的正常运行。大倾角煤层由于工作面煤炭的运输采用自溜，采煤机在运行中无导轨可骑而精底板精行。为了防止采煤机扎底，减少运行阻力，可在采煤机的底部安设特制的底座。底座下焊两根斜铁滑道，以便采煤机运行中定向行驶。另外，可在采煤机机身的截割部前端靠煤壁侧安装定向板，使滚
25、筒不致过于压向煤壁。1.4.2 工作面的顶板管理从大倾角煤层开采采场矿压显现规律可看出，要保证工作面的安全生产，需解决两大难题、一是根据矿压显现特征的变化对采场上、中下部进行不同的支护与顶板管理I二是单体支柱的防倒防滑。根据实践，对工作面上、中、下部矿压显现不均的问题，可采取以下控制措旅：(1)提高上段支护密度，沿切顶线架设双排支柱，增加整体承载能力。(2)随采煤机割煤及时挂粱护顶，保证顶板完整。(3)实行分段同步回柱放顶 分段距lOm，每个分段上方设置挡墙，使采空区实现分段垮落、分段充填，以缩小工作面自由空间面积，有效调整采场支柱受力不均匀问题。(4)及时、彻底放顶，严格杜绝上段直接顶的不垮
26、落悬梁。(5)若开采煤层的水及瓦斯小，上部放顶时可放透上区段采空区，使上区段垮落矸石部分下移，以充填本面上部采空区自由空间，改变上段载荷过大、不利支护的状态。(6)工作面伪仰斜布置，以减少矸石正向下滑，防止冲垮工作面支柱并减缓下滑冲量(7)初次放顶及来压时增加木垛的数量。为解决支柱的防倒防滑问题，可采取如下措施：支柱支设前，首先挖015m深的柱窝。使用单体液压支柱支设；若使用摩擦式金属支柱，应用50KN液压升柱器，保证支柱初撑力在30KN以上，并有35。的迎山角。支柱支设后，沿底板自下而上在柱子根部打设木撑，使支柱间相互支撑，提高支架的整体稳定性，避免下滑。经常检查单体支柱的性能，发现问题及时
27、处理，防止突然卸载、支柱歪倒。此外，在开采大倾角薄及中厚煤层时，为改善工作面支护，国内外曾试用了一种气垛支架。它由几个具有弹性的加固橡胶囊组成。橡胶囊充入压缩空气后，体积膨胀、高度增加，使其紧贴煤层的顶底板而具有一定的初撑力。其承载能力，能随顶底板岩石的移动而增加，可作为大倾角煤层今后应用机采的支架。由上述分析可知，只要采用有效的措施，在大倾角煤层上实现普机采，高档普机采，达到高产、高教是不成问题的。1.4.3 综合机械化开采分析综合机械化开采在大倾角特厚煤层水平分层和水平分层放顶煤工作面已成功应用，但对一般的大倾角、薄及中厚或厚煤层走向长壁工作面， 目前应用尚存在困难。从大倾角煤层开采后上覆
28、岩层的垮落情况看，覆岩的垮落对工作面支架的作用力，比同等条件下缓倾斜煤层对支架的作用力要小。而目前已有的自移式液压支架，从其本身的支撑能力看完全能满足要求。但液压支架应用于大倾角煤层沿倾斜方向的下滑力大，在下滑力的作用下支架将倾覆、下滑。目前，国内已有大倾角煤层综合机械化采煤成套设备，其总体配套设计针对大倾角回采特点，对顶板管理、煤流控制、调斜、采煤机制动、支架防倒防滑、封闭人行道等安全防护、三机配套提出了合理有效的措施。此项技术已列入19962000年煤炭工业100项推广技术，这说明大倾角煤层是完全能够用综合机械化开采的。1.4.4 机械化开采在大倾角煤层中的应用前景从以上对普机采和综采的分
29、析可以看出，在大倾角煤层中应用普机开采目前即可展开。特别是“大倾角煤层开采及顶板岩层活动规律研究”成果，全面揭示了大倾角煤层开采中的矿压显现特征，为工作面支护形式的选择、参数选取、顶板控制等打下了基础，为应用普机开采从顶板控制方面提供了保障。可 蕊计，不久普机开采会在大倾角煤层的开采中得到广泛应用。而后，在大倾角、厚及中厚煤层中进行综合机械化采煤也会成为现实。第二章极薄煤层采煤机电气控制2.1系统性能及构架需求分析 系统需要实现下述基本功能：实现4台1140V大功率电机的电流监测、过载反时限继电保护；在割煤过程中对两台lOOkW截割电机进行恒功率自动调节；通过一台55kW变频器对两台牵引电机进
30、行方向、速度控制以及牵引负荷的自动平衡，实现对变频器和牵引电机工况的实时监测；实现煤机截割摇臂和破碎摇臂的升降控制；为采煤机司机提供包括中间箱面板操作控制，机器两端线控操作，同时提供离机无线电遥控操作控制在内的多种操作控制方式 对机内各电机进行实时温度监测和预警保护，系统冷却水压力流量保护； 提供机器各部分状态的实时显示，部分关键数据的连续纪录，为操作人员提供机器故障诊断信息，力求人机界面友善。系统对于实时性的要求按不同的功能部分有不同的要求。对于采煤机牵引系统控制，要求在最高牵引速度下，考虑到满足25mm的位置检测控制精度。采煤机的最高牵引速度为调动运行速度15mminute，因此对该部分响
31、应时间Td=O025rrd15mminute=160mS对系统其它部分的控制相应时间，可从避免给人有明显的动作延时或显示延时为宜，一般取lOOmS。由于系统为分布式结构，每种信号在系统中传输和处理所允许的最大延时，根据所允许的总延时进行分配，确定各部分的实时性指标。系统大部分时间指标为软实时，就Et前性能要求而言，必须要达到上述的相应时间要求。对于人机接口方面，采煤机本身是一个复杂的大型设备，采煤机司机需要随时能够了解机器的详细运行情况，以便有效地操作机器，避免发生恶性生产事故。因此，人机接口的设计在控制系统设计中也十分重要的。通常在采煤机中间位置放置的人机接口(HMI)显示器，则根据煤炭开采
32、行业的实际现状，要求提供简单、直观的操作提示和状态显示。但是实际生产中，采煤机司机一般都有两个人，分别在机器的两端跟随机器行走。为了方便司机观察，需在机器两端分别设置一个被成为端头操作控制站的设备，用于对一些常用和关键的动作进行操作。如果还能够显示机器当前的状态信息，就可以大大方便操作工人了解机器现状，随时采取相应的操作动作。从兼容性角度分析，出于对公司的投资及技术管理考虑，本文研究的电气控制系统在不仅仅用于MG100238一WD型采煤机，还希望能够直接替换公司目前已使用多年的PLC控制系。因此必须在设计之初就要考虑便于安置在其它机型以及方便客户顺利升级，在某些操作方式需要保持延续，这些要求的
33、提出大大增加了课题的难度，使得控制系统方案的选择，面临多方面的限制。从技术的发展延续和扩展性角度分析，还需要考虑未来实现少人或者无人工作面的应用，系统的软硬件平台要充分留有足够的扩展性。可以利用相关接口方便的替换原有控制模块或者添加新的功能模块，以实现系统的升级扩充或者是功能裁剪。2.2主要控制量及通信端口统计根据上述功能和需求分析，结合采煤机具体的机械结构，可以统计出控制系统所需处理的各类输入输出的点数，以及通信端口数目和类型，以便进行系统设计。随着工业技术的发展，客户对于采煤机自动化控制的要求程度越来越高，要求控制系统完成的功能将更趋多元和复杂。因此在设计中不但要考虑整体结构上的可扩展性，
34、还要在各部分具体设计中留有一定的余量。表1列出了本文所设计的系统所需的基本IO点数与端口类型数量。由上可知，整个系统需要处理85点开关量输入、28点开关量输出(包括继电器输出)、16路模拟量输入、2路模拟量输出、提供5个独立的RS485通信端口(其中3个要求是本质安全型)以及一个RS232通信端口等具体的硬件指标。而上述统计仅仅是采煤机电控系统最基本的硬件需求，如果考虑到系统未来的扩展性以及附加的诸如调试和测试端口，那么硬件需求还要大大增加功能Io类型开关量输入开关量输出模拟量输入模拟量输出通信或特殊信号端口电机电流传感器8牵引系统控制2222个RS485串口左右端头站操作642个本安型RS4
35、85串口无线电遥控操作16摇臂及液压闸控制9电机温度监测8(PT100)HMI接口1个RS232串口冷却水与泵站监测2(本安)先导与运闭控制2(本安)语音预警提示11个本安RS485串口运行状态指示92.3矿用设备防爆性和可靠性的要求煤矿用电气设备必须满足煤矿爆炸性气体环境的电气防爆要求和相关安全标准。任何矿用电气产品必须通过国家防爆检验机构的爆炸试验和安全火花试验.MG100238一WD型极薄煤层采煤机适用的采煤工作面空间狭小，导致采煤机机面设计高度不足06m，机内设备安装空间狭小，设备人员众多，机器运行失控会导致严重生命和财产损失。同时由于机器故障引起的停机，如不能提供方便有效的检修，可能
36、给用户造成的经济损失每天高达数万元。这些要求对机器本身包括控制系统的设计，在可靠性和实用性方面提出了严格的要求。这就要求在控制系统设计中，考虑采取一定的冗余和容错措施，提供安全可靠保护和操作方式。在针对薄煤层采煤机震动强烈的工作现状，需要具体考虑电控系统的减震措施和抗震动强度方面的需求，比如控制系统电路板的大小尺寸、电控盒的安装方式以及插接件的抗震动性能等。2.4 PLC 在交流电牵引采煤机电气控制系统中的应用交流电牵引采煤机是现代化矿井实现高产高效的关键设备之一。其电气设备控制系统的先进性和可靠性对保证采煤机的整机性能及提高其可靠性都有着极其重要的影响。采煤机工作环境恶劣,如运行时振动强烈、
37、大功率变频调速装置产生强的电磁干扰、电源电压极不稳定(经常存在+ 20 % - 30 %的大幅度波动) ,且存在较重的电源污染以及煤尘、潮湿严重等许多不利因素,对采煤机电控系统的设计都提出了较为苛刻的要求。在设计国产MG 系列变频器机载式交流电牵引采煤机电控系统时,充分考虑到可编程控制器(PLC) 自身硬软件技术成熟,具有抗干扰能力强、组态灵活方便和可靠性高等特点,比较适合于在恶劣环境下使用。因而选用PLC 作为电控系统的核心元件,配以自行开发的专用接口,实现采煤机系统的控制、监测、保护和显示等功能。2.4.1电控系统的控制功能在变频器机载式交流电牵引采煤机中,电控系统要实现的操作、控制和保护
38、等功能,主要有:(1) 根据采煤工艺和采煤机司机的操作要求,控制主机启动和停止,牵引送电/ 断电、牵引换向和牵引速度控制;(2) 为方便司机对采煤机进行控制,设置有中间控制箱面板、机身端头控制站和无线电遥控3 种操作方式,以便自由选择;(3) 实现截割电机的恒功率自动控制和重载自动反向牵引;(4) 对截割和牵引电机进行过电流及温度保护,包括:4 台电机电流反时限继电保护;电机堵转瞬动保护;高温运行时,自动调整保护整定值;电机过热报警和断电保护;(5)摇臂的升降操作;(6) 运行参数中文显示、参数记忆及故障自动锁定等功能。2.4.2系统硬件结构及配置为了实现上述功能,选用了美国通用电气公司GE
39、Fanuc 90 - 30 PLC 作为控制系统的核心元件。电控系统的硬件结构见图1 。PLC 安装在采煤机电控箱内,它根据采煤机司机的命令和采煤机各电机当前的电流和温度等运行参数,按照一定的算法规则来完成对机器的控制和保护。电控箱内还装有端头操作接口单元、无线遥控接收单元、多路电源组件、用于人机接口的显示单元和部分电流传感器。PLC 硬件配置如表1 所示。在本系统中,来自采煤机中间箱控制面板的操作命令、经过变换处理后的端头操作信号、来自无线电遥控接收机的控制信号及水路故障信号等经过接线逻辑处理后,由32 点开关量输入模块MDL655(接点输入) 送入PLC。AL G442 为4 路12 位模
40、拟量输入/ 2 路模拟量输出模块。由霍尔效应电流传感器检测到的两截割电机和牵引电机电流信号由该模块进行采样和A/ D 转换。用于控制变频器的输出频率,调节采煤机牵引速度的模拟信号,也由该模块输出。截割电机绕组内和调速箱内的温度检测热电阻Pt - 100 ,直接与RTD600温度模块相连,该模块将Pt - 100 的电阻值转变为与检测点温度对应的数字量。控制采煤机变频器送/ 断电、牵引方向和摇臂调高电磁阀的信号从16 点继电器输出模块MDL655 输出。日本DEC 公司生产的带触摸屏功能的LCD 智能GP 显示器以SNP 串行通信协议和PLC 电源模块上的RS - 485 兼容串口相连。由于该显
41、示器内带32 位RISC CPU 和丰富的显示控制软件,与PLC 接口简便, PLC 只需耗费很少的时间和存储空间来控制显示。安装在采煤机机身两头的端头控制站离PLC较远且控制项目较多,其控制信号要先在控制站内进行脉冲编码后,再串行地发送到中间电控箱。由于该信号不能由PLC 直接处理,必需先经端头操作接口单元进行变换后再进入PLC。同样,从遥控发射机发出的154MHz 无线电遥控信号,被无线接收单元接收并经变频、解调、解码等处理后,再送入PLC 进行处理。2.4.3 系统软件结构系统软件由控制保护算法部分和显示控制部分组成,其中PLC 控制软件采用梯形图形式编写,显示器部分主要是图形化编程.在
42、电控系统中由PLC 处理的数据计有: 10 路模拟量输入、1 路模拟量输出和39 点开关量输入输出。虽然PLC 对开关量的处理能力很强,但对于GE Funac 90 - 30 这类中小型PLC ,其算术运算功能较弱,梯形图编程又缺乏对地址指针之类的灵活寻址方式的支持,所以在本系统的软件设计中对模拟量的处理是重点和难点。在设计中,采取为每路模拟输入设置单独的FIF0 (先入先出) 队列,尽量减少长字运算,在满足响应时间的前提下降低执行费时的滤波运算的次数等方法,提高了对10 路模拟信号进行数字滤波的率。实际运行表明,采取这些方法后速度为0. 4ms/ 千步的PLC 可在20ms 内完成10 路8
43、 字深度的均值滤波,比一般的重复累加滤波算法约快30 %左右。另外,通过设置大型数组,使用下标操作寻址的方法也大大提高了对数据寻址的效和灵率活性。PLC程序的总体流程如图2 所示。在PLC 程序中大量采用子程序进行结构化设计,其优点是程序结构清晰、维护方便并能节省PLC 宝贵的存储器资源。整个PLC 控制程序由1个主程序和10 个子程序构成,其中每个子程序都完成特定功能,子程序之间接口清晰,数据和算法对应关系明确。例如,在对模拟量的预处理中,编写了专门的子程序,利用数组和移位操作构成的FIF0 队列,对输入模拟量数据进行数字滤波。通过改变滤波子程序调用参数,很容易改变滤波时间常数。为了实现采煤
44、机系统运行参数的跟踪记录功能,特编写了专门的子程序分别进行数据的整理、记录和回读。数据整理子程序负责采集需要记忆的数据,并将这些数据整理形成紧凑的记录(RECORD) 格式。记录子程序接受整理子程序输出的记录数据,利用GE Funac 90 - 30的数组功能,靠对数组下标的模运算,构成环行寻址(circular addressing) 将记录数据写入PLC 掉电保护的RAM ,很好地实现了数据的连续跟踪记录功能。2.4.4 提高系统可靠性和抗干扰性能的措施如前所述,交流电牵引采煤机电控系统工作环境恶劣。在设计以PLC 为核心的采煤机电控系统时,为确保系统能在这种环境下运行可靠,主要采取了以下
45、一些措施:(1) 在PLC 的安装固定方面采取了抗振加固措施,电控系统进行密闭以防潮防尘;(2) 采用输入电压范围宽广的开关稳压电源作为控制电源,并使电源容量有40 %50 %的裕量;(3) 在电路设计中尽量采用工业级元件,确保元件的耐压能力和额定功率都有2 倍以上的裕量;(4) 控制系统安置于屏蔽腔内,控制电缆全部采用屏蔽电缆和双绞线。系统采取了严格隔离措施,输入输出口均采用光耦和继电器隔离;(5) 对需要长距离传输的电信号,则采取尽量放大有用信号的幅值以提高信噪比、降低信号接收电路输入阻抗,并采用带通滤波等多方面综合措施,来减少变频器和其它电气设备在信号回路产生的噪音干扰;(6) 在控制软件中对采集到的电流和温度信号全部进行软件滤波剔除“野点”。通过信号跳变分